Instance selection in digital soil mapping: a study case in Rio Grande do Sul, Brazil / Seleção de instâncias no mapeamento digital de solos: um estudo de caso no Rio Grande do Sul, Brasil

A critical issue in digital soil mapping (DSM) is the selection of data sampling method for model training. One emerging approach applies instance selection to reduce the size of the dataset by drawing only relevant samples in order to obtain a representative subset that is still large enough to preserve relevant information, but small enough to be easily handled by learning algorithms. Although there are suggestions to distribute data sampling as a function of the soil map unit (MU) boundaries location, there are still contradictions among research recommendations for locating samples either closer or more distant from soil MU boundaries. A study was conducted to evaluate instance selection methods based on spatially-explicit data collection using location in relation to soil MU boundaries as the main criterion. Decision tree analysis was performed for modeling digital soil class mapping using two different sampling schemes: a) selecting sampling points located outside buffers near soil MU boundaries, and b) selecting sampling points located within buffers near soil MU boundaries. Data was prepared for generating classification trees to include only data points located within or outside buffers with widths of 60, 120, 240, 360, 480, and 600m near MU boundaries. Instance selection methods using both spatial selection of methods was effective for reduced size of the dataset used for calibrating classification tree models, but failed to provide advantages to digital soil mapping because of potential reduction in the accuracy of classification tree models.

Uma questão crítica no mapeamento digital de solos é a seleção do método de amostragem dos dados para treinamento do modelo preditivo. Uma abordagem emergente aplica a seleção de instâncias (observações) para reduzir o tamanho do conjunto de dados, selecionando amostras relevantes para obter um subconjunto representativo, o qual seja grande o suficiente para preservar as informações pertinentes, mas pequeno o suficiente para ser facilmente manipulado pelos algoritmos de aprendizagem. Embora existam sugestões para distribuir a amostragem de dados em função da proximidade de limites de unidades de mapeamento de solos (UM), ainda existem contradições entre as recomendações de pesquisa para localizar amostras mais perto ou mais distantes desses limites. Foi realizado um estudo para avaliar os métodos de seleção de instâncias com base na coleta de dados espacialmente explícita usando a localização em relação aos limites de mapa de solo como o principal critério. Realizou-se análise de árvore de decisão para a modelagem de mapeamento digital de classes de solo usando dois esquemas de amostragem diferentes: a) selecionando pontos de amostragem localizados fora das áreas marginais aos limites das UM e b) selecionando pontos de amostragem situados dentro das áreas marginais aos limites das UM. Os dados foram preparados para a geração de árvores de classificação para incluir somente dados pontuais localizados dentro ou fora de faixas com larguras de 60, 120, 240, 360, 480 e 600m ao redor dos limites de UM. Ambos os métodos de seleção de instâncias foram eficazes para reduzir o tamanho do conjunto de dados usado para calibração de árvores de classificação, mas não trouxeram vantagens para o mapeamento digital de classes de solos.

Simulações espacialmente explícitas dos estoques de carbono orgânico de um LATOSSOLO BRUNO por meio da integração do modelo century com GIS / Spatially explicit simulations of soil carbon stocks in Humic Hapludox, using Century model and GIS

Os modelos de simulação, uma vez calibrados localmente, são ferramentas úteis para a avaliação dos impactos da agricultura sobre a dinâmica do carbono orgânico do solo (COS) e planejamento de sistemas agrícolas sustentáveis em escala regional. O presente trabalho teve como objetivo estudar a dinâmica do COS em um LATOSSOLO BRUNO Aluminoférrico típico muito argiloso, localizado em uma região de clima subtropical, por meio de simulações com o modelo Century - versão 4.0, apoiado em levantamentos históricos e técnicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto. Verificou-se que, para o período atual, a mudança de uso do solo, representada pela conversão da vegetação nativa em agricultura, causou uma redução no conteúdo de carbono ao longo dos anos, sendo que as lavouras com maior tempo de exploração e submetidas ao preparo convencional apresentaram os menores estoques. Por outro lado, nas simulações futuras (ano 2058), verifica-se que as lavouras, quando sob manejos conservacionistas, podem recuperar, e até superar, os estoques de COS encontrados no solo sob vegetação nativa de campo.

Simulation models are useful tools for assessment of the impacts of agriculture on nutrient and soil organic C (SOC) dynamics. Results of simulation studies can be applied to develop sustainable agricultural systems. This study simulated SOC in clayey Humic Hapludox with Century model (version 4.0) in a subtropical climate, with support from historical soil and land-use surveys; GIS and remote sensing techniques. Major reductions in SOC stocks were observed after land under native vegetation was converted to agricultural use, especially under annual crops managed under conventional tillage. Simulations of these soils under current management to the year 2058 showed that soils under conservation systems (especially no tillage) can recover and in some cases even exceed the original SOC stocks under native vegetation.

Avaliação de cinco algoritmos de árvores de decisão e três tipos de modelos digitais de elevação para mapeamento digital de solos a nível semidetalhado na Bacia do Lageado Grande, RS, Brasil / Evaluation of five algorithms of decision trees and three digital elevation models for digital soil mapping at semidetail level at the Lageado Grande Watershed, RS, Brazil

O mapeamento digital de solos (MDS) tem como base a geração de sistemas de informações que permitem estabelecer relações matemáticas entre variáveis ambientais e solos e, dessa forma, predizer a distribuição espacial das classes ou propriedades dos solos. Dentre as abordagens mais utilizadas, as árvores de decisão têm se destacado por apresentar bons resultados no MDS. Por outro lado, dada a disponibilidade de novas fontes de informação sobre a elevação, torna-se necessário o teste e avaliação de modelos digitais de elevação (MDE) quanto ao seu uso para o MDS. Este estudo testa cinco algoritmos de árvores de decisão (Simple Chart, Random Tree, REP Tree, BF Tree e J48) e três MDE (Aster GDEM, SRTM e SRTM V3) para o MDS a nível semidetalhado, em situações em que o principal fator diferenciador entre os tipos de solo é o relevo. O uso do MDE Aster GDEM e árvore de decisão com algoritmo J48, Simple Tree e BF Tree foram os que produziram modelos de árvore de decisão capazes de produzir mapas de solo com maior similaridade ao mapa de referência.

Digital soil mapping (DSM) has been shown to be feasible to use in soil survey. Although several methods have been exploited, there is a lack in defining methodologies for doing DSM. This study tests five decision trees algorithms that have been identified as suitable (Simple Chart, Random Tree, REP Tree, BF Tree, and J48) and three digital elevation models (AsterGDEM, SRTM and SRTM V3) for DSM at semidetailed level in situations where the main differentiating factor between soil types is the relief. The use of MDE Aster GDEM and decision three algorithms J48, Simple Tree e BF Tree produced decision tree models capable of produce soil maps with larger accuracy related to reference soil maps.

Mapeamento digital de classes de solos: características da abordagem brasileira / Digital soil mapping: characteristics of the brazilian approach

O solo é cada vez mais reconhecido como tendo um importante papel nos ecossistemas, assim como para a produção de alimentos e regulação do clima global. Por esse motivo, a demanda por informações relevantes e atualizadas em solos é crescente. Pesquisadores em ciência do solo estão sendo demandados a gerar informações em diferentes resoluções espaciais e com qualidade associada dentro do que está sendo chamado de Mapeamento Digital de Solos (MDS). Devido ao crescente número de trabalhos relacionados ao MDS, faz-se necessário reunir e discutir as principais características dos estudos relacionados ao mapeamento digital de classes de solos no Brasil, o que irá possibilitar uma perspectiva mais ampla dos caminhos, além de nortear trabalhos e demandas futuras. O mapeamento de classes de solos empregando técnicas de MDS é recente no país, com a primeira publicação em 2006. Entre as funções preditivas utilizadas, predomina o emprego da técnica de regressões logísticas. O fator de formação relevo foi empregado na totalidade dos estudos revisados. Quanto à avaliação da qualidade dos modelos preditivos, o emprego da matriz de erros e do índice kappa têm sido os procedimentos mais usuais. A consolidação dessa abordagem automatizada como ferramenta auxiliar ao mapeamento convencional passa pelo treinamento dos jovens pedólogos para a utilização de tecnologias da geoinformação e de ferramentas quantitativas dos aspectos de variabilidade do solo.

Soil is increasingly being recognized as having an important role in ecosystems, as well as for food production and global climate regulation. For this reason, the demand for relevant and updated soil information is increasing. Soil science researchers are being demanded to produce information in different spatial resolutions with associated quality in what is being called Digital Soil Mapping (DSM). Due to an increasing number of papers related to the DSM in Brazil, it is necessary to discuss the main characteristics of those studies related to the automated mapping of soil classes, which will enable a broader perspective of the subject and guide future works and demands. The mapping of soil classes using DSM techniques is recent in the country, the first publication in this topic occurred just in 2006. Among the predictive functions the predominant is logistic regression. The soil formation factor relief was used in all studies reviewed. Quality of predictive models was evaluated employing error matrix and kappa which were the most common procedures. The consolidation of this automated approach as an auxiliary tool to the conventional soil mapping will demand training of young soil scientists to use geoinformation technologies and quantitative tools to handle aspects of soil variability.

Ação dos térmitas no solo / Termites action on the soil

A ordem Isoptera é bastante conhecida pelo seu potencial como praga, apesar dos cupins-praga constituírem a minoria dentro do grupo. Os cupins (térmitas) são invertebrados dominantes em ambientes terrestres tropicais e estão espalhados desde as florestas úmidas até as savanas, sendo encontrados até mesmo em regiões áridas, nos mais variados habitats. Esses insetos têm um papel destacado e ainda pouco estudado nos ecossistemas tropicais. Ciclagem de nutrientes, aeração, infiltração de água do solo, bioturbação, formação de agregados e decomposição de material orgânico, são processos influenciados pela ação dos térmitas, que vão, direta ou indiretamente, influenciar a formação dos solos e da paisagem onde se encontram. Sugerimos que uma maior abordagem deva ser dirigida em futuras pesquisas para a influência desses insetos no solo sob condições específicas de uso e manejo, na produção sustentável de alimentos e nas mudanças climáticas.

The order Isoptera is well known by its potential as a plague, although the number of species that are plagues is small within the group. Termites are the dominant invertebrates in tropical terrestrial environments and are spread from tropical rainforests to the savannahs, being found even in arid regions, in various habitats. These insects have a major role and are still little studied in tropical ecosystems. Nutrient cycling, aeration, water infiltration of soil, bioturbation, aggregates formation and organic material decomposition, are processes influenced by the action of termites, which , directly or indirectly, affect soil and landscape formation wherever they are. We suggest that a better approach must be addressed in future researches about these insects influence in the soil under specified conditions of use and management, in sustainable food production and climate changes.

Comparação de métodos para mapeamento digital de solos com utilização de sistema de informação geográfica / Comparison of methods for digital soil mapping using a geographical information system

Mapas pedológicos são fontes de informações primordiais para planejamento e manejo do uso do solo, porém apresentam altos custos de produção. A fim de produzir mapas de solos a partir de mapas existentes, neste trabalho, foram comparados métodos de classificação em estágio único (Regressões Logísticas Múltiplas Multinomiais e Bayes) e em estágios múltiplos (Classification and Regression Trees (CART), J48 e Logistic Model Trees (LMT)) com a utilização de sistemas de informações geográficas e de variáveis geomorfométricas para produção de mapas pedológicos com legenda original e simplificada. A base de dados foi gerenciada em aplicativo computacional ArcGis, em que as variáveis e o mapa original foram relacionados por meio de amostras de treinamento para os algoritmos. Os resultados dos algoritmos obtidos no software Weka foram implementados no ArcGis, para a confecção dos mapas. Foram geradas matrizes de erros para análise de acurácias dos mapas. As variáveis geomorfométricas de declividade, perfil e plano de curvatura, elevação e índice de umidade topográfica são aquelas que melhor explicam a distribuição espacial das classes de solo. Os métodos de classificação em estágio múltiplo apresentaram sensíveis melhoras nas acurácias globais, porém significativas melhoras nos índices Kappa. A utilização de legenda simplificada aumentou significativamente as acurácias do produtor e do usuário.

Soil maps are sources of important information for land planning and management, but are expensive to produce. This paper proposes testing and comparing single stage classification methods (Multiple Multinomial Logistic Regression and Bayes) and multiple stage classification methods (Classification and Regression Trees (CART), J48 and Logistic Model Trees (LMT)) using geographic information system and terrain parameters for producing soil maps with both original and simplified legend. The database was managed in ArcGis computer application in which the variables and the original map were related through training of the algorithms. The results from statistical software Weka were implemented in ArcGis environment to generate digital soil maps. The terrain parameters that best explained soil distribution were slope, profile and planar curvature, elevation, and topographic wetness index. The multiple stage classification methods showed small improvements in overall accuracies and large improvements in the Kappa index. Simplification of the original legend significantly increased the producer and user accuracies, however produced small improvements in overall accuracies and Kappa index.

Atributos químicos relacionados ao processo de sulfurização em solos construídos após mineração de carvão / Chemical attributes of constructed soils after surface coal mining related to sulphurization process

A mineração de carvão a céu aberto envolve a remoção superficial do solo e de camadas geológicas, os quais devem ser repostos visando à reabilitação das áreas mineradas. Essa obra expõe o carvão às condições oxidativas do ar e altera as características originais do solo e da paisagem. Como consequência, o processo de sulfurização pode ser ativado nos solos construídos em razão da oxidação da pirita, condicionando alterações químicas e mineralógicas. Nesse contexto, o estudo objetivou avaliar a evolução temporal de solos construídos há 24 (SA-24) e dois (SA-2) anos, em duas áreas mineradas e reconstruídas no Município de Minas do Leão, Rio Grande do Sul (RS), tendo como base atributos químicos relacionados com o processo de sulfurização. Para tanto, foram determinados o pH, a condutividade elétrica (CE), os teores de bases (SB) e de alumínio (Al3+) trocáveis, a acidez potencial (H+Al), os teores totais de Al, Fe e Si e o teor de sulfato solúvel (S-SO4(2-)) e calculadas a capacidade de troca de cátions (CTC), a saturação por bases (V) e a saturação por alumínio (m). Os resultados indicaram a atuação do processo de sulfurização nos solos construídos de ambas as áreas reabilitadas. A CE e os teores de S-SO4(2-) foram maiores na SA-2, indicando um estádio de sulfurização mais ativo nos solos dessa área. Na SA-24, a menor CE e os menores teores de S-SO4(2-), de SB e V, bem como a maior saturação por Al e teores de H+Al, sugerem a proximidade do estádio de pós-sulfurização. Elementos como Al e P concentraram-se relativamente nos solos construídos mais antigos. Os solos em ambas as áreas apresentam limitações químicas para o desenvolvimento de vegetação, influindo negativamente para a recuperação das áreas.

Coal stripmining involves the removal of upper soil and geological layers, which must be relocated in a similar way that in the original profile when reconstructing the landscape. As this process changes soil and landscape characteristics, pirite may oxide and change soil chemical and mineralogical characteristics. In this context, the study aimed to evaluate the temporal evolution of soils reconstructed 2 (SA-2) and 24 (SA-24) year ago, in Boa Vista Coal Mining, in Minas do Leão, Rio Grande do Sul, Brazil. Soil characteristics measured were pH, electrical conductivity (EC), bases and aluminium content, potential acidity (H+Al), and contents of Al, Fe, Si, and soluble sulphate. Calculations accounted for cation exchange capacity, base saturation and aluminum saturation. Results indicated occurrence of oxidation processes in both reconstructed areas. Electrical condutivity and soluble phosphate contents were higher in SA-2, indicating a more active sulphurization stage in these soils. In soils of area SA-24, lower EC and smaller contents of soluble sulphate, lower base saturation, as well as higher aluminum saturation and H+Al suggest a more advanced sulphurization process compared to SA-2. Aluminum and P concentrated in older soil profiles. Soils in both areas have chemical limitations for plant growth with adversely affects to recuperation of the area.

Características de solos construídos após mineração de carvão relacionadas ao processo de construção e à composição do material utilizado / Constructed soils characteristics after coal mining related to construction process and to material composition utilized

A mineração de carvão a céu aberto envolve a remoção do solo e de camadas geológicas, que devem ser repostos na seqüência original, visando a reabilitação das áreas mineradas. Este processo altera as características originais do solo e da paisagem. Neste sentido, perfis de solos construídos há 24 e 2 anos, em duas áreas mineradas no município de Minas do Leão (RS), foram avaliados quanto ao processo e à composição dos materiais utilizados na construção. Quanto ao processo de construção, foram determinadas as características morfológicas, a densidade, a condutividade hidraulica saturada e a capacidade de infiltração de água no solo. Em relação à composição dos materiais, determinaram-se granulometria, capacidade de traoca de cátions (CTC), teor de carbono orgânico (CO) e potenciais de neutralização e acidificação. Em ambas as áreas reconstituídas, o processo de construção aumentou a densidade e diminuiu a condutividade hidráulica saturada e a capacidade de infiltração de água no solo. A granulometria, a CTC e o teor de CO foram similares nas duas áreas amostradas, indicando que o processo de construção e os materiais utilizados foram semelhantes. A diminuição dos potenciais de neutralização e acidificação nos perfis de solos construídos há 24 anos indicou um avanço da sulfurização com o tempo de construção dos solos. Os solos em ambas as áreas apresentam sérias limitações para o desenvolvimento de vegetação, influindo negativamente para a recuperação dessas áreas e de áreas adjacentes.

Coal stripmining involves the removal of upper soil and geological layers, which must be relocated in a similar way that in the original profile when reconstructing the landscape. As this process changes soil and landscape characteristics, this study evaluated changes related to composition of materials and construction process in soils reconstructed 2 and 24 years ago, in Boa Vista Coal Mining, in Minas do Leão, Rio Grande do Sul, Brazil. The construction processes were evaluated by morphologic characteristics, soil density, saturated hydraulic conductivity, soil water infiltration capacity, particle size distribution, cation exchange capacity, carbon content, and neutralization and acidification potential. In both reconstructed areas, the construction process increased soil density and reduced both saturated soil hydraulic conductivity and soil water infiltration. No significant difference was found between sample sets of 2 and 24 years for particle size distribution, cation exchange capacity and carbon content, indicating that construction processes and the materials were similar. The decrease of neutralization and acidification potentials in soils built 24 years ago indicated an increase in sulfurization as time since soil reconstruction increases. Due to alterations in soils, both areas present serious limitations for vegetation development, influencing negatively the recovery of mining sites and adjacent areas.

Estimativa do benefício econômico potencial de dois levantamentos de solos no Estado do Rio Grande do Sul / Estimate of the potential economic benefit of two soil surveys in Rio Grande do Sul State, Brazil

Este estudo aplica técnicas de análise de decisão para a quantificação do valor econômico do Levantamento de Reconhecimento de Alta Intensidade dos Solos do Município de Sentinela do Sul, RS (escala 1:50.000), e do Levantamento de Solos da Bacia Carbonífera do Baixo Jacuí, RS (escala 1:100.000) através de informações econômicas sobre as culturas regionais e avaliação da qualidade do levantamento de solos. A estimativa do valor econômico é feita pela quantificação do aumento do rendimento econômico quando o planejamento de uso das terras considera as informações contidas no levantamento de solos. Os resultados desta avaliação evidenciam que os benefícios econômicos gerados pelo uso de informações constantes em levantamentos de solos (R$153,15 ha-1 e R$70,15 ha-1, em escala 1:50.000 e 1:100.000, respectivamente) são maiores que os custos associados à execução de levantamentos de solos (R$1,03 ha-1 para um mapa na escala 1:50.000 e R$ 0,38 ha-1 para um mapa na escala 1:100.000).

Cinética da dissolução redutiva da goethita e hematita em solos poligenéticos / Reductive dissolution kinetics of goethite and hematite in poligenetic soils

A cinética da dissolução redutiva da goethita e da hematita em solos poligenéticos foi avaliada por dois modelos matemáticos. O modelo Kabai descreveu a dissolução em um único segmento linear, não discriminando fases de um mesmo óxido ou de diferentes óxidos em cada amostra. A análise comparativa da estabilidade de cristais por este modelo somente pode ser realizada entre amostras distintas. O modelo Avrami-Erofejev descreveu a dissolução em mais de um segmento linear na maioria das amostras. Este modelo discriminou fases de um mesmo óxido e ofereceu condições para classificar o grau de estabilidade destes minerais dentro de cada amostra. Os modelos indicaram menor estabilidade da hematita em relação à goethita frente à dissolução redutiva, principalmente quando a última combinou baixa substituição por Al3+ e alta área superficial específica. A influência destes parâmetros mineralógicos na estabilidade dos cristais à dissolução redutiva mostrou ser dependente da abordagem matemática utilizada para determinar a cinética dissolutiva.