Classical gully spatial identification and slope stability modeling using high-resolution elevation and data mining technique

It is widely known that soil erosion is an issue of concern in soil and water quality, affecting agriculture and natural resources. Thus, scientific efforts must take into consideration the high-resolution elevation dataset in order to implement a precision conservation approach effectively. New advances such as LiDAR products have provided a basic source of information to enable researchers to identify small erosional landscape features. To fill this gap, this study developed a methodology based on data mining of hydrologic and topographic attributes associated with concentrated flow path identification to distinguish classic gully side walls and bed areas. At 0.91 Km2 region of the Keigley Branch-South Skunk River watershed, an area with gullies, we computed profile curvature, mean slope deviation, stream power index, and aspect gridded in 1-m pixel from Iowa LiDAR project. CLARA (CLustering LARge Applications) algorithm. An unsupervised clustering approach was employed on 913,495 points splitting the dataset in six groups, the number in agreement with within-group sum of squared error (WSS) statistical technique. In addition, a new threshold criteria termed gully concentrated flow (GCF) based upon data distribution of flow accumulation and mean overall slope were introduced to produce polylines that identified the main hydrographic flow paths, corresponding to the gully beds. Cluster #6 was classified as gully side walls. After distinguishing gullies and cliffs areas among points belonging to cluster 6, all six gullies were satisfactorily identified. The proposed methodology improves on existent techniques because identifies distinct parts of gullies which include side walls and bed zone. Another important concept is assessing gully slope stability in order to generate useful information for precision conservation planning. Although limit-equilibrium concept has been used widely in rock mechanics its application in precision conservation structures is relatively new. This study evaluated two multi-temporal surveys in a Western Iowa gullied area under the approach of soil stability regarding precision conservation practice The study computed factor of safety (FS) at the gully area, including headcut and gully side walls using digital elevation models originated from surveys conducted in 1999 and 2014. Outcomes of this assessment have revealed significantly less instability of the actual slopes compared to 1999 survey slopes. The internal friction angle (θ) had the largest effect on slope stability factor (S.D.1999 = 0.18, S.D.2014 = 0.24), according the sensitivity analysis, compared to variations of soil cohesion, failure plane angle and slab thickness. In addition, critically instable slopes within gully, based on units of the slope standard deviation, as a threshold, have produced an area of 61 m2 and 396 m2 considering the threshold of one and two slope standard deviation, respectively. The majority of these critical areas were located near the headcut and in the border of side walls. Based on current literature, association of processed material (geotextile) and crop cover with high root density might be an alternative to improve slope instability, but empirical tests are necessary to validate this approach. Nevertheless, the slope instability must include other factors that capture the dynamics of failure

RAINFALL EROSIVITY IN MUNICIPALITIES OF THE BRAZILIAN CERRADO BIOME

ABSTRACT: The objective of this work was to estimate the rainfall erosivity in 101 municipalities in the Brazilian Cerrado biome. First, a filling of missing data was carried out for 81 rain gauge stations, with a 20-year historical series, in the states of Mato Grosso (MT), Mato Grosso do Sul (MS), Minas Gerais (MG), and Goiás (GO). The corrected data were subjected to 16 regionally calibrated equations, which enabled the determination of the rainfall erosivity. The results indicated that municipalities in northeastern MS present the highest monthly erosivity indexes (El30m), reaching 2,796.5 MJ mm ha-1 h-1 year-1 in January, whereas the lowest index for this same month was 733.0 MJ mm ha-1 h-1 in the eastern MT. The rainfall annual erosivity, or R factor, varied between 3,713.1 and 12,345.6 MJ mm ha-1 h-1 year-1, with the lowest values for municipalities in eastern MT and the highest values for those in northeastern MS. Although the municipalities studied are within the same biome, the spatial distribution makes them present regional effects due to different climatic factors, resulting in different rainfall volumes and intensities, which is reflected in the results of the monthly erosivity index and R factor. Keywords: rainfall stations; R fator; fill missing data; precipitation.   Erosividade da chuva em municípios do Cerrado brasileiro   RESUMO: O objetivo deste trabalho é estimar a erosividade da chuva em 101 municípios localizados no bioma Cerrado. Para tanto, inicialmente foi realizado o preenchimento de falhas para 81 estações pluviométricas, com série histórica de 20 anos, localizadas nos estados de Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais e Goiás, posteriormente com os dados consistidos, foram aplicadas 16 equações calibradas regionalmente, permitindo determinada a erosividade da chuva. Os resultados apontaram que os municípios localizados na região Nordeste de MS, apresentam os maiores índices El30m, chegando a 2.796,5 MJ mm ha-1 h-1 ano-1 no mês de janeiro, enquanto para o mesmo mês, o menor índice foi de 733,0 MJ mm ha-1 h-1  no Leste de MT. A erosividade da chuva anual ou fator R variou entre 3.713,1 a 12.345,6 MJ mm ha-1 h-1 ano-1, com os menores valores para os municípios da região Leste de MT e o maiores para a região Nordeste de MS. Apesar dos municípios estudados estarem localizados dentro do mesmo bioma, a distribuição espacial lhes confere influências regionais de fatores climáticos diferentes, ocasionando volumes e intensidades pluviométricas distintas, o que reflete no resultado no índice de erosividade mensal e no fator R. Palavras-chave: estações pluviométricas; fator R; preenchimento de falhas; precipitação.ABSTRACT: The objective of this work was to estimate the rainfall erosivity in 101 municipalities in the Brazilian Cerrado biome. First, a filling of missing data was carried out for 81 rain gauge stations, with a 20-year historical series, in the states of Mato Grosso (MT), Mato Grosso do Sul (MS), Minas Gerais (MG), and Goiás (GO). The corrected data were subjected to 16 regionally calibrated equations, which enabled the determination of the rainfall erosivity. The results indicated that municipalities in northeastern MS present the highest monthly erosivity indexes (El30m), reaching 2,796.5 MJ mm ha-1 h-1 year-1 in January, whereas the lowest index for this same month was 733.0 MJ mm ha-1 h-1 in the eastern MT. The rainfall annual erosivity, or R factor, varied between 3,713.1 and 12,345.6 MJ mm ha-1 h-1 year-1, with the lowest values for municipalities in eastern MT and the highest values for those in northeastern MS. Although the municipalities studied are within the same biome, the spatial distribution makes them present regional effects due to different climatic factors, resulting in different rainfall volumes and intensities, which is reflected in the results of the monthly erosivity index and R factor. Keywords: rainfall stations; R fator; fill missing data; precipitation.   Erosividade da chuva em municípios do Cerrado brasileiro   RESUMO: O objetivo deste trabalho é estimar a erosividade da chuva em 101 municípios localizados no bioma Cerrado. Para tanto, inicialmente foi realizado o preenchimento de falhas para 81 estações pluviométricas, com série histórica de 20 anos, localizadas nos estados de Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais e Goiás, posteriormente com os dados consistidos, foram aplicadas 16 equações calibradas regionalmente, permitindo determinada a erosividade da chuva. Os resultados apontaram que os municípios localizados na região Nordeste de MS, apresentam os maiores índices El30m, chegando a 2.796,5 MJ mm ha-1 h-1 ano-1 no mês de janeiro, enquanto para o mesmo mês, o menor índice foi de 733,0 MJ mm ha-1 h-1  no Leste de MT. A erosividade da chuva anual ou fator R variou entre 3.713,1 a 12.345,6 MJ mm ha-1 h-1 ano-1, com os menores valores para os municípios da região Leste de MT e o maiores para a região Nordeste de MS. Apesar dos municípios estudados estarem localizados dentro do mesmo bioma, a distribuição espacial lhes confere influências regionais de fatores climáticos diferentes, ocasionando volumes e intensidades pluviométricas distintas, o que reflete no resultado no índice de erosividade mensal e no fator R. Palavras-chave: estações pluviométricas; fator R; preenchimento de falhas; precipitação

SISLA - WEB APPLICATION AND SPATIAL DATABASE TO FOSTER NATURAL RESOURCE MANAGEMENT AT MATO GROSSO DO SUL STATE, BRAZIL

Crucial demands for sustainable land management and environmental governance have trigged solutions based on remote spatial databases and web-based systems. Those solutions provide valuable public services for the citizens and businesses. This paper described SISLA (Interactive System to Support Environmental Licensing), tailored to Mato Grosso do Sul State, Brazil. The modules available at SISLA and described in this article are: metadata, supplementary spatial layers, license process workflow, and spatial analysis report. This study also has found that private companies have been the largest group to use SISLA as described by a brief survey

Sistema computacional para análise geoestatística

Geostatistics identifies the spatial structure of variables representing several phenomena and its use is becoming more intense in agricultural activities. This paper describes a computer program, based on Windows Interfaces (Borland Delphi), which performs spatial analyses of datasets through geostatistic tools: Classical statistical calculations, average, cross- and directional semivariograms, simple kriging estimates and jackknifing calculations. A published dataset of soil Carbon and Nitrogen was used to validate the system. The system was useful for the geostatistical analysis process, for the manipulation of the computational routines in a MS-DOS environment. The Windows development approach allowed the user to model the semivariogram graphically with a major degree of interaction, functionality rarely available in similar programs. Given its characteristic of quick prototypation and simplicity when incorporating correlated routines, the Delphi environment presents the main advantage of permitting the evolution of this system.O uso da geoestatística como técnica para identificação da estrutura espacial de vários fenômenos vem crescendo em aplicações agrícolas. Este trabalho apresenta um sistema computacional implementado em ambiente Windows (Borland Delphi), voltado à análise espacial de dados por meio de ferramentas, como estatísticas descritivas, modelagem de semivariogramas médios, direcionais e cruzados, auto-validação (Jack-Knifing) e krigagem. A fim de avaliar a acurácia dos resultados, o sistema foi testado por meio de um conjunto de dados de carbono e nitrogênio publicados em literatura. O sistema foi eficiente no processo de análise geoestatística para manipulação da rotina computacional num ambiente MS-DOS. A tentativa de desenvolvimento no Windows permitiu ao usuário modelar graficamente o semivariograma com maior grau de interação, sendo esta funcionalidade raramente disponível em programas similares. Devido a sua rápida prototipação e simplicidade após a incorporação de rotinas correlatas, o ambiente Delphi apresenta a principal vantagem de permitir a evolução do sistema.10010

Metadados para a descrição de recursos de informação eletrônica:utilização do padrão Dublin Core

Este artigo aborda a necessidade de adoção de padrões de descrição de recursos de informação eletrônica, particularmente, no âmbito da Embrapa Informática Agropecuária. O Rural Mídia foi desenvolvido utilizando o modelo Dublin Core (DC) para descrição de seu acervo, acrescido de pequenas adaptações introduzidas diante da necessidade de adequar-se a especificidades meramente institucionais. Este modelo de metadados baseado no Dublin Core, adaptado para o Banco de Imagem, possui características que endossam a sua adoção, como a simplicidade na descrição dos recursos, entendimento semântico universal (dos elementos), escopo internacional e extensibilidade (o que permite sua adaptação às necessidades adicionais de descrição)

Sistema computacional para análise geoestatística

Geostatistics identifies the spatial structure of variables representing several phenomena and its use is becoming more intense in agricultural activities. This paper describes a computer program, based on Windows Interfaces (Borland Delphi), which performs spatial analyses of datasets through geostatistic tools: Classical statistical calculations, average, cross- and directional semivariograms, simple kriging estimates and jackknifing calculations. A published dataset of soil Carbon and Nitrogen was used to validate the system. The system was useful for the geostatistical analysis process, for the manipulation of the computational routines in a MS-DOS environment. The Windows development approach allowed the user to model the semivariogram graphically with a major degree of interaction, functionality rarely available in similar programs. Given its characteristic of quick prototypation and simplicity when incorporating correlated routines, the Delphi environment presents the main advantage of permitting the evolution of this system.O uso da geoestatística como técnica para identificação da estrutura espacial de vários fenômenos vem crescendo em aplicações agrícolas. Este trabalho apresenta um sistema computacional implementado em ambiente Windows (Borland Delphi), voltado à análise espacial de dados por meio de ferramentas, como estatísticas descritivas, modelagem de semivariogramas médios, direcionais e cruzados, auto-validação (Jack-Knifing) e krigagem. A fim de avaliar a acurácia dos resultados, o sistema foi testado por meio de um conjunto de dados de carbono e nitrogênio publicados em literatura. O sistema foi eficiente no processo de análise geoestatística para manipulação da rotina computacional num ambiente MS-DOS. A tentativa de desenvolvimento no Windows permitiu ao usuário modelar graficamente o semivariograma com maior grau de interação, sendo esta funcionalidade raramente disponível em programas similares. Devido a sua rápida prototipação e simplicidade após a incorporação de rotinas correlatas, o ambiente Delphi apresenta a principal vantagem de permitir a evolução do sistema

CARACTERIZAÇÃO AMBIENTAL DA UNIDADE DE PLANEJAMENTO E GERENCIAMENTO DO RIO AMAMBAÍ

O objetivo  é caracterizar o meio físico da Unidade de Planejamento e Gestão do rio Amambaí e analisar a cobertura vegetal  e uso da terra do ano de 2007. Foram utilizados dados secundários e efetuado mapeamento da cobertura vegetal e uso da terra. O meio físico é  diversificado. A vegetação natural ocorre em apenas 19% da UPG. O antropismo em 80% da região, com pastagem plantada e agricultura anual ocupado 91% desta área. O desmatamento está além do permitido pela legislação atual, portanto sugere-se que o Governo adote medidas para reverter o atual quadro de degradação ambiental na região

SISTEMA DE BUSCA AVANÇADA DE DADOS ESPACIAIS VOLTADOS AO LICENCIAMENTO AMBIENTAL DO ESTADO DO MATO GROSSO DO SUL

Este trabalho descreve a implementação computacional de um sistema de busca avançada em plataforma Web para dados de empreendimentos e atividades passíveis de licenciamento ambiental, cadastrados no Estado do Mato Grosso do Sul – Brasil. Será também detalhada o aplicativo para cadastramento destes empreendimento e atividades. Estes módulos foram integrados ao Sistema Interativo de Suporte ao Licenciamento ambiental – SISLA e estão em etapa de teste pelos técnicos do IMASUL. O aplicativo de cadastro pretende contribuir para a integração dos empreendimentos rurais neste Estado e a busca avançada tem se mostrado uma ferramenta poderosa de informação ao sistema de monitoramento ambiental. Palavras-chave: Mapas web interativos. Consultas espaciais. Licenciamento ambiental. PostGres/PostGis. I3Geo. Consultas geo-espaciais. Advanced System of search spatial data focused on environmental licensing at Mato Grosso do Sul State This paper describes a computational implementation of a advanced search system on the Web platform for data of projects and activities projects related to environmental licensing, based on the State of Mato Grosso do Sul – Brazil. It will also detail the application for registration of new rural enterprises and activities related. These modules were integrated into the Interactive System Support Environmental licensing - SISLA which are testing by the technicians of IMASUL. To sum up, the application for registration is to contribute to the integration of rural enterprises in this state and the advanced search has proved a powerful tool of information for environmental monitoring system. Key words: Interactive maps. Spatial search. Environmental licensing. PostGres/PostGis. I3Geo. Geo-spatial searches

FORMANDO COMPETÊNCIAS EM GEOTECNOLOGIAS: INTRODUÇÃO AO QGIS

A complexidade, volume e heterogeneidade de aplicações que utilizam  dados espaciais cresceram continuamente nas últimas duas décadas. Nosso cotidiano é fortemente influenciado pelas leituras no sistema global de posicionamento (GPS) e consultas em imagens de satélites, antes disponíveis somente a setores militares. Devido às dimensões continentais do Brasil, as ferramentas de geotecnologias tem grande potencial para fomentar seu o desenvolvimento econômico e social. O Brasil se beneficia do acesso de imagens obtidas por satélite em aplicações sensíveis a sua soberania, tais como desmatamento da Amazônia, monitoramento agrícola e de recursos naturais. Portanto há a necessidade de se divulgar e capacitar recursos humanos em competências em geotecnologias. Devido a isso, houve a necessidade de criar um projeto que capacita e introduz o software livre, QGIS, de processamento/georeferenciamento de imagens uma vez que os softwares pagos são extremamente custosos. Além disso, como a região de Sinop-MT é um local de agronegócios, há também um grande interesse em se obter profissionais capacitados em processamento/georeferenciamento de imagens. Portanto, este artigo objetiva apresentar os resultados do projeto de Extensão intitulada de “Formando Competências em Geotecnologias”

Terrain analysis and data mining techniques applied to location of classic gully in a watershed

Gullies are an extreme form of soil erosion that degrade diverse environments trough the siltation of streams and water bodies. Indirectly, gully erosion compromises crop productivity working as a link to watercourse allowing movement of detached topsoil particles from agricultural fields during heavy storm events. Furthermore, studies found reduction of the catchment area when active gullies are present. This complex process involves multiple factors and it demands to be studied consistently in order to locate the areas prone for gully erosion. The determination of gullies areas depends upon topographical, geological, and hydrological characteristics; however its location is mainly controlled by the high capacity of overland flow to cut the channel. We hypothesize that identification of gully in agricultural landscape can be performed from high-resolution elevation data products and unsupervised clustering approaches. In order to examine this hypothesis we have used variables resultant from of LiDAR-based terrain analysis as input of a three clustering techniques.    A k-means, fuzzy k-means, and CLARA clustering algorithms were used to carry out the cluster analysis. The results of the cluster analysis suggested that 8 classes were optimal for group areas in the watershed. Elevation data from one field-scale watershed near Treynor in Pottawattamie County, IA, was used to calibration purpose and terrain analysis using slope, flow accumulation, plan convexity, topographic wetness Index, and stream power index were calculated. The cluster analysis has shown highest concordance with percentage of corrected classified pixels that approach based in medoid (CLARA) has obtained the best agreement of points within gullied area (30.1%). The results of this research might speed up gullies field surveys and also can serve as input in conservation planning framework.</p