Spectraleletromagnetic and topographic informations on the determination of soil compounds

A obtenção de informações quantitativas do solo por técnicas não destrutivas, como o sensoriamento remoto e os modelos digitais do terreno (MDT), abre a possibilidade de avaliações mais rápidas e menos onerosas no estudo de solos. O objetivo deste trabalho foi verificar a possibilidade de quantificar atributos do solo utilizando informações extraídas de sensor orbital ASTER conjugados com parâmetros topográficos. A área de estudo com 184 ha, localizada em Rafard (SP), foi amostrada em forma de grid sendo coletada uma amostra por hectare. A reflectância foi obtida da imagem ASTER e os dados topográficos a partir do MDT. Em seguida, utilizando os dados orbitais e de relevo foram gerados os modelos de regressão para os atributos do solo. As variáveis dependentes foram selecionadas a partir do método stepwise. Posteriormente, os modelos com R² > 0,50 foram testados em amostras desconhecidas de terra e os valores estimados pelas equações (VE) e os valores determinados em laboratório (VD) foram avaliados através de gráficos de dispersão. Os componentes SiO2, Fe2O3, TiO2 e argila foram os atributos testados, e Fe2O3 e argila obtiveram os melhores coeficientes de determinação. Conclui-se que os modelos gerados pelos dados espectrais e de relevo permitem quantificar os referidos componentes do solo.The obtention of soil quantitative information by non destructive techniques, like remote sensing and digital elevation model (DEM) open a possibility of faster and cheaper evaluation on soil studies. This study aims at verifying the possibility of quantifying soil atributtes through ASTER orbital sensor data and topographic features. The study area, with 184 ha, located in Rafard County, São Paulo State, Brazil, was sampled in a grid way collecting 1 sample/ha. Reflectance data was obtained from ASTER image and topographic features from DEM. Then, using orbital an topographic data were generated a multiple regression equation for soil attributes. The dependent variables were selected by a forward stepwise method. After that, the models with R² > 0.50 were tested with unknown soil samples and the estimated values (VE) and the determined values (VD) were evaluated through scatterplots. SiO2, Fe2O3, TiO2 and clay attributes were tested and, Fe2O3 and clay obtained higher values of determination coefficient. It is conclude that the models generated with spectral data and topographic information allowed the quantification of the above cited soil components

Dados espectrais orbitais e de laboratório na otimização da análise do solo

Traditional soil analyses are time-consuming with high cost and environmental risks, thus the use of new technologies such as remote sensing have to be estimulated. The purpose of this work was to quantify soil attributes by laboratory and orbital sensors as a non-destructive and a non-pollutant method. The study area was in the region of Barra Bonita, state of São Paulo, Brazil, in a 473 ha bare soil area. A sampling grid was established (100 × 100 m), with a total of 474 locations and a total of 948 soil samples. Each location was georeferenced and soil samples were collected for analysis. Reflectance data for each soil sample was measured with a laboratory sensor (450 to 2,500 nm). For the same locations, reflectance data was obtained from a TM-Landsat-5 image. Multiple linear regression equations were developed for 50% of the samples. Two models were developed: one for spectroradiometric laboratory data and the second for TM-Landsat-5 orbital data. The remaining 50% of the samples were used to validate the models. The test compared the attribute content quantified by the spectral models and that determined in the laboratory (conventional methods). The highest coefficients of determination for the laboratory data were for clay content (R² = 0.86) and sand (R² = 0.82) and for the orbital data (R² = 0.61 and 0.63, respectively). By using the present methodology, it was possible to estimate CEC (R² = 0.64) by the laboratory sensor. Laboratory and orbital sensors can optimize time, costs and environment pollutants when associated with traditional soil analysis.Analises de solos tradicionais consomem tempo com alto custo e riscos ambientais. Dessa forma, o uso de novas tecnologias como o sensoriamento remoto tem sido estimulado. O objetivo do trabalho foi quantificar atributos dos solos por um método não destrutivo e não poluente utilizando sensor de laboratório e orbital. A área de estudo localiza-se na região de Barra Bonita, Brasil, com 473 ha com solo exposto. Foi estabelecida uma malha de amostragem (100 m × 100 m) com 474 pontos de amostragem e um total de 948 amostras de solos. Os pontos de amostragem foram georreferenciados, e amostras de solos coletadas e enviadas para análises. Os dados de Reflectância foram obtidos para cada amostra de solo com o sensor em laboratório (450 a 2500 nm). Nos mesmos locais de amostragem de solos, foram obtidos dados de reflectância de imagens orbitais TM-Landsat-5. Equações lineares de regressão múltiplas foram desenvolvidas com 50% das amostras. Dois modelos foram desenvolvidos: o primeiro com dados de espectroradiometria de laboratório e o segundo para os dados orbitais da imagem TM Landsat-5. O restante das amostras, 50% foram utilizadas para validar o modelo. O teste comparou os valores dos atributos quantificados pelos modelos espectrais e os determinados em laboratório (método convencional). Os maiores coeficientes de determinação para os resultados de laboratório foram para argila (R² = 0,86) e areia (R² = 0,82) e para os dados orbitais (R² 0,61 e 0,63, respectivamente). Também foi possível com o presente método estimar CTC (R² = 0,64) para o sensor de laboratório, podendo otimizar tempo, custos e poluições ambientais associadas com as análises de solos tradicionais.FAPESPCNP

Biblioteca espectral e sua aplicação em classificação de solos

Soil science has sought to develop better techniques for the classification of soils, one of which is the use of remote sensing applications. The use of ground sensors to obtain soil spectral data has enabled the characterization of these data and the advancement of techniques for the quantification of soil attributes. In order to do this, the creation of a soil spectral library is necessary. A spectral library should be representative of the variability of the soils in a region. The objective of this study was to create a spectral library of distinct soils from several agricultural regions of Brazil. Spectral data were collected (using a Fieldspec sensor, 350-2,500 nm) for the horizons of 223 soil profiles from the regions of Matão, Paraguaçu Paulista, Andradina, Ipaussu, Mirandópolis, Piracicaba, São Carlos, Araraquara, Guararapes, Valparaíso (SP); Naviraí, Maracajú, Rio Brilhante, Três Lagoas (MS); Goianésia (GO); and Uberaba and Lagoa da Prata (MG). A Principal Component Analysis (PCA) of the data was then performed and a graphic representation of the spectral curve was created for each profile. The reflectance intensity of the curves was principally influenced by the levels of Fe2O3, clay, organic matter and the presence of opaque minerals. There was no change in the spectral curves in the horizons of the Latossolos, Nitossolos, and Neossolos Quartzarênicos. Argissolos had superficial horizon curves with the greatest intensity of reflection above 2,200 nm. Cambissolos and Neossolos Litólicos had curves with greater reflectance intensity in poorly developed horizons. Gleisols showed a convex curve in the region of 350-400 nm. The PCA was able to separate different data collection areas according to the region of source material. Principal component one (PC1) was correlated with the intensity of reflectance samples and PC2 with the slope between the visible and infrared samples. The use of the Spectral Library as an indicator of possible soil classes proved to be an important tool in profile classification.A ciência do solo tem buscado desenvolver técnicas que contribuam para a melhor utilização e caracterização do solo; entre elas encontra-se a aplicação de técnicas de sensoriamento remoto. O uso de sensores terrestres na obtenção de dados espectrais de solos tem possibilitado a caracterização desses e o avanço de técnicas de quantificação de seus atributos. Para isso, a montagem de uma biblioteca espectral de solos se faz necessária. Uma biblioteca espectral deve ser representativa da variabilidade de solos de uma região. O presente trabalho teve por objetivo criar uma biblioteca espectral de distintos solos de algumas regiões agrícolas do Brasil. Para isso, foram coletados dados espectrais (sensor Fieldspec, 350-2.500 nm) dos horizontes de 233 perfis de solos das regiões de Matão, Paraguaçu Paulista, Andradina, Ipaussu, Mirandópolis, Piracicaba, São Carlos, Araraquara, Guararapes, Valparaíso (SP); Naviraí, Maracaju, Rio Brilhante, Três Lagoas (MS); Goianésia (GO); e Uberaba e Lagoa da Prata (MG). Posteriormente, foi realizada a análise de componentes principais (PCA) dos dados e a representação gráfica das curvas espectrais de cada perfil. A intensidade das curvas foi influenciada principalmente pelos teores de Fe2O3, argila, matéria orgânica e presença de minerais opacos. Latossolos, Nitossolos e Neossolos Quartzarênicos não apresentaram mudança no comportamento espectral das curvas de seus horizontes. Argissolos mostraram as curvas dos horizontes superficiais com maior intensidade de reflectância após os 2.200 nm. Cambissolos e Neossolos Litólicos apresentaram curvas de maior intensidade de reflectância nos horizontes pouco desenvolvidos. Gleissolos mostraram forma convexa de curva na região dos 350-400 nm. A PCA foi capaz de separar diferentes regiões de coleta de dados em função do material de origem. A componente principal (PC) 1 correlacionou-se com a intensidade de reflectância das amostras, e a PC2, com a inclinação entre a região do visível e a do infravermelho das amostras. O uso da biblioteca espectral como indicativo de possíveis classes de um solo mostrou ser ferramenta importante para a classificação de perfis.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CNPq National Counsel of Technological and Scientific Developmen

Geoprocessing for the characterization of soils developed from basalt and sand material

Os levantamentos de solos são na maioria antigos e pouco detalhados, geralmente nos níveis exploratório e de reconhecimento. Isso pode ser explicado pelo fato de que o método tradicional de levantamento de solos é lento e caro, requerendo grande número de observações de campo. Assim, o presente trabalho teve como objetivo caracterizar unidades de mapeamento de solos das regiões de Ibaté e São Carlos, SP, desenvolvidos de materiais basálticos e areníticos em função da declividade e altitudes correspondentes, com base em modelo digital de elevação (MDE). Primeiramente, foi feito um mapa de solos semidetalhado pelo método tradicional. Posteriormente, utilizando-se curvas de nível da região, foi elaborado o MDE, do qual foram extraídos mapas com diferentes classes de declividade e elevação. Por meio da tabulação cruzada, foi determinada a incidência de cada solo nas respectivas classes de declives e altitudes. Cada solo apresentou comportamento diferenciado em relação às classes de declive. Contudo, nas faixas limítrofes de declividade pode ocorrer sobreposição de dois ou mais solos. Na referida região, o Latossolo Amarelo encontra-se predominantemente nas regiões mais altas e de relevo plano; entretanto, solos pouco intemperizados, como os Neossolos Litólicos, aparecem em diferentes faixas de declividade. Conclui-se que o conhecimento da distribuição dos solos no relevo é de grande importância, pois facilita a execução do levantamento de solos. O modelo de elevação apresenta semelhanças com o mapa de solos, podendo auxiliar na sua determinação. As variações de solo, no entanto, são mais complexas, não dispensando as observações de campo.Brazilian soil surveys are mostly outdated, with few details, usually based on discovery and recognition. This fact can be ascribed to the traditional, slow and expensive soil survey method, requiring a great number of field observations. Thus, faster and cheaper soil mapping techniques must be developed. The objective of this study was to characterize soil mapping units in the region of Ibaté and São Carlos, state of São Paulo, measuring slopes and altitudes, based on a digital elevation model (DEM). First a semi-detailed soil map was drawn based on the traditional methodology. Then, the DEM was elaborated using contour lines of the region, from which maps with different slope and elevation classes were extracted. By cross tabulation each soil was determined in each slope and elevation class. Each soil responded differently in relation to the slope classes. However, an overlapping of two or more soils can occur in the limit ranges. In the study area, the Typic Haplustox can be found predominantly in higher and plain areas. Low weathered soils such as the Typic Udorthent are however found at different slope levels. It was concluded that knowledge on the soil distribution in the relief is very important for soil surveys. The DEM have similarities with the soil map and can contribute with some information. Soil variations are however extremely complex, which makes field observations indispensable

Caracterização e discriminação de solos pela sua energia eletromagnética refletida

The objective of this work was to verify if reflected energy of soils can characterize and discriminate them. A spectroradiometer (Spectral reflectance between: 400-2,500 nm) was utilized in laboratory. The soils evaluated are located in Bauru region, SP, Brazil, and are classified as Typic Argiudoll (TR), Typic Eutrorthox (LR), Typic Argiudoll (PE), Typic Haplortox (LE), Typic Paleudalf (PV) and Typic Quartzipsamment (AQ). They were characterized by their spectral reflectance as for descriptive conventional methods (Brazilian and International) according to the types of spectral curves. A method for the spectral descriptive evaluation of soils was established. It was possible to characterize and discriminate the soils by their spectral reflectance, with exception for LR and TR. The spectral differences were better identified by the general shape of spectral curves, by the intensity of band absorption and angle tendencies. These characteristics were mainly influenced by organic matter, iron, granulometry and mineralogy constituents. A reduction of iron and clay contents, which influenced higher reflectance intensity and shape variations, occurred on the soils LR/TR, PE, LE, PV and AQ, on that sequence. Soils of the same group with different clay textures could be discriminated. The conventional descriptive evaluation of spectral curves was less efficient on discriminating soils. Simulated orbital data discriminated soils mainly by bands 5 and 7.O presente trabalho teve por objetivo verificar se a análise da energia eletromagnética refletida por solos permite sua caracterização e discriminação. Foi utilizado espectroradiômetro em laboratório (Faixa espectral: 400-2.500 nm). Os solos avaliados, ocorrentes na região de Bauru, SP, foram: Latossolo Roxo (LR), Terra Roxa Estruturada (TR), Podzólico Vermelho-Escuro (PE), Latossolo Vermelho-Escuro (LE), Podzólico Vermelho-Amarelo (PV) e Areia Quartzosa (AQ). Os solos foram caracterizados espectralmente pelos métodos convencionais (nacional e internacional). Foi idealizado um método para avaliação espectral descritiva. Foi possível caracterizar e discriminar solos pela refletância, e as diferenças espectrais foram identificadas pela forma geral das curvas, intensidade das bandas de absorção e pela tendência de angulação. Essas características foram influenciadas principalmente pela matéria orgânica, ferro, granulometria e constituintes mineralógicos. Nos solos LR/TR, PE, LE, PV e AQ, nesta seqüência, ocorreu diminuição nos teores de ferro e argila, que influenciaram no aumento da intensidade de refletância e variações na forma. Solos de uma mesma classe, com texturas diferentes, puderam ser discriminados. A avaliação descritiva convencional mostrou-se pouco eficaz na discriminação dos solos. Os dados orbitais simulados permitiram discriminar os solos, principalmente nas bandas 5 e 7

Photopedology and orbital spectral pedology on the evaluation of soils developed from basalt

O Estado do Mato Grosso do Sul (MS) é um dos principais produtores do setor agropecuário brasileiro. Entretanto, para manter essa condição, terá que ter à disposição metodologias que auxiliem no planejamento do uso racional de suas terras. Desta forma, tornam-se necessárias pesquisas que visem obter métodos de investigação dos solos que atuem de forma rápida, sejam eficazes e, principalmente, de baixo custo. Sabendo-se que o relevo é importante fator de formação dos solos e que fotos aéreas detectam a variação de superfície, espera-se que, juntamente com informações espectrais quantitativas da superfície, possam caracterizar e discriminar solos ou grupamento de solos na paisagem. Assim, este estudo teve por objetivos: (a) identificar diferentes classes de solos e verificar suas relações com os aspectos qualitativos e quantitativos da paisagem; (b) utilizar dados radiométricos de imagens de satélite para discriminar classes ou grupamento de solos. Para tal, foi avaliada a relação entre a classificação dos solos e os aspectos da rede de drenagem, obtidos através da interpretação de fotografias aéreas, e dados espectrais, conseguidos através da análise de imagens de satélite, de 14 amostras circulares (ACs) da região de Maracaju (MS), onde os solos são desenvolvidos a partir de basaltos. A densidade de drenagem (Dd) apresentou correlação com o índice de intemperismo (Ki) e com a saturação de bases do solo (V%), permitindo discriminar classes de solos dentro da área de estudo com 85,7 % de certeza, enquanto os dados espectrais somente discriminaram solos quanto às classes texturais da camada superficial. Além disso, observou-se que nos solos com teores de Fe2O3 acima de 180 g kg-1 a diferenciação por classes texturais foi prejudicada mediante o do uso das imagens de satélite.The state of Mato Grosso do Sul (MS) is one of the main Brazilian producers in the agricultural sector. To maintain this status, however, it will be necessary both to know and use rationally its soil resources. This way, it will be necessary methods of soil research that are efficient and fast in obtain information, as well as of low-cost to support land use planning. Since relief is an important factor of soil formation, aerial photos and satellite images analysis can be used to detect landscape features that help to characterize and discriminate soils. Therefore, the goals of this study were: (a) to identify different soil classes and verify their relationships with landscape aspects by the interpretation of aerial photos; and (b) to use radiometric data, obtained from satellite images analysis, to discriminate soils or groups of soils on landscape. To do so, it was evaluated the relationship between soil classes and relief and drainage aspects, obtained by the interpretation of aerial photos in conjunction with spectral data obtained by satellite image analysis of 14 circular samples (CS) of the Maracaju city in the MS state. The drainage density (Dd), determined in the CS, showed positive correlation with the soil Ki index and base saturation (V%) index, thus allowing discriminate soil classes of the studied area with 85.7 % of certainty, whereas the spectral data only discriminated soils by the textural classes of their surface layer. On the other hand, it was also observed that soils with Fe2O3 content higher than 180 g kg-1 had their textural classes poorly differentiated by using the spectral data

Quantification of soil organic matter using mathematical models based on colorimetry in the Munsell color system

O presente estudo teve como objetivo desenvolver modelos matemáticos para a quantificação do teor de matéria orgânica, a partir da cor do solo, obtida por aparelho colorímetro no sistema Munsell de cores. Para esse fim, 912 amostras de solo foram coletadas na região de Porto Grande (Amapá) e enviadas para análises química, granulométrica e determinação da cor em amostras secas e úmidas. Os componentes valor e croma da cor do solo no sistema Munsell, obtidos por colorímetro, foram utilizados para quantificar através de regressão múltipla passo a passo (stepwise) o teor de matéria orgânica do solo. O modelo de predição com base em todas as amostras apresentou R² de 0,66 para amostras úmidas e 0,56 para amostras secas, ao serem validados utilizando amostras independentes. Foi possível ainda melhorar os modelos quando as amostras foram separadas por classe de solo ou textura, e os modelos gerados com base em cores de amostras úmidas foram sistematicamente superiores àqueles utilizando amostras secas. Em relação às classes de solo, os melhores resultados foram obtidos para Argissolos e Latossolos, ambos gerando um R² de validação independente de 0,73 (amostra úmida). Para textura, os melhores resultados foram obtidos para solos de textura muito argilosa, com R² de validação de 0,81 (amostra úmida). Os modelos de predição de matéria orgânica em função da cor do solo possuem simplicidade e potencial para serem utilizados no laboratório e no campo, especialmente para Argissolos e Latossolos de textura argilosa, de maneira automática e sem necessidade de uso de produtos ou reagentes.This study aimed to derive mathematical models to predict the soil organic matter content based on soil color obtained by a colorimeter in the Munsell color system. A total of 907 soil samples were collected in the region of Porto Grande (Amapá, Brazil) and analyzed in the laboratory for chemical properties, particle size distribution and color of dry and wet samples. The Munsell color components value and croma obtained using a colorimeter were used to predict soil organic matter content based on stepwise multiple linear regression. Models derived using all samples had R² of 0.66 for wet samples and 0.56 for dry samples, respectively, when validated using independent samples. It was possible to improve the models by separating the samples by soil class or texture. The models derived using colors obtained from wet samples were systematically better than those based on dry samples. Among soil classes, best results were obtained for Argissolos (Ultisols) and Latossolos (Oxisols), both having an R² of independent validation of 0.73 (wet sample). For texture, best results were obtained for very clayey soils, with an R² of validation of 0.81 (wet sample). The soil organic matter prediction models based on soil color have simplicity and potential to be used in the laboratory and in the field with quick and unnecessary chemical products, especially for Ultisols and Oxisols of clayey texture.CNPq/PQ e CNPq/PIBI

Caracterização de solos por padrões de drenagem e sua relação com índices de intemperismo

Soil characterization by photopedology studies are important tools in soil survey. Aerial photographs were used in a study of drainage network and its quantitative and descriptive characteristics were obtained in four areas located in Paraná State, Brazil, in soils developed from basic and acid rocks. In the aerial photo 1:25,000 scale, circular sampling with 10 km2 were selected, both developed from acid rocks. The parameters of drainage pattern permit to separate the soils developed from basic rocks and soils developed from acid rocks. The descriptive analysis was useful to differentiate the soil units, but was not so sensible as drainage density. The drainage density in circular sampling was the best index for characterization of soils units. Soils developed from acid rocks have different drainage pattern when compared with similar soils developed from basic rocks. The drainage density can be considered a weathering index for the same rock, for basic or acid rocks.A caracterização de solos por meio do estudo fotopedológico pode auxiliar futuros levantamentos de solos. Foram estudados, em quatro regiões do Estado do Paraná, solos desenvolvidos de rochas eruptivas básicas e ácidas, utilizando-se fotografias aéreas de escala 1:25.000, nas quais foram locadas amostras circulares de 10 km2. Foram caracterizados e estudados os padrões descritivos e quantitativos da rede de drenagem dos solos. Também observaram-se as relações existentes entre o grau de evolução desses solos e os índices de drenagem. A análise descritiva mostra-se útil na diferenciação dos solos, entretanto, foi um parâmetro menos sensível que a densidade de drenagem, que permitiu discriminar os solos desenvolvidos de rochas básicas bem como os de rochas ácidas. Os solos originados de rocha ácida possuem uma rede de drenagem diferente de seus pares originados de rocha básica. O índice densidade de drenagem pode expressar o grau de evolução dos solos em um mesmo substrato rochoso, no caso rochas básicas ou rochas ácidas

Geomorphometric segmentation of complex slope elements for detailed digital soil mapping in southeast Brazil

Hillslope elements have considerable potential in predicting soil properties and types in the landscape, making them likely to be a useful basis for detailed soil mapping. The goal of this research was to apply a previously developed digital hillslope position (DHP) model, calibrate it as needed to a Brazilian landscape, and test its utility as a basis for identification of detailed soil map units. The study area covers 2500 ha and is located on the border between the municipalities of Piracicaba and Santa Bárbara d\u27Oeste, São Paulo state, Brazil. A digital elevation model, with spatial resolution of 5 m, was used to obtain slope gradient, profile curvature and relative elevation with different analysis scales. Hierarchical rules for these digital terrain derivatives were used to segment the landscape into hillslope positions. The user-calibrated hillslope position model was verified against local experience by identifying the hillslope position in the field and comparing it with the model classification using the Kappa statistic and a confusion matrix. Soil samples were collected across multiple hillslopes with different lithologies. The samples were analyzed for chemical composition and soil particle size separates. The measured soil properties were assessed for statistical significance by variance analysis among hillslope position, parent material, and the interaction between the two. Student\u27s t-tests were performed iteratively across each hillslope position within a given parent material to identify specifically which soil properties were significantly different among the hillslope position map units. Variance analysis of soil samples located within the respective parent material map units identified significant differences for all soil properties measured, but only for some soil properties when categorized by DHP. Focusing on the parent material with a sufficient quantity of samples, there was always at least one hillslope position that was significantly different from the others for each soil property. Because each of these map units presented a significant difference in at least one soil property, they are useful for detailed soil mapping