Este trabalho visa o desenvolvimento de um sistema computacional que implemente os conceitos geoestatísticos para estudo de viabilidade temporal e espacial, de maneira amigável, rápida e consistente, em ambiente Windows e integrado à Web.bitstream/CNPTIA/9213/1/DOCUMENTO5int.pdfAcesso em: 29 maio 2008

CARVALHO, J. R. P. de

VENDRUSCULO, L. G.

Este trabalho visa o desenvolvimento de um sistema computacional que implemente os conceitos geoestatísticos para estudo de viabilidade temporal e espacial, de maneira amigável, rápida e consistente, em ambiente Windows e integrado à Web

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DocumentosNovembro, 2001 5Desenvolvimento de FerramentaComputacional para Estudode Variabilidade Espaciale Temporal por meio deGeoestatística – Uma PropostaISSN 1677-9274República Federativa do BrasilFernando Henrique CardosoPresidenteMinistério da Agricultura, Pecuária e AbastecimentoMarcus Vinicius Pratini de MoraesMinistroEmpresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária  - EmbrapaConselho de AdministraçãoMárcio Fortes de AlmeidaPresidenteAlberto Duque PortugalVice-PresidenteDietrich Gerhard QuastJosé Honório AccariniSérgio FaustoUrbano Campos RibeiralMembrosDiretoria Executiva da EmbrapaAlberto Duque PortugalDiretor-PresidenteBonifácio Hideyuki NakasuDante Daniel Giacomelli ScolariJosé Roberto Rodrigues PeresDiretores-ExecutivosEmbrapa Informática AgropecuáriaJosé Gilberto JardineChefe-GeralTércia Zavaglia TorresChefe-Adjunto de AdministraçãoKleber Xavier Sampaio de SouzaChefe-Adjunto de Pesquisa e DesenvolvimentoÁlvaro Seixas NetoSupervisor da Área de Comunicação e NegóciosNovembro, 2001Empresa Brasileira de Pesquisa AgropecuáriaEmbrapa Informática AgropecuáriaMinistério da Agricultura,  Pecuária e AbastecimentoDocumentos 5Laurimar Gonçalves VendrusculoJosé Ruy Porto de CarvalhoCampinas, SP2001Desenvolvimento de FerramentaComputacional para Estudode Variabilidade Espaciale Temporal por meio deGeoestatística – Uma PropostaISSN 1677-9274Embrapa Informática AgropecuáriaÁrea de Comunicação e Negócios (ACN)Av. Dr. André Tosello s/noCidade Universitária “Zeferino Vaz” – Barão GeraldoCaixa Postal 604113083-970 – Campinas, SPTelefone/Fax: (19) 3789-5743URL: http://www.cnptia.embrapa.brEmail: sac@cnptia.embrapa.brComitê de PublicaçõesAmarindo Fausto SoaresFrancisco Xavier Hemerly (Presidente)Ivanilde DispatoJosé Ruy Porto de CarvalhoMarcia Izabel Fugisawa SouzaSuzilei Almeida CarneiroSuplentesFábio Cesar da SilvaJoão Francisco Gonçalves AntunesLuciana Alvin Santos RomaniMaria Angélica de Andrade LeiteMoacir Pedroso JúniorSupervisor editorial: Ivanilde DispatoNormalização bibliográfica: Marcia Izabel Fugisawa SouzaCapa: Intermídia Publicações CientíficasEditoração eletrônica: Intermídia Publicações Científicas1a ediçãoTodos os direitos reservadosVendrusculo, Laurimar Gonçalves.Desenvolvimento  de  ferrramenta  computacional  para  estudo  devariabilidade espacial e temporal por meio de geoestatística – uma propos-ta /  Laurimar Gonçalves Vendrusculo e José Ruy Porto de Carvalho. —Campinas : Embrapa Informática Agropecuária, 2001.16 p. :  — (Documentos / Embrapa Informática Agropecuária ; 5)ISSN 1677-92741. Geoestatística. 2. Ferramenta de software. 3. Variação espacial. 4.Variação temporal. 5. Amostragem de solo. I. Carvalho, José Ruy Porto de.II. Título. III. Série.551.015195 (21. ed.)CDD – 551.021 (21. ed.)551.0727 (21. Ed.) © Embrapa 2001AutoresLaurimar Gonçalves VendrusculoBacharel em Engenharia Elétrica, Pesquisadora daEmbrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041,Barão Geraldo - 13083-970 - Campinas, SP.e-mail laurimar@cnptia.embrapa.brJosé Ruy Porto de CarvalhoEng.Agr., Ph.D. em Estatística Aplicada, Pesquisadorda Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal6041, Barão Geraldo - 13083-970 - Campinas, SP.e-mail jruy@cnptia.embrapa.brApresentaçãoÉ inegável a importância dada ao tema Agricultura de Precisão naEmbrapa. O III Plano Diretor da Embrapa cita por várias vezes este assun-to, o qual possui um relevante estágio de organização implementado pelo“Projeto Estratégico em Agricultura de Precisão”, como uma das áreasprioritárias investigadas pelo LABEX nos últimos anos e também comouma área de pesquisa prioritária para a Embrapa InformáticaAgropecuária.A agricultura de precisão, enfoca a variabilidade espacial e temporal emoperações de aplicação de insumos e pesticidas. Necessita para isso fer-ramentas para aquisição e interpretação da maior quantidade de infor-mações possíveis para a gestão, planejamento e acompanhamento con-tínuo do processo produtivo visando a  tomada de decisão. Neste con-texto o uso de ferramentas computacionais que implementem os concei-tos da geoestatística é imprescindível.Este documento compreende a concepção e desenvolvimento de um sis-tema computacional para elaboração de mapas de solo utilizando a téc-nica da geoestatística. O sistema prevê ainda, contribuir para uma áreade grande aplicação agronômica, a otimização de amostragem de solos.José Gilberto JardineChefe-GeralSumárioRevisão de Literatura ................................................. 9Objetivos ...................................................................... 12Material e Métodos ................................................... 12Referências Bibliográficas ..................................... 15Desenvolvimento de FerramentaComputacional para Estudode Variabilidade Espaciale Temporal por meio deGeoestatística – Uma propostaLaurimar Gonçalves VendrusculoJosé Ruy Porto de CarvalhoRevisão de LiteraturaA adoção de técnicas e métodos de gerenciamento mais eficazes visando oaumento da produção agropecuária, em bases sustentáveis, deve merecermais atenção por parte dos agentes do sistema produtivo. Destacamos noescopo deste trabalho a técnica de amostragem de solos com incorporaçãode métodos sistemáticos e predição.Considerando a variabilidade dos solos, estudos mais acurados podemser realizados com o  objetivo de: detectar áreas com diferentes potenci-ais produtivos, estudar poluição em águas subterrâneas e prevenir des-perdícios quando se superestima quantidades de fertilizantes e corretivos.Os processos de amostragem de solo vêm sofrendo modificações para con-siderar a variabilidade espacial de suas propriedades físico-químicas, melho-rando a abordagem de generalização de valores médios destas propriedadespara uma determinada área. Cientistas e agricultores há muito tempo reco-nhecem as variações do solo e as características específicas de seu manejo,bem como o potencial de sua produtividade (Wollenhaupt et al., 1977).Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta10Interpolação é o processo utilizado para estimação de valores de algumapropriedade de interesse em pontos ou áreas onde não se processou aamostragem. De fato, os valores nos pontos amostrados próximos da-queles a serem  estimados contribuirão sobremaneira para a composi-ção da sua grandeza. O interpolador com embasamento geoestatístico,denominado krigagem, parte do pressuposto de que as amostras maispróximas têm, freqüentemente, maior influência do que aquelas maisafastadas. Esta abordagem explicita a dependência espacial entre valo-res de amostras vizinhas.Seguindo esta ótica, vários sistemas computacionais vêm sendoconstruídos  com o objetivo de implementar os conceitos da geoestatísticade maneira isolada ou integrada à outras ferramentas, utilizando-se derotinas preexistentes. Observa-se como tendência a disponibilidade des-ta funcionalidade nos  Sistemas de Informação Georreferenciadas (SIG).Um dos conjuntos mais completos de rotinas voltadas à geoestatísticadenomina-se Geostatistical Software LIBrary (GSLIB), implementada porDeutsch & Journel (1998), na Universidade de Stanford. Constitui-se deuma biblioteca de programas escritos em linguagem de programaçãoFortran 77, padrão ANSI (American National Standard Institute), que per-mite que o GSLIB seja executado em várias plataformas computacionais.A biblioteca GSLIB é um software não comercial, portanto, sem garanti-as e/ou suporte técnico formal. Porém, a biblioteca tem sido atualizada eincrementada de maneira sistemática, permitindo a geração de outrosprogramas geoestatísticos de domínio público. Um exemplo de aplica-ção é descrito por Camargo (1997).GSTAT é outro programa de computador de domínio público que permi-te a  modelagem de variograma, interpolações por meio de krigagem esimulações condicionais ou não em dados referentes a uma ou mais va-riáveis, através de ambiente de uma, duas ou três dimensões (Pebesmaet al.,1998).Utilizando também a linguagem Fortran, Vieira et al. (1983) desenvolve-ram e validaram programas computacionais para cálculo de funçõesmatemáticas associadas à geoestatística. Os principais módulos são re-lacionados a seguir:Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta11 AVAR e AVARIO  - Calculam os semivariogramas médios, na ausênciaou na presença de pontos perdidos; DIVAR - Implementa o semivariograma direcional; XGAMA - Calcula o semivariograma cruzado; TREND - Uma vez que se detecte a presença de tendência nosvariogramas, esta é retirada por meio desse  programa; JACK - Implementa o teste de Jack-knifing. Este  teste é uma dasprincipais ferramentas utilizadas, além do exame do semivariograma,para o conhecimento indireto da estacionaridade dos dados; KRIGE e COKRI - Usados em operações de krigagem e Co-krigagem.As rotinas desenvolvidas por Vieira et al. (1983) são executadas por meiode chamadas diretas ao ambiente DOS. Com a entrada de parâmetrosespecíficos, são gerados arquivos de saídas em formato ASCII. Os pro-gramas são manuseados de maneira modular.Como todo o processo de análise geoestatística envolve incerteza e sub-jetividade, faz-se necessário avaliar o desempenho da estimativa em pon-tos onde os valores são conhecidos. Esta avaliação do erro da estimativapode ser realizada pelo procedimento conhecido como Jack-Knifing ouauto-validação. Existem outras formas de validação da estimativa, comoo estudo dos resíduos (diferença entre os valores medidos e estimados),porém o Jack-Knifing  é um processo interessante, pouco implementadonas bibliotecas geoestatísticas, mas disponível em Vieira et al. (1983).Observa-se uma tendência dos programas computacionais, com aborda-gem científica, em incorporarem recursos das chamadas linguagens vi-suais como Delphi (Inprise Corporation, 1999). Tais linguagens permitema construção de ambientes integrados para resolução de problemas.Cornell & Strain (1996) citam algumas das vantagens do ambiente Delphi,voltado para criação de interfaces gráficas de usuário (GUI - Graphic UserInterface), em relação as linguagens clássicas orientadas a objeto (C++).São elas:Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta12 rapidez no desenvolvimento das interfaces pela facilidade de uso edisponibilidade dos componentes  visuais (botões de comando, cai-xa de diálogo e edição, etc.) ou não (controle de mensagens de erro,acesso a banco de dados,  etc.); possibilidade de construir componentes reutilizáveis, segundo oparadigma da programação orientada a objetos.Inúmeros projetos de pesquisa da Embrapa e de outras instituições doSistema Nacional de Pesquisa Agropecuária (SNPA) incorporam a análi-se espacial e temporal de atributos do solo para as mais diversas finali-dades. À Embrapa é apresentada uma vasta demanda de problemas rela-cionados ao estudo e análise de variabilidade de propriedades agronô-micas, que impactam diretamente a produtividade agrícola.A aplicação de técnicas como a geoestatística, nestes projetos, melhorao gerenciamento do erro associado aos valores estimados de dados,incrementando a confiabilidade dos resultados obtidos no estudo dosfatores associados a produção agrícola.A oferta de ferramentas computacionais que implementem os conceitosgeoestatísticos é oportuna, principalmente se considerada sob a ótica denovas abordagens  como a Agricultura de Precisão.ObjetivosEste trabalho visa o desenvolvimento de um sistema computacional queimplemente os conceitos geoestatísticos para estudo de variabilidadetemporal e espacial, de maneira amigável, rápida e consistente em ambi-ente Windows e  integrado à Web.Material e MétodosA metodologia empregada no desenvolvimento deste sistema baseia-senos princípios e paradigmas da Engenharia de Software e nas etapas doCiclo de Vida Tradicional de desenvolvimento de sistemas (Pressman,1982), associada à técnica de  reuso de software.Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta13O sistema aplicativo será desenvolvido para ambiente Windows e pre-tende utilizar principalmente duas ferramentas computacionais, a saber: rotinas geoestatísticas previamente desenvolvidas por Vieira et al.(1983). A disponibilidade do código fonte e  a rotina de auto-valida-ção foram fatores importantes na escolha desta biblioteca como partedeste estudo; ambiente e linguagem de programação Delphi, objetivando a gera-ção de interfaces amigáveis que implementem as principais  funcio-nalidades  das rotinas geoestatísticas; algoritmos para geração de mapas  de contorno, simbólicos e emtrês dimensões.As rotinas implementadas por Vieira et al. (1983), inicialmente na lingua-gem Fortran 77, terão sua lógica traduzida para a linguagem de progra-mação utilizada pelo ambiente Delphi. Este ambiente permitirá  a gera-ção de um sistema integrado de análise geoestatística.Considerando a técnica de geoestatística e a análise de mapas de solos, asseguintes  funcionalidades são desejáveis para o funcionamento do sistema: Escolha do projeto de amostragem segundo modelos pré-definidos- a disponibilidade de alguns planos de amostras  (aleatória simplese  sistemática estratificada em grade, etc.) facilitaria o trabalho decampo dos pesquisadores ou técnicos durante a localização de pon-tos e demarcação de grades de amostragem. Espera-se que o  siste-ma gere uma grade georreferenciada que corresponda, no mínimo,ao sistema de coordenadas  retangulares que utiliza a projeção Trans-versa de Mercator  UTM (modelos: SAD 69, Córrego Alegre e Chuá).Este sistema  utiliza a escala em metros. Ambiente para criação de gráficos semivariogramas e estatísticasassociadas - ao conjunto de dados coletados, prevê-se a análiseexploratória dos dados, envolvendo o exame de médias e valoresextremos. Posteriormente, estes dados servirão de base para a cons-trução do semivariograma experimental médio ou direcional.Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta14 Retirada de tendência - por meio de módulo específico, se houvernecessidade. Ajuste aos modelos clássicos (Exponencial, Esférico e Gaussiano eoutros). Aplicação da técnica de Jack-Knifing para conhecimento daestacionaridade dos dados. Interpolação de dados por meio de krigagem e/ou Co-krigagem. Geração de mapas de contorno que enfatizem as características es-pacialmente  dependentes. Importação de dados “on-l ine” ou “off- l ine” de sensoresamostradores de campo. Geração de formatos intermediários para as informações resultan-tes, tais como JPEG, BMP, DXF etc.Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta15Referências BibliográficasCAMARGO, E. C. G. Desenvolvimento, implementação e teste deprocedimentos geoestatísticos (krigeagem) no sistema deprocessamento de informações georreferenciadas (SPRING). 1997.115 f. Dissertação (Mestrado) – Instituto Nacional de Pesquisas Espaci-ais, São José dos Campos.CORNELL, G.; STRAIN, T. Delphi: segredos e soluções. São Paulo: MakronBooks do Brasil, 1996. 367 p.DEUTSCH, C. V.; JOURNEL A. G. GSLIB: geostatistical software libraryand user’s guide. New York: Oxford University Press, 1998. 369 p.INPRISE CORPORATION. Borland Delphi 5 for Windows 98, Windows95, & Windows NT: developer’s guide. Scotts Valley, 1999. Paginaçãoirregular.PEBESMA, E. J.; WESSELING, C. G. GSTAT: a program for geostatisticalmodelling, prediction and simulation. Computer and Geosciences, v.24, n. 1, p. 17-32, 1998.PRESSMAN, R. S. Software engineering: a practitioner’s approach. NewYork: McGraw-Hill, 1982. 352 p. (McGraw-Hill Series in SoftwareEngineering and Technology).Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudo de VariabilidadeEspacial  e Temporal por meio de Geoestatística – Uma proposta16VIEIRA, S. R.; HATFIELD, T. L.; NIELSEN, D. R.; BIGGAR, J. W. Geostatisticaltheory and application to variability of some agronomical properties.Hilgardia, Berkeley, v. 51, n. 3, p. 1-75, 1983.WOLLENHAUPT, N. C.; MULLA, D. J.; CRAWFORD, C. A. G. Soilsampling and interpolation techniques for mapping spatial variabilityof soil properties. In: PIERCE, F. J. L.; SADLER, E. J. The state ofsite-specific management for agriculture. Madison: ASA/CSSA/SSA, 1997. p. 19-53.

Desenvolvimento de ferramenta computacional para estudo de variabilidade espacial e temporal por meio de geoestatística: uma proposta.

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Desenvolvimento de ferramenta computacional para estudo de variabilidade espacial e temporal por meio de geoestatística: uma proposta.

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