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Sistema de Informações

Geográficas – SIG/SPRING

para Modelagem e

Espacialização de Dados

de Fertilidade do Solo

As diversas atividades envolvidas nos processos pro-dutivos sempre demandaram um planejamento dadaa sua complexidade ao interagir com a natureza,necessitando cada vez mais de um rígido controlede execução, visto estarem intrinsecamente ligadasentre si, à questão econômica e principalmente àambiental.

A ampliação do espaço agrícola do País, vem ocor-rendo anualmente com extensas áreas de cultivosendo trabalhadas, exigindo para isso, uma agricul-tura mecanizada moderna, sofisticada e pesada, exe-cutando a maior parte dessas tarefas, minimizandomuito o esforço do homem nesse sentido.

Todo esse processo de desenvolvimento, vem acar-retando única e exclusivamente o aumento quanti-tativo da nossa produção agrícola, desconsiderandoa qualidade dos produtos, ocasionando severasagressões ao ambiente.

Esses fatos, vem exigindo atenção especial, consi-derando a progressiva perda de mercado, no âmbitointernacional, de nossos produtos, considerando agrande competitividade que vem ocorrendo, devidoas exigências mundiais para uma agricultura ecolo-

Amarindo Fausto Soares1

gicamente correta. Em vista disso, surge a necessi-dade urgente para a adoção de um novo paradigmana agricultura, utilizando o conceito de manejo “si-t io espec íf ico” , apoiado na racionalização egerenciamento dos processos agropecuários, com autilização de sofisticadas técnicas de sensoriamentoremoto, geoprocessamento.

É cada vez maior, a utilização dessas ferramentas naotimização das diversas atividades agrícolas, exigin-do de técnicos, pesquisadores e agricultores investi-mentos em equipamentos de tecnologia de ponta,reciclagem de conhecimentos, mudança de suas ro-tinas de trabalho, visando encarar esse novoparadigma de agricultura.

A agricultura de precisão para que possa funcionarsatisfatoriamente, necessita formar um acervo de in-formações de fácil busca, recuperação e processa-mento, para que possam ser feitas simulações nosentido de bem orientar o agricultor.

A aquisição de equipamentos, adoção de rotinashierarquizadas categoricamente, voltadas aogeoprocessamento são atitudes importantes a seremtomadas.

1 Eng. Agr., M.Sc. em Geogrocessamento e Sensoriamento Remoto, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041,Barão Geraldo, 13083-970 – Campinas, SP. (email: [email protected])

ComunicadoTécnico Novembro, 2001

Campinas, SP

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ISSN 1677-8464

Sistema de Informações Geográficas – SIG/SPRING para Modelagem e Espacialização de Dados de Fertilidade do Solo2

O objetivo do presente trabalho é descrever algunsprocedimentos de geoprocessamento, utilizando oSPRING (Sistema de Processamento de InformaçãoGeorreferenciada, desenvolvido pelo Instituto Na-cional de Pesquisas Espaciais – INPE) voltado paraaplicações em dados do Projeto Prodetab 030-01/99e SEP 12.1999.021-01 e 03 de uma metodologia, uti-lizada em área experimental da Embrapa Milho eSorgo, no Município de Sete Lagoas no Estado deMinas Gerais, possibilitando divulgar, colaborar eenvolver grupos de interesses semelhantes.

Material e Métodos

Os materiais utilizados foram dados coletados em umpivot central com 750m, de diâmetro aproximada-mente (Fig. 1). Constam de uma malha de aproxi-madamente 650 pontos, distantes 30m cada um,coletados com auxílio do Global Positioning System– GPS, contendo informações de coordenadas geo-gráficas, altitude, parâmetros de solos e outros.

Fig. 1. Esquema do pivot central com os pontos ondeforam coletados dados amostrais.

Os parâmetros de solos coletados juntamente comas coordenadas e altitudes são:

� pH;

� Hidrogênio+Alumínio ou Acidez Potencial (H+Al);

� Alumínio (Al);

� Cálcio (Ca);

� Magnésio (Mg);

� Fósforo (P);

� Potássio (K);

� Matéria Orgânica (MO);

� Saturação com o Alumínio (Sat.Al);

� Soma de Bases (S);

� Capacidade de Troca de Cátions (CTC ou T);

� Saturação por bases (V%);

� Dosagens de Calcário, Fósforo e Potássio;

Esses parâmetros foram analisados no laboratóriode solos e seus resultados foram digitados emplanilhas eletrônicas (Fig. 2), constituindo-se arqui-vos .xls, que após sua conversão, serão aplicadastécnicas de Geoprocessamento com a utilização deSistemas de Informação Geográf ica para suaespacialização e cruzamento objetivando a geraçãode mapas de prescrição.

Esses arquivos, com extensão xls, contendo aplanilha com os pontos, foram convertidos no Excellpara texto separado por tabulação .txt, (Fig. 3), sen-do posteriormente associado, a cada um dosparâmetros mencionados, suas coordenadas e sal-vas no formato .spr específico do Spring, aptas aserem importadas.

Fig. 2. Planilha eletrônica onde foram registradasas coordenadas dos pontos de coleta e seus resulta-dos análítico.

Fig. 3. Planilha eletrônica convertida de xls para txtdos pontos de coleta e seus resultados análítico.

Cada projeto utilizando geoprocessamento, possui suaspeculiaridades envolvendo tarefas intermediárias visan-

Sistema de Informações Geográficas – SIG/SPRING para Modelagem e Espacialização de Dados de Fertilidade do Solo 3

do compatibilizar os diversos formatos de dados oriun-dos de diversos equipamentos, para que sejam mani-pulados dentro de um único sistema. No presente estu-do, estamos operando com os seguintes dados:

� amostras de aproximadamente 730 pontoscoletados com auxílio de Global PositioningSystem – GPS, contendo coordenadas, altitude,parâmetros químicos de solos, incidência de er-vas daninhas, compactação do solo e fatoresintrínsecos da planta;

� dados de 20.000 pontos obtidos da colheitadeirada produção da cultura, inclusive considerando etratando estatisticamente os pontos de manobrado trator, para que não produzam dados errôneos;

� alguns dados coletados e anotados em planilhasExcell e outros em arquivos específicos dos equi-pamentos utilizados, que necessitam ter processosminuciosos e trabalhosos para que possamos ope-rar sem grandes problemas no SPRING.

Geoprocessamento

Pode ser definido como um conjunto de tecnologias,em ambiente computacional, envolvendo a coleta,conversão, manipulação e tratamento de um gran-de número de informações espaciais, de caráter va-riável, com um objetivo específico (Inpe, 2000b).

Envolve também uma relação inter e multidisciplinarcientífica com contribuição de e/ou para muitas áreasdo conhecimento, dentre elas, para o objetivo dopresente trabalho, poderão ser citadas a Estatística/Geoestatística, Inteligência Artificial e outros, elabo-rando modelos e métodos de análise de dados, veri-ficando a qualidade durante o processamento, comotambém observar dados disponíveis no espaço e ten-tar explicar o comportamento com algum outro fe-nômeno espacial. Da mesma forma, a inteligênciaartificial tenta simular a Inteligência Humana em qua-se todos os seus processos.

O geoprocessamento foi idealizado e criado dentrode um complexo conjunto de conceitos análogos domundo real para que possamos associar os diversostipos de dados que serão manipulados e assim defi-nir o modelo do banco de dados que consiste emcriar categorias para os dados.

Dessa maneira, as atividades que envolvem ogeoprocessamento são executadas por sistemas es-pecíficos para cada aplicação. Estes sistemas sãocomumente tratados como Sistemas de InformaçãoGeográfica (SIG).

Um sistema de geoprocessamento, para ser tratadocomo tal, necessita que a informação sejaposicionada geograficamente (georreferenciada),desde a sua coleta, procedendo a conversão da na-tureza da informação e sua representação, até a ge-ração de saídas na forma de mapas convencionais,relatórios, arquivos digitais, etc.; devendo prever re-cursos para sua estocagem, gerenciamento, manipu-lação e análise.

Com a evolução da tecnologia de geoprocessamentoe de softwares gráficos, vários termos surgiram paraas várias especialidades. O nome Sistemas de Infor-mação Geográfica (ou Geographic InformationSystem - GIS) é muito utilizado e em muitos casos éconfundido com geoprocessamento. O geopro-cessamento é o conceito mais abrangente e repre-senta qualquer tipo de processamento de dadosgeorreferenciados, enquanto um SIG processa dadosgráficos e não gráficos (alfanuméricos), como exem-plo no que se está processando dados alfanuméricosde localização e variáveis de planilhas e converten-do em formato do Spring para posterior espacia-lização, sendo no caso, dado ênfase as análises es-paciais e modelagens de superfícies.

Representação Vetorial: é a tentativa de reproduzir,com bastante fidelidade, qualquer elemento gráficode um mapa. O Ponto é a unidade de representaçãoque é feita através de suas coordenadas x, y. Doispares de Pontos compõe uma Linha. Um conjuntode coordenadas, compondo uma linha, fechando umaárea denominamos Polígono (Fig. 4).

Fig. 4. Elementos de representação vetorial.

Fonte: Inpe (2000b).

Representação Matricial ou Raster: é a maneira dereproduzir esses elementos em uma malha de célu-las (Fig. 5), ficando cada célula associada a um atri-buto, de tal forma que o computador sabe que deter-minada célula pertence a um determinado elementoou objeto. Na verdade essa representação vem a sera fragmentação de qualquer outro objeto em umamalha de células quadradas.

PONTO

LINHA


Sistemas de Informações Geográficas -

SIG/SPRING

São ferramentas computacionais utilizadas emgeoprocessamento, que processam dados gráficose não gráficos dando ênfase em análise espacial emodelagem de superfície. Segundo o Instituto Nacio-nal de Pesquisas Espaciais - INPE, o geoprocessa-mento é o conceito mais amplo representando qual-quer tipo de processamento de dados, enquanto oSIG vem a ser uma parte. Por outro lado, o SIG é umsistema, tendo o SPRING, MapInfo, Idrisi, ArcView,ArcInfo, etc., softwares, como veículo.

Embora exista uma grande quantidade de dadoscoletados no Brasil, há uma enorme carência de in-formações adequadas a tomada de decisões paraproblemas urbanos, rurais e ambientais.

No início dos anos 80, o Dr. Roger Tomlinson, cria-dor do primeiro SIG (Canadian GeographicalInformation System), veio ao Brasil incentivar a cria-ção de grupos interessados na tecnologia. Foram cria-dos vários grupos entre eles o INPE, em 1984, ini-ciou o desenvolvimento do Sistema de Tratamentode Imagens – SITIM e o Sistema Geográfico de Infor-mação – SGI para ambiente PC/DOS que logo emseguida, em 1991, através de uma parceria com aEmbrapa Informática Agropecuária, evoluiu para oSistema de Processamento de InformaçõesGeorreferenciadas – SPRING para ambientes UNIX eMS/Windows, unificando os dois sistemas num só(Inpe, 2000a).

O SPRING pode ser tratado como um Banco de Da-dos Geográfico por ter sido concebido com todos osferramentais de um sistema de informação dentrode estrutura de banco de dados relacional, possuitambém um módulo geoestatístico, um de álgebrade mapas LEGAL e pode contribuir para o seu aper-feiçoamento em agricultura de precisão.

Esquema Modular: compõe-se de quatro programas,com funcionalidades complementares

Fig. 5. Diferentes resoluções de representações matriciais. A esquerda é quatro vezes menorque a direita.

Fonte: Inpe (2000b).

Impima – importa e converte de ima-gens para GRIB (Gridded Binnary) doSpring

Spring - executa tarefas de pro-cessamento de imagens, análise es-pacial, estatística, geoestatística, eálgebra de mapa

Scarta – executa a arte final do mapa,como, legendas, moldura, título etc.

Iplot - converte arquivos do Scartapara ipl, p/ imprimir em plotter (A0

ao A4)

SPRING

Esquema Conceitual: vale lembrar e ressaltar que ogeoprocessamento envolve um complexo conjunto deconceitos funcionais e operacionais, associados aos di-versos tipos de dados que serão manipulados, definin-do dessa maneira os diversos modelos de dados e cate-gorias que irão compor o banco de dados.


Para que possamos entender o processo, conside-rando a complexidade da abordagem, precisamosassimilar que o geoprocessamento se propõe a ma-nipular, modelar e representar variáveis do mundoreal, através de um modelo simplificado de dados,num sistema informatizado.

Dentro do processo de modelagem e espacializaçãode dados, temos que considerar que estamos utili-zando dados com variação contínua de valores nu-méricos em uma superfície, sugerindo uma modela-

gem numérica de terreno. Dessa maneira, tem-se queconverter os tipos de dados em formato digital, paraque se possa operar em ambiente computacionaldentro do Spring.

Esquema Operacional

O Spring possui uma tela inicial principal de onde seoriginarão todas as outras, com todas as opções parainiciar suas operações (Fig. 6).

Fig. 6. Janela principal do Spring com algumas opções para iniciar tarefas por ele executadas.

Importar: é uma tarefa do SPRING, responsável pelaimportação dos dados, que serão manipulados. Esseprocesso exige previamente, a definição das Cate-gorias/Modelos e Classes.Como falado anteriormente, todos os arquivos de-verão ser convertidos para o formato padrão .spr do

Spring, para que dessa maneira possam ser mani-pulados dentro do ambiente. Para que se possa ma-nipular todos os arquivos convertidos, é necessárioimportá-los, direcionando em seus modelos, forma-tos, enfim, preenchendo todas os requisitos paraenquadrá-lo dentro do programa (Fig. 7).


Criação e Manipulação do Banco de Dados: o Banco deDados do Spring trabalha com gerenciadores CodeBase(Dbase4), Access já instalados e Oracle que deve seroperado em outro servidor. Nessa fase deve-se definircuidadosamente a hierarquização categórica do proces-so. É muito importante também, já ter em mente a defi-

Fig. 7. Janela principal do Spring com opção para iniciar importação de arquivos.

nição do Modelo de Dados, declarando nessa modela-gem, as categorias de dados que servirão de suporteaos Planos de Informação – PIs em que se irá trabalhar.Dessa maneira, o Banco de Dados possui uma estrutu-ra Banco/Modelo ➛ Projeto ➛ Categorias/PI bem defi-nidos e armazenados em diretórios (Fig. 8).

Fig. 8. Janela principal do Spring abrindo opções para criação de banco de dados.


Criação e Manipulação do Projeto: é a área, região ondevai se desenvolver o estudo, já tem definidos os limitesgeográficos, Retângulo Envolvente, quatro pontos comcoordenadas geográficas ou planas, como também oSistema de Projeção, que no Brasil utiliza-se o UTM –

Universal Transversa de Mercátor, utilizando o datumSAD 69 (South American Datum), escolhendo-se omeridiano central do fuso UTM da área. Nesse estágiojá se pode entrar com dados no sistema. O Projeto éarmazenado em subdiretório abaixo do banco (Fig. 9).

Criação do(s) Plano(s) de Informação – PI: conjun-to de dados com características comuns e que es-tão associadas a uma categoria/modelo (temático,numérico, etc.), deve ter um retângulo envolventemenor ou igual ao do Projeto (Inpe, 2000b) e umaescala e resolução compatíveis com os dados.

Escolha do Modelo de Dados: é uma tarefa decisi-va que deve ser feita antes de introduzir qualquerdado no SPRING. Consiste na escolha e criação dacategoria do dado a ser manipulado dando origemao Plano de Informação – PI que é um produto in-termediário do processo, podendo sofrer novasmanipulações, dependendo da categoria do PI.Possui os seguintes modelos de dados que irão darorigem a categoria do PI (Fig. 10).

Imagens: são modelo de dados utilizados quandose está operando com imagens de sensoriamentoremoto tipo Landsat, Spot, NOAA, etc.

Fig. 9. Janela principal do Spring abrindo opções para criação de projeto, sua Projeção Cartográfica,Datum e meridiano de origem do projeto contendo a área.

Modelo Numérico de Terreno - MNT: utiliza-sequando estamos representando e espacializandouma grandeza variável, tipo altitude, pH, Ca, Mg,etc. Como só dispõe-se de alguns pontos com va-lores, torna-se necessário lançar esses valoresnuma grade e através de interpoladores tentarmodelar esses valores numa superfície. Cada pon-to possui três valores, coordenadas x, y, e o atri-buto ou valor z , variável que estamos espa-cializando. Para modelagem, têm-se os seguintestipos de grades:

� grades regulares: representação matricial atra-vés de números e/ou imagem, onde cada ele-mento da matriz, está associado a um valor nu-mérico (Fig. 11 e 13), torna-se necessário esti-mar, com interpoladores matemáticos, o valorda célula que não possui valor. São muito utili-zadas para representações 3D, devido a facilida-de de manuseio computacional;


Fig. 10. Janela principal do Spring com opção de seleção de modelo de dados.

� grades triangulares TIN: estrutura utilizando umconjunto de triângulos interligados face a facepara cada um dos três vértices da face do triân-gulo são armazenadas as coordenadas x, y e o

atributo z (Fig. 10). Quanto mais equilátero ostriângulos maior exatidão se descreve a superfí-cie, são melhores para representar as variaçõesdo dado.

Fig. 11. Grade regular gerada com opção de representação através de uma matriz numérica.


Fig. 12. Grade triangular gerada.

Fig. 13. Grade regular gerada com opção de representação imagem.


Fatiamento é um produto de MNT que consiste emfatiar determinados intervalos de valores da variá-vel modelada, resultando uma imagem temática apartir de uma grade retangular, onde cada fatia estáassociada a uma classe temática, ou seja, os temasdessa imagem temática resultante correspondem aintervalos de valores de cotas, chamados no SPRINGde fatias (Fig. 14).

Um Plano de Informação de categoria numérica podeser transformado num Plano de Informação de cate-

goria temática gerando um produto particular domodelo numérico de terreno.

Temática: categoria de modelo que se refere a dadosque ocupam uma posição geográfica quanto a umdeterminado Tema, isto é, a distribuição espacial ouespacialização de uma grandeza geográfica qualita-tiva ou temática.

Classe: subdivisão da categoria Temática, conside-rada uma especialização.

Objeto: modelo de dado de variável artificial, refe-rindo-se a uma especialização de um tipo de objetogeográfico como município, logradouro, proprieda-des, etc.

Mapa Cadastral: modelo contendo a representação dedeterminado tipo de objeto. A divisão política é ummodelo cadastral contendo a representação municipal.

Redes: modelo cujas relações de fluxo e conexãoentre seus inúmeros elementos, deseja-se represen-tar e monitorar. Rede elétrica, de esgoto, água, etc.

Não Espacial: modelo sem representação espacial,como dados de cadastro rurais e urbanos.

Resultados Parciais

Foram modelados e espacializados todos osparâmetros a partir da geração de grades numéricase imagens aplicando os interpoladores de ModeloNumérico de Terrenos existentes no Spring, confor-me as Fig. 15 e 16 exemplificando a seguir.

Fig. 14. Fatiamento, e criação de uma categoria Temática cujos teores de Cálcio são as classesdiferenciadas e espacializadas em cores.


Fig. 15. Espacialização dos dados coletados de altitude da área podendo ser diferenciado asregiões mais altas em tons claros e as regiões baixas em tons escuros.

Fig. 16. Exemplo de uma espacialização dos dados de pH do solo da região do pivot.


Considerações e conclusões

As variáveis ambientais tem sido estudadas por mui-to tempo, isoladamente ou em grupos de pequenasquantidades, através de formatos alfa-numéricos tra-dicionais, impossibilitando a espacialização, comotambém dificultando suas interações devido oenvolvimento de complexas operações nesse proces-so devido a inexistência de programas para tal.

A utilização de técnicas informatizadas degeoprocessamento, através de Sistemas de InformaçãoGeográfica – SIG, em estudos com numerosas variáveis,tem possibilitado a criação de banco de dados robustose o desenvolvimento de diversas tarefas envolvendo avisualização de seu comportamento, bem como sua dis-tribuição e interação entre elas.

O estudo das variáveis ambientais, oriundas dos re-cursos naturais e com utilização dessas técnicas, tem-se intensificado, possibilitando o desenvolvimentode outras áreas importantes, como a geoestatísticae o conceito de manejo sítio específico, amplamenteaplicado em Agricultura de Precisão.

É de fundamental importância, no processo de ma-nejo sítio-específico, entender o comportamento dascaracterísticas físicas e químicas do solo, suasinterações entre si e com as exigências das culturas,bem como suas localizações e variações espaciais.

A performance desses fatores, poderá ser evidencia-da muito mais, através do emprego de técnicas so-fisticadas de modelagem. Por outro lado a adoçãode técnicas de geoestatisticas poderá demonstrar avariabilidade espacial desses nutrientes.

Para tal, é necessário que todos os dados obtidossejam coletados com GPS, para que sejam localiza-dos precisamente, pass íveis de modelagem,espacialização e cruzamento entre si.

A adoção de técnicas de Geoprocessamento, atravésdos SIGs estão cada vez mais intensas em vários ra-mos das atividades humanas, constituindo-se depoderosas ferramentas para manipulação de dados.Hoje em dia usamos tais técnicas na caracterizaçãoe monitoramento de recursos naturais, em variadasescalas, nas áreas rurais e urbanas, adotandoalgoritmos de roteamento e transporte visando faci-litar e otimizar serviços.

Os especialistas porém deverão aprofundar-se nautilização de tais ferramentas objetivando o aperfei-çoamento das mesmas. O desempenho dos váriosparâmetros das diversas atividades, comportam-sediferentemente, não existindo uma regra geral nautilização dessas técnicas.

Na área das ciências ambientais está havendo umgrande aumento no número de informações que ne-cessitam ser manipuladas, os profissionais dessaárea devem redirecionar suas pesquisas no sentidode incrementar seus estudos visando um melhor re-sultado.

O presente trabalho, embora baseado no manual doSpring, é uma demonstração prática da manipula-ção, tratamento modelagem e espacialização dosdados de um projeto, sem a preocupação de anali-sar o comportamento desses dados diretamente nocampo e entre si.

Referências Bibliográficas

INPE. SPRING - sistema de processamento deinformações georeferenciadas: release 3.5. Dis-ponível em: <http://www.dpi.inpe.br/spring/usuario/indice.htm>. Acesso em: 12 dez. 2000a.

INPE. SPRING: tutorial de geoprocessamento. Dis-ponível em: <http://www.dpi.inpe.br/spring/teoria/index.html>. Acesso em: 12 dez. 2000b.

Comunicado

Técnico, 5Embrapa Informática AgropecuáriaÁrea de Comunicação e NegóciosAv. Dr. André Tosello s/no

Cidade Universitária - “Zeferino Vaz”Barão Geraldo - Caixa Postal 604113083-970 - Campinas, SPTelefone/Fax: (19) 3789-5743E-mail: [email protected] edição

© Embrapa 2001

MINISTÉRIO DA AGRICULTURA,PECUÁRIA E ABASTECIMENTO

Presidente: Francisco Xavier HemerlyMembros efetivos: Amarindo Fausto Soares, Ivanilde Dispato,Marcia Izabel Fugisawa Souza, José Ruy Porto de Carvalho,Suzilei Almeida CarneiroSuplentes: Fábio Cesar da Silva, João Francisco GonçalvesAntunes, Luciana Alvim Santos Romani, Maria Angélica deAndrade Leite, Moacir Pedroso Júnior

Supervisor editorial: Ivanilde DispatoNormalização bibliográfica: Marcia Izabel Fugisawa SouzaCapa: Intermídia Publicações CientíficasEditoração eletrônica: Intermídia Publicações Científicas

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