Digital soil mapping: evaluation of sampling systems for soil surveys and refinement of soil maps at lower cost using legacy data

In soil surveys, several sampling systems can be used to define the most representative sites for sample collection and description of soil profiles. In recent years, the conditioned Latin hypercube sampling system has gained prominence for soil surveys. In Brazil, most of the soil maps are at small scales and in paper format, which hinders their refinement. The objectives of this work include: (i) to compare two sampling systems by conditioned Latin hypercube to map soil classes and soil properties; (II) to retrieve information from a detailed scale soil map of a pilot watershed for its refinement, comparing two data mining tools, and validation of the new soil map; and (III) to create and validate a soil map of a much larger and similar area from the extrapolation of information extracted from the existing soil map. Two sampling systems were created by conditioned Latin hypercube and by the cost-constrained conditioned Latin hypercube. At each prospection place, soil classification and measurement of the A horizon thickness were performed. Maps were generated and validated for each sampling system, comparing the efficiency of these methods. The conditioned Latin hypercube captured greater variability of soils and properties than the cost-constrained conditioned Latin hypercube, despite the former provided greater difficulty in field work. The conditioned Latin hypercube can capture greater soil variability and the cost-constrained conditioned Latin hypercube presents great potential for use in soil surveys, especially in areas of difficult access. From an existing detailed scale soil map of a pilot watershed, topographical information for each soil class was extracted from a Digital Elevation Model and its derivatives, by two data mining tools. Maps were generated using each tool. The more accurate of these tools was used for extrapolation of soil information for a much larger and similar area and the generated map was validated. It was possible to retrieve the existing soil map information and apply it on a larger area containing similar soil forming factors, at much low financial cost. The KnowledgeMiner tool for data mining, and ArcSIE, used to create the soil map, presented better results and enabled the use of existing soil map to extract soil information and its application in similar larger areas at reduced costs, which is especially important in development countries with limited financial resources for such activities, such as Brazil.

Em levantamentos de solos, diversos sistemas de amostragem podem ser empregados para a definição dos locais mais representativos para coleta de amostras e descrição de perfis. Nos últimos anos, o hipercubo latino condicionado tem ganhado destaque como sistema de amostragem em levantamentos de solos. No Brasil, a maioria dos mapas contém escalas menores e está em formato impresso, o que dificulta o seu refinamento. Os objetivos deste trabalho contemplam: (I) comparar dois sistemas de amostragem pelo hipercubo latino condicionado para mapear classes e atributos de solos; (II) resgatar informações de mapa de solos detalhado de sub-bacia hidrográfica piloto para o seu refinamento, comparando-se duas ferramentas de mineração de dados, e validação do novo mapa de solos; e (III) criar e validar um mapa de solos de área maior e similar a partir da extrapolação das informações extraídas do mapa de solos existente. Foram criados dois sistemas de amostragem pelo hipercubo latino condicionado e pelo hipercubo latino condicionado restrito pelo custo. Em cada local de prospecção, foram realizadas a classificação do solo e mensurada a espessura do horizonte A. Mapas foram gerados e validados para cada sistema de amostragem, comparando-se a eficiência desses métodos. O sistema do hipercubo latino condicionado capturou maior variabilidade de solos e atributos que o sistema restrito pelo custo, apesar daquele ter proporcionado maior dificuldade nos trabalhos de campo. O hipercubo latino condicionado padrão consegue capturar maior variabilidade dos solos da área de interesse e o hipercubo latino condicionado restrito pelo custo apresenta grande potencial para uso em levantamentos de solos, principalmente em áreas de difícil acesso. A partir de um mapa de solos em escala detalhada existente para uma sub-bacia hidrográfica piloto, foram extraídas as informações topográficas de cada classe de solo, a partir de um Modelo Digital de Elevação e seus derivados, por ferramentas de mineração de dados. Mapas foram gerados utilizando-se cada metodologia. A melhor delas foi utilizada para extrapolação de informações de solos para a área muito maior e similar e o mapa gerado foi validado. Foi possível recuperar informações do mapa de solos existente e aplicá-las em área maior, que apresenta fatores de formação do solo semelhantes, a mais baixo custo financeiro. A ferramenta KnowledgeMiner, para mineração de dados, e o ArcSIE, para criar o mapa de solos, apresentaram melhores resultados e possibilitaram o uso de mapa de solos existente para extrair informações de solos e aplicá-las em áreas maiores, com baixo custo financeiro, o que é importante principalmente em países em desenvolvimento com escassez de recursos para tais atividades, como o Brasil.

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