Modelagem de variáveis hídricas por meio do sensoriamento remoto orbital e inteligência artificial

dc.contributor.advisor1Barbosa, Fabrício Tondello
dc.contributor.advisor1Latteslattes.cnpq.brpt_BR
dc.contributor.instituicao-banca1Universidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.contributor.instituicao-banca2Universidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.contributor.instituicao-banca3Universidade Federal de Viçosapt_BR
dc.contributor.instituicao-banca4Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sulpt_BR
dc.contributor.referee1Barbosa, Eduardo Augusto Agnellos
dc.contributor.referee1Latteslattes.cnpq.brpt_BR
dc.contributor.referee2Gonçalves, Daniel Ruiz Potma
dc.contributor.referee2Latteslattes.cnpq.brpt_BR
dc.contributor.referee3Filgueiras, Roberto
dc.contributor.referee3Latteslattes.cnpq.brpt_BR
dc.contributor.referee4Luciano, Rodrigo Vieira
dc.contributor.referee4Latteslattes.cnpq.brpt_BR
dc.creatorDias, Santos Henrique Brant
dc.creator.Latteslattes.cnpq.brpt_BR
dc.date.accessioned2025-04-06T21:39:49Z
dc.date.accessioned2026-07-01T11:59:26Z
dc.date.available2025-04-06T00:00:00Z
dc.date.available2025-04-06T21:39:49Z
dc.date.issued2022-08-30
dc.description.abstractSoil and water are essential natural resources for sustaining life on Earth, and managing these elements properly is crucial to balancing human needs with environmental conservation. In the hydrological cycle, evapotranspiration is one of the main components of the water balance, and understanding it is key for watershed management and conservation. It is also used to guide irrigation practices, improving water efficiency in agriculture and increasing crop productivity. Besides supporting life, water is the primary cause of soil erosion in Brazil because rainfall supplies the energy for erosive processes. Soil is a non-renewable resource on a human time scale, and erosion rates have been increasing. Rainfall energy—known as erosivity—is a major factor driving sediment loss worldwide. Erosivity is used in erosion prediction models such as the Universal Soil Loss Equation (USLE) and its revised version (RUSLE), but obtaining these values is challenging, as they are generally measured at specific points and cannot be reliably extrapolated to other areas needing soil loss estimates. Traditional spatialization techniques, such as kriging, inverse distance weighting, or Thiessen polygons, often do not capture the variability of natural environments adequately. On the other hand, machine learning models, combined with geographic information system (GIS) products and satellite imagery, have recently been used as effective tools to monitor and model various features of the Earth’s surface.In this study, we developed tools to model reference evapotranspiration (ETo) and rainfall erosivity for the entire country of Brazil using satellite remote sensing and artificial intelligence. The study’s objectives were to: (i) model ETo in real time across Brazil, making images available within 10 minutes after the end of the day; and (ii) model and produce a rainfall erosivity map for Brazil with a spatial resolution of 30 arc-seconds (approximately 1 km2). For ETo modeling, we used WorldClim products, daily extraterrestrial radiation data, and daily evapotranspiration means and standard deviations from meteorological stations of the National Institute of Meteorology (INMET), along with machine learning algorithms. Performance metrics (RMSE, nRMSE, MAPE, d, and NSE) were used to evaluate and select the best model. The Cubist model showed the best performance for ETo, with a MAPE of 17.4%, RMSE of 0.792, nRMSE of 57.3%, d of 0.883, and NSE of 0.634. For rainfall erosivity modeling, we used data from scientific studies (erosivities measured by pluviographs), GIS techniques, and machine learning. Out of 31 pre-selected covariates, seven were used in the model—in order of importance: longitude, solar radiation, annual precipitation, precipitation in the coldest quarter, wind speed, precipitation in the hottest quarter, and annual reference evapotranspiration. After 400 cycles of training and validation, the Random Forest model (using median values) provided the best performance for rainfall erosivity, with an NSE of 0.5823, RMSE of 1,567.17 MJ mm ha−1 h−1 year−1, MAE of 1,135.90 MJ mm ha−1 h−1 year−1, nRMSE of 58.50%, ME of –17.76 MJ mm ha−1 h−1 year−1, and d of 0.8487. We conclude that the ETo product is highly useful and feasible for estimating reference evapotranspiration across Brazil. In addition, climatic and geographic variables can be effectively used to construct rainfall erosivity map’s with known error margins and accuracy on a national scale.pt_BR
dc.description.resumoO solo e a água são recursos naturais fundamentais para a manutenção da vida na Terra, e a gestão adequada desses elementos é crucial para equilibrar as necessidades humanas com a preservação do meio ambiente. No ciclo hidrológico, a evapotranspiração é um dos principais componentes do balanço hídrico e seu conhecimento é essencial para o gerenciamento e conservação de bacias hidrográficas. Além disso, é utilizada no manejo da irrigação, visando maior eficiência no uso da água na agricultura e aumento da produtividade das culturas. A água, além de sustentar a vida, é a principal responsável pela erosão dos solos no Brasil, uma vez que as chuvas fornecem a energia necessária para os processos erosivos. O solo é um recurso natural não renovável em escala humana e as taxas de perda por erosão têm sido crescentes. A energia da chuva, conhecida como erosividade, é um dos principais fatores responsáveis pelas perdas de sedimentos em todo o mundo. A erosividade é utilizada em modelos de predição da erosão, como a Equação Universal de Perda de Solo (USLE) e a sua versão revisada (RUSLE), mas a obtenção dessas informações não é simples, sendo os valores geralmente pontuais e não extrapoláveis com segurança para outras áreas que necessitam de estimativas de perdas de solo. As técnicas tradicionais de espacialização, como krigagem, ponderação pelo inverso da distância ou polígonos de Thiessen, muitas vezes não representam adequadamente a variabilidade que ocorre nos ambientes. Por outro lado, modelos de machine learning, juntamente com produtos de sistemas de informação geográfica (SIG) e imagens orbitais, têm sido recentemente utilizados como ferramentas eficazes para monitorar e modelar diversas características da superfície terrestre. Neste trabalho, foram desenvolvidas ferramentas para modelagem das variáveis hídricas de evapotranspiração de referência (ETo) e de erosividade das chuvas para todo o Brasil, utilizando sensoriamento remoto orbital e inteligência artificial. Os objetivos deste estudo foram: i) modelar a ETo em tempo real para todo o Brasil, permitindo disponibilizar as imagens em até 10 minutos após o fim do dia; e ii) modelar e produzir um mapa de erosividade das chuvas para o Brasil, com resolução espacial de 30 segundos de arco (~ 1 km2). Para a modelagem da ETo, foram utilizados produtos WorldClim, dados de radiação extraterrestre diária, médias e desvio padrão da evapotranspiração diária obtidos de estações meteorológicas do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), além de algoritmos de machine learning. Foram utilizados os indicadores de desempenho RMSE, nRMSE, MAPE, d e NSE para avaliar e selecionar o melhor modelo. O modelo que apresentou o melhor desempenho para ETo foi o cubist, com MAPE de 17,4%, RMSE de 0,792, nRMSE de 57,3%, d de 0,883 e NSE de 0,634. Para modelagem da erosividade das chuvas, foram empregados dados provenientes de estudos científicos (erosividades determinadas por pluviógrafos), técnicas de SIG e modelagem com machine learning. Das 31 covariáveis pré-selecionadas, 7 foram utilizadas na modelagem, listadas em ordem de importância: longitude, radiação solar, precipitação anual, precipitação do trimestre mais frio, velocidade do vento, precipitação do trimestre mais quente e evapotranspiração de referência anual. Após 400 ciclos de treinamento e validação, o modelo que apresentou os melhores indicadores de desempenho para erosividade foi o Random Forest, utilizando os valores das medianas. Os índices obtidos foram: NSE de 0,5823, RMSE de 1.567,17 MJ mm ha-1 h -1 ano-1 , MAE de 1.135,90 MJ mm ha-1 h -1 ano-1 , nRMSE de 58.50%, ME de -17.76 MJ mm ha-1 h -1 ano-1 e d de 0,8487. Conclui-se que o produto ETo é extremamente útil e viável para estimativas da evapotranspiração de referência em todo o Brasil. Além disso, foi possível utilizar variáveis climáticas e geográficas para construir mapas de erosividade das chuvas com níveis conhecidos de erro e precisão em uma escala nacional.pt_BR
dc.identifier.citationDIAS, Santos Henrique Brant. Modelagem de variáveis hídricas por meio do sensoriamento remoto orbital e inteligência artificial. 2025. Tese (Doutorado em Agronomia) – Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2022.pt_BR
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/4109
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentDepartamento de Agronomiapt_BR
dc.publisher.initialsUEPGpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Agronomiapt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectevapotranspiração de referênciapt_BR
dc.subjecterosividadept_BR
dc.subjectaprendizado de máquinapt_BR
dc.subjectsensoriamento remotopt_BR
dc.subjectgeoprocessamentopt_BR
dc.subjectreference evapotranspirationpt_BR
dc.subjecterosivitypt_BR
dc.subjectmachine learningpt_BR
dc.subjectremote sensingpt_BR
dc.subjectgeoprocessingpt_BR
dc.subject.cnpqAgronomiapt_BR
dc.titleModelagem de variáveis hídricas por meio do sensoriamento remoto orbital e inteligência artificialpt_BR
dc.typeTesept_BR

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