Artificial neural networks applied for soil class prediction in mountainous landscape of the Serra do Mar¹ Translated title: Redes neurais artificiais aplicadas na predição de classes de solos em áreas de paisagens montanhosas da Serra do Mar

Abstract

Soil information is needed for managing the agricultural environment. The aim of this study was to apply artificial neural networks (ANNs) for the prediction of soil classes using orbital remote sensing products, terrain attributes derived from a digital elevation model and local geology information as data sources. This approach to digital soil mapping was evaluated in an area with a high degree of lithologic diversity in the Serra do Mar. The neural network simulator used in this study was JavaNNS and the backpropagation learning algorithm. For soil class prediction, different combinations of the selected discriminant variables were tested: elevation, declivity, aspect, curvature, curvature plan, curvature profile, topographic index, solar radiation, LS topographic factor, local geology information, and clay mineral indices, iron oxides and the normalized difference vegetation index (NDVI) derived from an image of a Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) sensor. With the tested sets, best results were obtained when all discriminant variables were associated with geological information (overall accuracy 93.2 - 95.6 %, Kappa index 0.924 - 0.951, for set 13). Excluding the variable profile curvature (set 12), overall accuracy ranged from 93.9 to 95.4 % and the Kappa index from 0.932 to 0.948. The maps based on the neural network classifier were consistent and similar to conventional soil maps drawn for the study area, although with more spatial details. The results show the potential of ANNs for soil class prediction in mountainous areas with lithological diversity.

Translated abstract

A informação de solo é necessária para o gerenciamento do ambiente agrícola. O objetivo deste trabalho foi aplicar redes neurais artificiais (RNAs) para a predição de classes de solos, utilizando como fonte de dados produtos de sensores remotos orbitais, atributos do terreno derivados de um modelo digital de elevação e informação da geologia local, visando avaliar a utilização dessa abordagem no mapeamento digital de solos, em área com elevado grau de diversidade litológica na Serra do Mar. O simulador de redes neurais utilizado foi o JavaNNS e o algoritmo de aprendizado, o backpropagation . Para a predição das classes de solos, testaram-se diferentes combinações entre as variáveis discriminantes selecionadas: elevação, declividade, aspecto, curvatura, plano de curvatura, perfil de curvatura, índice topográfico, radiação solar, fator topográfico LS, informações da geologia local e índices minerais de argila, óxidos de ferro e vegetação por diferença normalizada (NDVI), derivados de uma imagem do sensor ETM+ do LANDSAT 7. Dos conjuntos testados, os melhores resultados foram obtidos com todas as variáveis discriminantes associadas às informações de geologia, alcançando exatidão global entre 93,2 e 95,6 % e índice Kappa entre 0,924 e 0,951 (conjunto 13). Excluindo a variável perfil de curvatura (conjunto 12), a exatidão global alcançada oscilou entre 93,9 e 95,4 % e o Kappa entre 0,932 e 0,948. Os mapas inferidos pelo classificador por redes neurais evidenciaram coerência e semelhança com o mapa de solos convencional, produzido para área de estudo, apresentando porém, mais detalhes espaciais. Os resultados apresentaram o potencial de utilização de RNAs na predição de classes de solos de áreas montanhosas com diversidade litológica.