This thesis deals with the evaluation of land cover changes in twelve cadastral areas in the central part of the Bohemian Forest. This area was gradually abandoned due to political changes in the 20th century. For the purpose of this study, the historical Stabile Cadastre maps from 1837 and aerial photographs from 1949 and 2008 are used. The work follows both the development of the area as a whole and the development of the individual segments around the "Iron Curtain ", built after the World War II. Another aim of this work is to determine the spatial distribution of trees in an open countryside. Field data are supplemented with the features calculated from the digital elevation model and the distances of each species to man-made landscape elements present in the area around the time of displacement (aerial photos from 1949).

abstract: This dissertation research studies long-term spatio-temporal patterns of surface urban heat island (SUHI) intensity, urban evapotranspiration (ET), and urban outdoor water use (OWU) using Phoenix metropolitan area (PMA), Arizona as the case study. This dissertation is composed of three chapters. The first chapter evaluates the SUHI intensity for PMA using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) land surface temperature (LST) product and a time-series trend analysis to discover areas that experienced significant changes of SUHI intensity between 2000 and 2017. The heating and cooling effects of different urban land use land cover (LULC) types was also examined using classified Landsat satellite images. The second chapter is focused on urban ET and the impacts of urban LULC change on ET. An empirical model of urban ET for PMA was built using flux tower data and MODIS land products using multivariate regression analysis. A time-series trend analysis was then performed to discover areas in PMA that experienced significant changes of ET between 2001 and 2015. The impact of urban LULC change on ET was examined using classified LULC maps. The third chapter models urban OWU in PMA using a surface energy balance model named METRIC (Mapping Evapotranspiration at high spatial Resolution with Internalized Calibration) and time-series Landsat Thematic Mapper 5 imagery for 2010. The relationship between urban LULC types and OWU was examined with the use of very high-resolution land cover classification data generated from the National Agriculture Imagery Program (NAIP) imagery and regression analysis. Socio-demographic variables were selected from census data at the census track level and analyzed against OWU to study their relationship using correlation analysis. This dissertation makes significant contributions and expands the knowledge of long-term urban climate dynamics for PMA and the influence of urban expansion and LULC change on regional climate. Research findings and results can be used to provide constructive suggestions to urban planners, decision-makers, and city managers to formulate new policies and regulations when planning new constructions for the purpose of sustainable development for a desert city. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geography 2018

Orientadora: Profª. Drª. Andrea de Oliveira Cardoso / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Ambiental, Santo André, 2018. / A bacia hidrográfica do rio Paraíba do Sul está localizada na região sudeste do Brasil, entre os estados de São Paulo, Rio de Janeiro e Minas Gerais. Além da população urbana e rural existente na bacia, o rio Paraíba do Sul é utilizado para abastecimento da região metropolitana do Rio de Janeiro. O uso do solo na bacia é predominantemente de pecuária leiteira, onde o manejo inadequado do solo tem afetado a qualidade e a quantidade de água na bacia. Dada a importância socioeconômica da bacia do rio Paraíba do Sul, neste trabalho foi utilizado o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH para avaliar a influência da vegetação de margem no comportamento hidrológico da bacia. O modelo foi calibrado e verificado para o período de 2005 a 2015 considerando a condição atual de cobertura da superfície da bacia. Uma vez calibrado o modelo, foram elaborados cenários de uso do solo considerando diferentes larguras de vegetação florestal (APP) ao longo das margens do rio Paraíba do Sul e de seus afluentes. Os cenários consideram os valores de APP correspondentes ao que deveria ser aplicados por lei (30 m, 50 m, 100 m e 200 m) e também valores de APP de 300 m a 1000 m. Os cenários foram comparados com a condição atual da bacia em termos de vazão média anual, vazão crítica, vazão máxima diária anual (VMA), e frequência de ocorrência de extremos de vazão muito alta e muito baixa. O modelo representa adequadamente o processo de transformação de chuva em vazão da bacia e os resultados dos cenários indicam redução da vazão média anual em função do aumento da APP; redução da VMA em função do aumento da APP. Para a análise de frequência de extremos, a ocorrência de vazões da categoria muito alta durante o período chuvoso da bacia (outubro a março) diminui em função do aumento da faixa de APP, enquanto que a ocorrência de eventos de vazão muito alta nos meses secos (especialmente em agosto) aumenta em função do aumento da APP. A frequência de vazões da categoria muito baixa aumenta com o aumento da APP nos meses chuvosos, enquanto que nos meses secos a frequência de vazões muito baixa diminui com o aumento da APP. / The Paraíba do Sul river basin is located in the southeast region of Brazil, accross the states of São Paulo, Rio de Janeiro and Minas Gerais. In addition to urban and rural population in the basin, Paraíba do Sul river supplies water to Rio de Janeiro metropolitan region. Land-use in the basin is predominantly dairy farming, where inadequate soil management has affected the quality and quantity of water in the basin. Due to the socioeconomic importance of the Paraíba do Sul river basin, the MGB-IPH distributed hydrological model was used to evaluate the influence of the riparian vegetation on the hydrologic behavior of the basin. The model was calibrated and verified for the period from 2005 to 2015 considering the current condition of land cover. After calibrating the model, land use scenarios were developed considering different widths of forest vegetation along the banks of the Paraíba do Sul (PPA) and its tributaries. The scenarios consider PPA values corresponding to what should be applied by law (30 m, 50 m, 100 m and 200 m) and also PPA values from 300 m to 1000 m. These scenarios were compared with the current condition of the basin in terms of annual average flow, critical flow, annual maximum daily flow (AMF), and frequency of occurrence of very high and very low flow extremes. The model represents adequately the rainfall-runnoff transformation in the basin, and scenarios results indicate a reduction in the average annual flow rate due to the increase of the PPA; reduction of AMF due to the increase in PPA. Extreme frequency analysis indicates that occurrence of very high flow rates during the rainy period of the basin (October to March) decreases due to increase in PPA, while the occurrence of very high flow events in the dry months (especially in August) increases as the PPA increases. The frequency of very low flow category in rainy months increases with PPA, whereas in the dry months very low flow frequency decreases with PPA increase.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2015-11-26T11:30:41Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Arielle Elias Arantes -2015.pdf: 3887062 bytes, checksum: 7a0abb81f47daa3a2cac3f3c03fe9694 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-11-27T07:10:12Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Arielle Elias Arantes -2015.pdf: 3887062 bytes, checksum: 7a0abb81f47daa3a2cac3f3c03fe9694 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-27T07:10:12Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Arielle Elias Arantes -2015.pdf: 3887062 bytes, checksum: 7a0abb81f47daa3a2cac3f3c03fe9694 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2015-02-02 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / The Brazilian savanna (known as Cerrado) is an upland biome made up of various physiognomies, from herbaceous to arboreal. In this work, vegetation greenness (EVI), precipitation (PPT), and evapotranspiration (ET) data for the 2000 to 2012 period were analyzed in order to understand the phenology of the major Cerrado natural and anthropic landscapes, as well as its relation to precipitation, net primary productivity (NPP), biomass, and evapotranspiration fluxes, according to different land use scenarios. Along the 13 years under analysis, for all vegetation types the mean wet season duration varied from eight to nine months, while the growing season lasted seven to eight months. The mean start of the wet and growing seasons were very close for all land cover types during these 13 years, with the start of the wet season in August or September (with the exception of 2002 and 2007), and the start of the growing season in September or October. The mean end of the wet and growing seasons occurred in April or May and in May or June, respectively. The start, the end, and the duration of the wet and the growing seasons varied according to rainfall volume and distribution, which are affected by the El Niño and La Niña phenomena. For example, during El Niño years, the start of the wet season occurred earlier in August, and the duration of the wet season was longer than eight months. If followed by a La Niña, the start of the growing season of the vegetation occurred later in October and the duration of the season was shorter than eight months. In addition to the rainfall variability (El Niño and La Niña) and the type of vegetation (natural or anthropic grasslands), the start, the end, and the duration of the wet and growing seasons are also affected by the spatial variation (latitude and longitude). Considering the spatial variation of the start of the wet and growing seasons, the beginning was earlier in the southern portion of the Cerrado biome, in August-September and September-October, and later in the north, in November-December and October-December, respectively. The end of the season showed the same behavior, i.e. an earlier end (March-April) in the southern portion for the wet and growing seasons, while much later in the northern portion (June-July). Regarding the seasonal and phenological behavior of the different vegetation types, the green-up for all Cerrado physiognomies started in mid-September to the end of October, at the onset of the rainy season, reaching peak values from December through January, and a gradual senescence, starting as early as March or April. The total Cerrado growing season biomass for 2002 was 28 gigatons of carbon and the evapotranspiration was 1336 gigatons of water. A sample-based response associated with the area occupied by each vegetation type showed that pasture and cropland had 52% and 22% less NPP and ET than natural landscapes. The mean growing season evapotranspiration and biomass for 2002 was 576 Gt of water and 12 Gt of carbon for pasture and croplands compared to 760 Gt of water and 16 Gt of carbon for the Cerrado natural vegetation. Considering a modeled future scenario (year 2050), the ET flux from natural Cerrado vegetation was 394 Gt less than in 2002 and 991 Gt less than in a potential scenario, characterized with only natural vegetation, while the carbon was eight Gt less than in 2002 and 21 Gt less than in a pre-conversion Cerrado (potential scenario). In 2050, the sum of the pasture and cropland ET fluxes increased by 405 Gt, relative to 2002, and the carbon by 11 Gt. At last, the different land use scenarios showed that the deforestation impact until now in the fluxes of evapotranspiration and in the biomass were greater than the future scenario. / A savana Brasileira (conhecida como o Cerrado) é um bioma de terras altas, formado por várias fitofisionomias de vegetação herbácea à arbórea. Neste trabalho, dados de vigor vegetativos (EVI), precipitação (PPT) e evapotranspiração (ET), para o período de 2000 a 2012, foram analisados com o intuito de compreender a fenologia das principais paisagens naturais e antrópicas do Cerrado, assim como a sua relação com a precipitação e a produtividade primária líquida (NPP), a biomassa e os fluxos de evapotranspiração, de acordo com diferentes cenários de cobertura e uso da terra. Nos 13 anos de análises, para todos os tipos de vegetação, a média da duração da estação chuvosa variou de oito a nove meses, enquanto a estação de crescimento durou de sete a oito meses. As médias do início da estação chuvosa e da estação de crescimento da vegetação foram próximas para os principais tipos de vegetação do cerrado, com o início da estação chuvosa em Agosto ou Setembro (com exceção dos anos de 2002 e 2007) e da estação de crescimento em Setembro ou Outubro. As médias do fim da estação chuvosa e da estação de crescimento ocorreram em Abril ou Maio e em Maio ou Junho, respectivamente. O início, o fim e a duração da estação chuvosa e da estação de crescimento da vegetação variaram conforme a quantidade e a distribuição da precipitação, a qual é afetada pelo fenômeno do El Niño e da La Niña. Por exemplo, durante anos de El Niño, o início da estação chuvosa ocorreu precocemente (em Agosto) e a sua duração foi superior a oito meses. Quando seguido por um La Niña, o início da estação de crescimento ocorreu mais tarde e a duração da estação foi inferior a oito meses. Além da variabilidade das chuvas (El Niño e La Niña) e do tipo de vegetação (gramíneas naturais ou antrópicas), o início, o fim e a duração da estação chuvosa e de crescimento da vegetação também são afetados pela variação espacial (latitude e longitude). Considerando a variação espacial do início da estação chuvosa e da estação de crescimento da vegetação, o começo foi mais cedo na porção sul do bioma Cerrado, em Agosto-Setembro e Setembro-Outubro, e mais tarde no norte, em Novembro-Dezembro e Outubro-Dezembro, respectivamente. O fim da estação teve o mesmo comportamento, com um fim mais cedo na porção sul, em Março-Abril, e mais tarde na porção norte, em Junho-Julho. Com relação ao comportamento sazonal e fenológico dos diferentes tipos de vegetação, a rebrota de todas as fitofisionomias de Cerrado começou em meados de Setembro até o fim em Outubro, com o início da estação chuvosa, atingindo os valores máximos em Dezembro a Janeiro; a senescência foi gradual, começando cedo (Março ou Abril). A biomassa total do Cerrado durante a estação de crescimento para 2002 foi 28 gigatoneladas (Gt) de carbono e a evapotranspiração foi 1336 Gt de água. A resposta baseada nas amostras associada com a área ocupada por cada tipo de vegetação mostra que a pastagem e a agricultura tiveram 52% e 22% menos NPP e ET do que as paisagens naturais. A média da evapotranspiração e da biomassa da estação de crescimento para 2002 foi de 576 Gt de água e de 12 Gt de carbono para a pastagem e agricultura, e de 760 Gt de água e a 16 Gt de carbono para a vegetação natural de Cerrado. Considerando o cenário futuro modelado para o ano de 2050, o fluxo de ET da vegetação natural foi 394 Gt menor do que em 2002 e 991 Gt menor do que no cenário potencial, caracterizado com apenas vegetação natural, enquanto o carbono foi 8 Gt menor do que 2002 e 21 Gt menor do que no cenário de pré-conversão do Cerrado (cenário potencial). Em 2050, a soma dos fluxos de ET da pastagem e agricultura aumentou em 405 Gt, relativamente a 2002, e o carbono em 11 Gt. Em fim, os diferentes cenários de uso da terra mostraram que o impacto do desmatamento até os dias de hoje nos fluxos de evapotranspiração e na biomassa foram maiores do que o cenário futuro.

O estudo avaliou a influência das árvores urbanas na manutenção da qualidade do ar e na melhoria da saúde pública, na cidade de São Paulo/SP. Para isso, essa dissertação apresenta três artigos, sendo o primeiro um artigo de revisão sistemática da literatura científica dos últimos 10 anos, contendo pesquisas que envolvem ao menos dois dos três temas: florestas urbanas, poluição do ar e saúde pública, de forma integrada. O segundo trabalho demonstra como a distribuição do solo urbano e as árvores urbanas, levantadas através de um Inventário Florestal, influenciam na qualidade do ar. O terceiro artigo discute o processo de urbanização e como o uso e ocupação do solo podem influenciar nos casos de Câncer de pulmão em idosos. As pricipais conclusões observadas são que as publicações da área vêm crescendo com o passar dos anos em revistas consideradas de alta qualidade científica, porém há uma carência de estudos que englobem os três grandes temas de forma integrada; Copa arbórea/arbustiva e Relvado podem ser utilizados como ferramentas eficientes na gestão pública, no combate à poluição por Material Particulado de 10μm; áreas abertas de relvado, como praças, campos e jardins, assim como a presença de árvores, podem ser considerados como fatores que favorecem a saúde da população de idosos paulistanos, e são encontradas quando mais distantes do centro da cidade. / The study evaluated the influence of urban trees in maintaining air quality and improving public health in São Paulo. For this, this dissertation presents three articles, the first one is a systematic review of the scientific literature of the last 10 years, containing research involving at least two of the three themes: urban forests, air pollution and public health, in an integrated way. The second work demonstrates how the distribution of land use and urban trees, raised through a Forest Inventory, influence the quality of the air. The third article discusses the process of urbanization and how land use and land cover can influence the cases of lung cancer in old people. The main conclusions observed are that the publications have been growing over the years in journals considered of high scientific quality, but there is a lack of studies that encompass the three major matters in an integrated way; Arboreal / Shrub Cup and Grass can be used as efficient tools in the public management, in reduction of pollution by particulate matter of 10μm; Open areas such as squares, fields and gardens, as well as the presence of trees, can be considered as factors that favor the health of the elderly population of São Paulo, and these environments are found when further away from the city center.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A cultura da melancia é uma das mais importantes no Estado de Roraima, com uma área plantada de aproximadamente 1000 ha-1 irrigados e produtividade média de 8.017 kg ha-1 de frutos. Essa produtividade é considerada baixa, levando em conta o potencial da cultura; e as razões disso são o manejo inadequado, principalmente, da adubação. Neste estudo, testaram-se três sistemas de sucessão de cultura combinados com seis doses de Nitrogênio com o objetivo de avaliar os benefícios da sucessão das culturas e doses de nitrogênio sobre a produtividade de frutos da melancia. Foram instalados dois experimentos (2010 e 2012) no delineamento de blocos ao acaso no esquema de parcelas subdivididas com quatro repetições. Nas parcelas, testaram-se as sucessões de cultura (mucuna preta, feijão-caupi e vegetação espontânea) e, nas subparcelas, as doses de nitrogênio (0 a 250 kg ha-1). A cultura cv Crimson Sweet foi irrigada por sulcos no espaçamento de 1,0m x 3,5m. Avaliou-se a produtividade de frutos comerciais na área útil das subparcelas (7 plantas), número, porcentagem de frutos, massa média de frutos, sólidos solúveis totais e relação polpa-casca. Os dados foram analisados por anova (p<0,05), e as médias referentes aos efeitos das doses de N foram estimadas por análise de regressão polinomial. As espécies de plantas de cobertura não afetaram a produtividade nem a qualidade de frutos de melancia, independentemente do ano de cultivo. As doses 114,77 e 115,49 kg ha-1 de N proporcionaram o maior número de fruto, (6.900 e 4.889 frutos ha-1) e massa média de frutos (9,49 e 13,15 kg fruto-1), no primeiro e no segundo ano decultivo, respectivamente. A porcentagem de frutos não foi influenciada pelas plantas de cobertura e nem pelas doses de N, independentemente do ano de cultvo. Os sólidos solúveis totais e a relação polpa/casca do fruto de melancia não foram influenciados pelas espécies de plantas coberturas nem pelas doses de N. A maior produtividade de frutos (64,02 e 55,05 Mg ha-1) obtidas com doses de 125,11 e 155,31 kg ha-1 de N, no primeiro e no segundo ano de cultivo, respectivamente. / The watermelon crop is one of the most important in the State of Roraima, with a planted area of approximately 1000 ha-1 and yield of irrigated 8.017 kg ha-1 fruit. This productivity is considered low, taking into account the potential of the crop, and the reasons are inadequate management mainly fertilization. In this study, we tested three systems of succession culture combined with six doses of nitrogen in order to evaluate the benefits of crop succession and nitrogen on fruit yield of watermelon. Two experiments were established (2010 and 2012) in a randomized block design in a split-plot with four replications. In the plots, we tested the crop sequence (velvet bean, cowpea and spontaneous vegetation) and the subplots, the nitrogen levels (0 to 250 kg ha-1). The culture cv Crimson Sweet was irrigated by furrows spaced at 1.0 m x 3.5 m. We evaluated the Commercial fruits in the useful area of the subplots (7 plants), number, percentage of fruits, average fruit weight, soluble solids and pulp-peel. Data were analyzed by ANOVA (p <0.05), and the averages on the effects of N rates were estimated by polynomial regression analysis. The species of cover crops did not affect productivity or quality of watermelon fruits, regardless of the crop year. Doses 114,77 and 115,31 kg ha-1 N gave a higher number of fruit (6900 and 4889 fruits ha-1) and average weight of fruits (fruit 9.49 and 13.15 kg-1), the first and second decultivo years, respectively. The percentage of fruits was not influenced by cover crops and not by N, regardless of the year of cultvo. The total soluble solids and pulp / fruit rind of watermelon were not affected by plant species or coverages by N The highest fruit yield (64.02 and 55.05 Mg ha-1) obtained with doses of 125,11 and 155.31 kg N ha-1, the first and second year of cultivation, respectively.

As mudanças de uso e cobertura da terra ocasionam alterações no balanço de energia, na temperatura do ar, na precipitação, na umidade do ar e na circulação regional e global. Consequentemente, mapas de uso e cobertura da terra e suas respectivas características físico-químicas e biológicas constituem-se em uma importante variável na modelagem numérica de sistemas terrestres. Entretanto, na maioria dos modelos regionais de previsão do tempo e clima, o mapa de uso e cobertura da terra não é atualizado com frequência e encontra-se defasado, o que influencia os resultados das simulações. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo principal verificar o impacto nas simulações numéricas do RegCM4 oriundas da atualização do mapa de uso e cobertura da terra e dos parâmetros físicos como, por exemplo, o índice de área foliar (IAF), a reflectância no visível ( 0,7m) e no infravermelho próximo e médio (>0,7m) utilizados pelo Biosphere Atmosphere Transfer Scheme (BATS), além da validação dos dados provenientes do Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). Consequentemente, a comparação entre os dados de precipitação mensal estimada pelo TRMM e 183 estações meteorológicas espalhadas por todo o Brasil apresentam uma concordância de aproximadamente 97%. Ainda, em relação à precipitação, temperatura máxima e temperatura mínima, obtém-se um melhor ajuste do modelo RegCM4 quando os dados de entrada do modelo são compostos pelas reanálises do SST-ERA-Interim e ERA-Interim e com a parametrização cúmulos proposta por Emmanuel. A partir da atualização do uso e cobertura da terra utilizado no modelo de superfície BATS para o ano 2007 obteve-se uma melhora de 10% na simulação da precipitação, aumentando de 0,84 para 0,92 o coeficiente de correlação (significante a p<0,05, teste t-student). Do mesmo modo, a simulação realizada com a alteração dos valores de fração máxima de cobertura vegetal apresentou valores de precipitação 18% acima dos observados. Ainda, as alterações da reflectância no visível e no infravermelho próximo e do índice de área foliar superestimaram a precipitação em 19% e 23%. Ressalta-se que todas as simulações apresentaram boa concordância no que diz respeito à temperatura máxima e mínima, apresentando valores muito próximos ao esperado. A variação trimestral dos parâmetros físicos utilizados pelo modelo de superfície BATS reduziram para 3% as superestimativas de precipitação, provendo uma correlação de 92% (significante a p<0,05, teste t-student). Em relação às variáveis meteorológicas, as principais diferenças encontradas na evapotranspiração, precipitação, umidade relativa do ar e temperatura a 2 metros concentram-se na região noroeste do Estado do Mato Grosso, nas divisas dos Estados de Mato Grosso do Sul e Mato Grosso com a Bolívia (áreas alagadas do Pantanal brasileiro), região noroeste do Paraguai e para a região da Bacia do Rio da Prata na Argentina, Região Nordeste do Brasil entre outras, devido principalmente à alteração da classe Floresta Ombrófila Densa para áreas de pastagem e agricultura e à substituição de áreas de agricultura por áreas de gramíneas, pastagem, vegetação arbustiva e Floresta Estacional Decidual. / The land use and land cover changes modify the air temperature, precipitation, air moisture, energy balance and regional and global circulations. Consequently, the land use and land cover maps and its physical-chemical and biological properties are important variables for numerical modeling of terrestrial systems. However, in most of regional weather and climate models the land use and land cover maps are not frequently updated, being out-of-date and, influencing the results of simulations. Therefore, this work has as main objective to analyze the impacts in numerical simulations by RegCM4 of land use and land cover maps updating, as well as the alteration of physical parameters, such as the leaf area index (LAI), the visible (<0.7 m) and near infrared and medium (> 0.7 m) reflectance used by the Biosphere Atmosphere Transfer Scheme (BATS). The validation of simulated precipitation by comparison to the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) data is also an objective. The comparison between monthly precipitation data estimated by TRMM and the 183 weather stations distributed throughout Brazil presented a concordance of approximately 97%. Also related to rainfall, maximum and minimum temperature simulations, better assessments of RegCM4 were found when SST-ERA-Interim, ERA-Interim reanalysis and cumulus parameterization proposed by Emmanuel were used. In addition, the update of the South America 2007 land use and land cover map used by BATS has improved the simulation of precipitation in 10%, increasing the correlation coefficient from 0.84 to 0.92 (significant at p <0.05, t-test student). Moreover, the results show good agreement between simulated and observed maximum and minimum temperature, with correlation coefficients near to 0.95 for both variables. Correspondingly, the simulations performed with adjustments on maximum fractional of vegetation cover showed precipitation mean value 18% above the observed data. Changes in visible and infrared reflectance and in the leaf area index overestimated the precipitation in 19% and 23%, respectively. It is noteworthy that all simulations showed good agreement for maximum and minimum temperature, with values very close to those observed. The three-monthly (seasonal) change of the physical parameters, which characterize the surface model BATS, provided a reduction of 3% in the mean simulated precipitation if compared to the results obtained without seasonal variation of surface parameters. The linear correlation between simulated and observed monthly precipitation obtained by considering seasonal changes in the surface parameter was equal to 92% (significant at p <0.05, Student\'s t-test). Regarding to atmospheric variables, the more significant differences observed in evapotranspiration, precipitation, relative humidity and temperature above two meters from surface are located in the northwest of Mato Grosso state, at the Mato Grosso do Sul, Mato Grosso states and the Bolivia bordering (placed on the Brazilian Pantanal wetlands), over Northeastern Brazil region, northwestern Paraguay, and River Plate Basin, among others. These important differences are due to the substitution of Tropical Rain Forest by pasture and agriculture and, the replacement of agricultural areas by areas of grass pasture, shrub and Deciduous Forest.

Orientadores: Laércio Luis Vendite, Stanley Robson de Medeiros Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-23T13:40:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_KellyMarquesdeOliveira_M.pdf: 10053877 bytes, checksum: 2126c76ce80f71b89ec947645274c384 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O desenvolvimento de estudos na área de geotecnologia e o aumento na capacidade de armazenar dados têm melhorado a exploração e os estudos de imagens de satélites obtidas através de sensores orbitais. O mapeamento da cobertura da terra, estimativas de produtividade de culturas e a previsão de safras são informações importantes para o agricultor e para o governo, pois essas informações são essenciais para subsidiar decisões relacionadas à produção, estimativas de compra e venda, e cálculos de importação e exportação. Uma das alternativas para analisar dados de uso e cobertura da terra, obtidos por meio de sensores, é o uso de técnicas de mineração de dados, uma vez que essas técnicas podem ser utilizadas para transformar dados e informações em conhecimentos que irão subsidiar decisões relativas ao planejamento agrícola. Neste trabalho, foram utilizados dados multitemporais sobre o índice de vegetação NDVI, derivados de imagens do sensor MODIS, para o monitoramento das culturas de algodão, soja e milho no estado do Mato Grosso, no período do ano-safra de 2008/2009. O conjunto de dados, fornecido pela Embrapa Informática Agropecuária, foi composto por 24 colunas e 728 linhas, onde as 23 primeiras colunas referem-se aos valores do NVDI, e a última, à cobertura do solo. A metodologia utilizada teve como base o modelo CRISP-DM (Cross Industry Standard Process for Data Mining). Modelos preditivos para classificar dados sobre essas culturas foram elaborados e avaliados por algoritmos de aprendizado de máquina, tais como árvores de decisão (J48 e PART), florestas aleatórias (Random Forest). A seleção de atributos melhorou os valores do índice Kappa e a acurácia dos modelos. Foram geradas regras de classificação para mapear as culturas estudadas (soja, milho e algodão). Os resultados revelaram que os algoritmos de aprendizado de máquina são promissores para o problema de classificação de cobertura do solo. Em particular o algoritmo J48, utilizado em conjunto com a seleção de atributos feito por meio de análise de componentes principais, destacou-se em relação ao demais pela simplicidade e pelos valores apresentados. Os resultados também evidenciaram a presença regiões de cultivo do algodão em outras áreas do estado, fora daquelas estudadas / Abstract: The development of studies in the field of geotechnology and increased ability to store data have improved the exploration and study of satellite images obtained by satellite sensors. The mapping of land cover, estimates of crop productivity and crop forecasting is important information for the farmer and for the government, because this information is essential to support decisions related to production, estimates of purchase and sale, import and calculations and export. An alternative use for data analysis and coverage will be obtained by means of sensors, is the use of data mining techniques since these techniques can be used to transform data and information on the knowledge that will support decisions on agricultural planning. In this work, we used data on the multitemporal vegetation index NDVI derived from MODIS images for monitoring crops of cotton, soybean and corn in the state of Mato Grosso, in the period of the crop year 2008/2009. The dataset supplied by Embrapa Agricultural Informatics, comprised 24 columns and 728 rows, where the 23 first columns refer to the values of NVDI, and the last, the soil cover. The methodology used was based on the model CRISP-DM (Cross Industry Standard Process for Data Mining). Predictive models to classify data on these cultures were prepared and analyzed by machine learning algorithms such as decision trees (J48 and PART), Random Forests (Random Forest). The feature selection improved the Kappa index values and accuracy of the models. Classification rules were generated to map the cultures studied (soy, corn and cotton). The results show that the machine learning algorithms are promising for the problem of classification of land cover. In particular, the J48 algorithm, used in conjunction with feature selection done by principal component analysis, stood out against the other by the simplicity and the values presented. The results also revealed the presence of regions of cotton cultivation in other areas of the state, out of those studied / Mestrado / Matematica Aplicada e Computacional / Mestra em Matemática Aplicada e Computacional

Le changement d’usage des terres, liées à l’agriculture et à la foresterie, engendre une perte importante de biodiversité et représente une part importante de nos émissions de GES à l’origine du changement climatique. Le mécanisme de Réduction des Émissions de la Déforestation et Dégradation des forêts, conservation, gestion durable et restauration des stocks de carbone (REDD+) initié il y a dix ans. peine à se mettre en place du fait de nombreuses contraintes politiques et scientifiques. Malgré l’existence de lignes directrices élaborées par la communauté scientifique internationale, des outils et données sont nécessaires afin de fournir des informations précises, à moindre coût et utilisables à différentes échelles. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodologies innovantes pour réduire les incertitudes sur les estimations des émissions et séquestrations de CO2 associées à la déforestation, dégradation et régénération des terres. Madagascar, pays engagé dans le REDD+ depuis huit ans et soumis à des pertes importantes de biodiversité et de couvert forestier est pris comme exemple. Trois études complémentaires ont été réalisées : i) le suivi de la déforestation en région tropical humide et sec par satellites, ii) l’estimation des stocks de carbone dans les sols et les forêts et iii) la modélisation des changements d’usage de terres. Nous avons développé une nouvelle méthodologie de suivi de la déforestation à Madagascar permettant de tenir compte de la définition des forêts et améliorer la prise en compte des petites parcelles de défriche brulis. Les chiffres de la déforestation, variant d’une région à une autre, ont ainsi été actualisés jusqu’en 2013. Une méthodologie innovante de cartographie des stocks de carbone dans le sol à des résolutions fines et à des échelles régionales a été mise au point en couplant de nombreux facteurs environnementaux et un inventaire de terrain à l’aide d’un modèle d’apprentissage automatique. Ce modèle spatial du carbone a été appliqué sur des images satellites acquises vingt année plus tôt afin d’évaluer la dégradation des stocks de carbone du sol et leur régénération potentielle. Des facteurs de perte et gains de carbone dans le sol ont pu ainsi être estimés. Enfin, une approche de modélisation des changements d’usage des terres a permis de mieux comprendre les facteurs biophysiques et socio-économiques liées à la déforestation, dégradation des terres et régénération, et proposer des scénarios spatialisés pour aider les décideurs. Les résultats obtenus dans cette thèse et les méthodologies développées permettent d’alimenter les discussions et documents concernant la stratégie REDD+ de Madagascar. Elle contribue et vise à une meilleure gestion des agro-écosystèmes par la fourniture d’informations spatiales justes, précises spatialement et pertinentes à grande échelle. / Land use change due to agriculture and forestry, generates a significant loss of biodiversity and is an important part of our greenhouse gas (GHG) emissions causing climate change. The Reduction of Emissions from Deforestation and Forest Degradation, conservation, sustainable management and restoration of carbon stocks (REDD+) mechanism initiated ten years ago is struggling to establish because of many political and scientific constraints. Despite the existence of guidelines developed by the international scientific community, tools and data necessary to provide accurate, cost and usable at different scales. The objective of this thesis is to develop innovative methods to reduce uncertainties in the estimates of CO2 emissions and sequestrations from deforestation, degradation and land regeneration. Madagascar, a country committed in REDD+ for eight years and subjected to significant losses of biodiversity and forest cover, is taken as an example. Three complementary studies were carried out: i) monitoring of deforestation in tropical humid and dry regions, ii) estimates of carbon stocks in soils and forests and iii) land use change model. We have developed a new methodology for monitoring deforestation in Madagascar considering the national definition of forests and accounted for small plots of slash and burn practices. The figures of deforestation vary from one region to another, and have been updated to 2013. An innovative methodology for soil organic carbon stock mapping at fine resolution and regional scale has been developed by coupling many environmental factors and a field inventory using a machine learning model. This spatial carbon model was applied on satellite images acquired twenty year ago to assess the degradation of soil carbon stocks and potential regeneration. Loss and gain factors due to various land use change were estimated. Finally, the land use change framework developed allowed us to understand the biophysical and socio-economic factors related to deforestation, land degradation and regeneration, and provide spatially scenarios to assist policy makers. The results obtained in this thesis and the methodologies developed allow to feed the discussions and documents relating to the REDD + strategy in Madagascar. It contributes and is aimed at a better management of agro-ecosystems by providing accurate spatial information, locally relevant and globally consistent.

Ce travail s'inscrit dans la perspective de l'enrichissement des bases de données d'occupation du sol. La description de l'occupation du sol permet de produire des indicateurs environnementaux pour la gestion des écosystèmes et des territoires, en réponse à des besoins sociétaux, réglementaires et scientifiques. Aussi, des bases de données décrivant l'occupation du sol existent à différents niveaux (local, national, européen) ou sont en cours de constitution. Il est toutefois apparu que la connaissance de l'occupation du sol nécessaire pour certaines applications de modélisation de la ville (simulateurs de micro-météorologie, d'hydrologie, ou de suivi de pollutions), voire de suivi réglementaire (imperméabilisation des sols) est plus fine (au niveau sémantique et géométrique) que ce que contiennent ces bases de données. Des cartes de matériaux sont donc nécessaires pour certaines applications. Elles pourraient constituer une couche supplémentaire, à la fois dans des bases de données sur l'occupation du sol (comme l'occupation du sol à grande échelle de l'IGN) et dans des maquettes urbaines 3D.Aucune base de données existante ne contenant cette information, la télédétection apparaît comme la seule solution pour la produire. Néanmoins, du fait de la forte hétérogénéité des matériaux, de leur variabilité, mais aussi des fortes ressemblances entre classes distinctes, il apparaît que les capteurs optiques multispectraux classiques (limités aux 4 canaux rouge - vert - bleu - proche infrarouge) sont insuffisants pour bien discriminer des matériaux. Un capteur dit superspectral, c'est-à-dire plus riche spectralement, pourrait apporter une solution à cette limite. Ce travail s'est donc positionné dans l'optique de la conception d'un tel capteur et a consisté à identifier la meilleure configuration spectrale pour la classification des matériaux urbains, ou du moins à proposer des solutions s'en approchant. Un travail d'optimisation spectrale a donc été réalisé afin d'optimiser à la fois la position des bandes dans le spectre ainsi que leur largeur. Le travail s'est déroulé en deux temps. Une première tâche a consisté à définir et préciser les méthodes d'optimisation de bandes, et à les valider sur des jeux de données de référence de la littérature. Deux heuristiques d'optimisation classiques (l'une incrémentale, l'autre stochastique) ont été choisies du fait de leur généricité et de leur flexibilité, et donc de leur capacité à être utilisées pour différents critères de sélection d'attributs. Une comparaison de différentes mesures de la pertinence d'un jeu de bandes a été effectuée afin de définir le score à optimiser lors du processus de sélection de bandes. L'optimisation de la largeur des bandes a ensuite été étudiée : la méthode proposée consiste à préalablement construire une hiérarchie de bandes fusionnées en fonction de leur similarité, le processus de sélection de bandes se déroulant ensuite au sein de cette hiérarchie. La seconde partie du travail a consisté en l'application de ces algorithmes d'optimisation spectrale au cas d'étude des matériaux urbains. Une collection de spectres de matériaux urbains a d'abord été réunie à partir de différentes librairies spectrales (ASTER, MEMOIRES, ...). L'optimisation spectrale a ensuite été menée à partir de ce jeu de données. Il est apparu qu'un nombre limité de bandes bien choisies suffisait pour discriminer 9 classes de matériaux communs (ardoise - asphalte - ciment - gravier - métal - pavés en pierre - shingle - terre – tuile). L'apport de bandes issues du domaine de l'infrarouge onde courte (1400 - 2500 nm) pour la discrimination des matériaux a également été vérifiée. La portée des résultats chiffrés obtenus en terme de confusions entre les matériaux reste toutefois à nuancer du fait de la très faible représentation de certains matériaux dans la librairie de spectres collectés, ne couvrant donc pas la totalité de leur variabilité / This work was performed in the context of a possible enrichment of land cover databases. The description of land cover is necessary it possible to produce environmental indicators for the management of ecosystems and territories, in response to various societal and scientific needs. Thus, different land cover databases already exist at various levels (global, European, national, regional or local) or are currently being produced. However, it appeared that knowledge about land cover should more detailled in urban areas, since it is required by several city modeling applications (micro-meteorological, hydrological, or pollution monitoring simulators), or public regulations monitoring (e.g. concerning ground perviousness). Such materials maps would be (both semantically and spatially) finer than what is contained in existing land cover databases. Therefore, they could be an additional layer, both in land cover databases (such as in IGN High Resolution land cover database) and in 3D city models. No existing database contains such information about urban material maps. Thus remote sensing is the only solution to produce it. However, due to the high heterogeneity of urban materials, their variability, but also the strong similarities between different material classes, usual optical multispectral sensors (with only the 4 red - green - blue - near infrared bands) are not sufficient to reach a good discrimination of materials. A multispectral sensor or superspectral, that is to say spectrally richer, could therefore provide a solution to this limit. Thus, this work was performed intending the design of such sensor. It aimed at identifying the best spectral configuration for classification of urban materials, or at least to propose sub-optimal solutions. In other words, a spectral optimization was carried out in order to optimize both the position of the bands in the spectrum and their width. Automatic feature selection methods were used. This work was performed in two steps. A first task aimed at defining the spectral optimization methods and at validating them on literature reference data sets. Two state-of-the-art optimization heuristics (Sequential Forward Floating Search and genetic algorithms) were chosen owing to their genericity and flexibility, and therefore their ability to be used to optimize different feature selection criteria. A benchmark of different scores measuring the relevance of a set of features was performed to decide which score to optimize during the band selection process. Band width optimization was then studied: the proposed method consisted in building a hierarchy of bands merged according to their similarities. Band selection was then processed within this hierarchy. The second part of the work consisted in the application of these spectral optimization algorithms to the case study of urban materials. A collection of urban materials spectra was first caught and from various spectral libraries ( ASTER , MEMORIES...). Spectral optimization was then performed on this dataset. A limited number (about 10) of well chosen bands appeared to be sufficient to classify next common materials (slates - asphalt - cement - gravel - metal - cobblestones - shingle - earth – tiles). Bands from short wave infrared spectral domain (1400 - 2500 nm) were shown again to be very useful to discriminate urban materials. However, quantitative results assessing the confusions between the materials must be considered carefully since some materials are very uncommon in the library of collected spectra, and thus their possible variability is not completely considered