State-space models and Wavelet analysis in the study of the spatial relationship between soil hydro-physical and topographic attributes at watershed scale

Autor: Centeno, Luana Nunes
Přispěvatelé: Ferreira, Arlan da Silva, Barros, Willian da Silva, Timm, Luís Carlos
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFPEL
Universidade Federal de Pelotas (UFPEL)
instacron:UFPEL
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Nesta transeção foram demarcados 100 pontos, equidistantes entre si 150 m, onde amostras de solo, com estrutura deformada e preservada, foram coletadas na camada de 0-0,20 m de profundidade para determinação das frações texturais, densidade do solo, porosidade total, macroporosidade, condutividade hidráulica do solo saturado e carbono orgânico. De posse do modelo digital de elevação hidrologicamente consistente (MDEHC) foram obtidos em cada ponto amostral atributos topográficos, a saber: elevação, declividade e aspecto. A estatística clássica foi aplicada a todos os conjuntos de dados para a obtenção das medidas de posição, de dispersão e da forma da dispersão. Também foi aplicado o teste de Kolmogorov-Smirnov para verificar a normalidade de cada conjunto de dados. Para caracterizar e identificar a estrutura de variabilidade espacial de cada atributo ao longo da transeção espacial a função de autocorrelação foi calculada. A correlação espacial entre as variáveis foi calculada por meio da função de crosscorrelação. O relacionamento entre as variáveis foi estudado por modelos de espaço de estados envolvendo o mesmo conjunto de variáveis físico-hídricas do solo e topográficas. A caracterização e quantificação das possíveis correlações multi-espaciais entre os atributos físico-hídricos do solo e os atributos topográficos foram também avaliadas usando as transformadas de Wavelets. Por meio destas ferramentas foi possível concluir que a abordagem em espaço de estados se mostrou uma ferramenta eficaz para descrever as relações espaciais, bem como que as transformadas de Wavelets são ferramentas promissoras no intuito de caracterizar e quantificar as correlações multiespaciais entre a condutividade hidráulica do solo saturado e os atributos físico-hídricos do solo e topográficos e o tipo de uso do solo ao longo da transeção espacial de 15 km construída na Bacia do Arroio Fragata. A substituição da variável macroporosidade do solo pelo tipo de uso do solo como variável representativa da estrutura do solo nos modelos de espaço de estados deve ser melhor avaliada em futuros estudos em escala de bacia hidrográfica. The statistical tools that consider the position and the possible dependence between the observations of variables in the field have been applied at small scales and not at watershed scales. Thus, this study aimed to evaluate the potential of statistical tools from the Time Series Analysis to characterize and identify the spatial variability structure of soil hydro-physical and topographic attributes as well as to study the relationship between them in the Fragata River Watershed (FRW), Pelotas, Southern Brazil. From the Passo dos Carros control section (FRW - PPC) a 15 km-spatial transect was established in which 100 points, 150 m equidistantly spaced, were demarcated. Undisturbed and disturbed soil samples were collected in the 0-0.20 m soil layer to determine textural fractions, soil bulk density, total porosity, macroporosity, saturated soil hydraulic conductivity and soil organic carbon. Using the hydrologically consistent digital elevation model (MDEHC), topographic attributes were obtained at each sampling point, namely: elevation, slope, and aspect. Classical statistics were applied to all data sets to calculate position, dispersion, and shape measures of each data set. The Kolmogorov-Smirnov test was applied to verify the normality of each data set. To characterize and identify the spatial variability structure of each attribute along the spatial transect, the autocorrelation function was calculated. The spatial correlation between two variables was calculated using the cross-correlation function. The spatial relationship among variables was studied by state-space models and classical multiple regression models. The characterization and quantification of the possible multi-spatial correlations among all attributes were evaluated through Wavelet analysis. It was possible to conclude that the state-space approach proved to be an effective tool to describe the spatial relationships among all attributes as compared to multiple regression models at watershed scale. Further, Wavelet analysis showed to be a promising tool to characterize and quantify the multispatial correlations among all soil hydro-physical and topographic attributes along the 15 km-FRW spatial transect. The substitution of the soil macroporosity by the land-use system as a potential explanatory variable to represent the soil structure in the state-space models should be better assessed in future studies at watershed scale.
Databáze: OpenAIRE
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