Análise de desempenho de produtos modis para modelagem da dinâmica de inundação do Pantanal mato-grossense

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silveira, Sérgio Wagner Gripp da
Data de Publicação: 2015
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFMT
Texto Completo: http://ri.ufmt.br/handle/1/2183
Resumo: The ecological processes of wetlands, such as the Pantanal of Mato Grosso, depend on their cyclic flooding, which field monitoring is unfeasible due to its vast extension and difficult access. Thus this study aimed to evaluate the applicability of MODIS products to monitor the inundation dynamics, assessing systematically the interference of field sampling scheme, pixel quality given by the Quality Assurance band, vegetation cover, period of the hydrological cycle and the use of a gap filling algorithm on the classification model performance. For logistic regression classification training and validation, inundation measurements of two field survey sites were considered: The Pirizal site of the Long Term Ecological Research Program (LTER/PELD), and the Private Natural Heritage Preservation Area (RPPN) of the SESC-Pantanal. Binary coded flood measurements were compared with the NDVI, EVI and LSWI spectral indices obtained from the MOD13Q1 product and annual land use and cover maps of the MCD12Q1 product. Degree of generalizability of the model was measured by external and cross-validation. A new method, called virtual stages, was introduced to test the influence of field point measurements with zonal entities represented by MODIS pixels. In this procedure, flooding levels in regular 25m grid around the limnimetric gauges were simulated by a Digital Elevation Model (DEM) interpolated from an existing topographic survey. The combination of the LSWI, EVI and land use and cover layer resulted in the best flooding predictions with a Nagelkerke R2 = 0.75 and Kappa = 0.78. The overall accuracy was 89.2% for the adjusted model and 77.2% in the external validation. A model setup using the virtual gauges did not result in a better overall performance of the models. Nevertheless, false positive rates were partially reduced. The omission of pixels down to a QA level of 0110 did not significantly improve the model performance. An expressive performance loss was only observed when pixels flagged as cloudy were included in the models. The filtered and filled in model showed excellent results, if compared with models based on different QA filter levels, having as further advantages the gap-free flood monitoring. Model performance was reduced in forested areas, however less expressive than expected, if compared with the performance in open savannah formations. Model performance varied seasonally, being reduced during rising and falling waters. Differences higher than 10% in the performance indicators showed that only an external validation allow a realistic assessment of flood mapping performance with MODIS data in the floodplain.
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For logistic regression classification training and validation, inundation measurements of two field survey sites were considered: The Pirizal site of the Long Term Ecological Research Program (LTER/PELD), and the Private Natural Heritage Preservation Area (RPPN) of the SESC-Pantanal. Binary coded flood measurements were compared with the NDVI, EVI and LSWI spectral indices obtained from the MOD13Q1 product and annual land use and cover maps of the MCD12Q1 product. Degree of generalizability of the model was measured by external and cross-validation. A new method, called virtual stages, was introduced to test the influence of field point measurements with zonal entities represented by MODIS pixels. In this procedure, flooding levels in regular 25m grid around the limnimetric gauges were simulated by a Digital Elevation Model (DEM) interpolated from an existing topographic survey. The combination of the LSWI, EVI and land use and cover layer resulted in the best flooding predictions with a Nagelkerke R2 = 0.75 and Kappa = 0.78. The overall accuracy was 89.2% for the adjusted model and 77.2% in the external validation. A model setup using the virtual gauges did not result in a better overall performance of the models. Nevertheless, false positive rates were partially reduced. The omission of pixels down to a QA level of 0110 did not significantly improve the model performance. An expressive performance loss was only observed when pixels flagged as cloudy were included in the models. The filtered and filled in model showed excellent results, if compared with models based on different QA filter levels, having as further advantages the gap-free flood monitoring. Model performance was reduced in forested areas, however less expressive than expected, if compared with the performance in open savannah formations. Model performance varied seasonally, being reduced during rising and falling waters. Differences higher than 10% in the performance indicators showed that only an external validation allow a realistic assessment of flood mapping performance with MODIS data in the floodplain.Os processos ecológicos de áreas úmidas, como o Pantanal Mato-grossense, dependem de sua inundação cíclica, cujo monitoramento in loco é inviável devido a sua grande extensão territorial e o difícil acesso. Portanto, o objetivo desse trabalho foi analisar a aplicabilidade de produtos MODIS para monitoramento da dinâmica de inundação, avaliando sistematicamente a interferência do esquema de amostragem em campo, da qualidade dos pixels, da cobertura vegetal, do período dentro do ciclo hidrológico e do uso de um algoritmo de preenchimento de falhas sobre o desempenho dos modelos classificatórios. Para desenvolver as classificações por regressão logística foram utilizadas medidas de inundação in situ de duas regiões do Pantanal Norte: o Sítio de Amostragem de Longa Duração do Pirizal, e a Reserva do Patrimônio Particular Natural do SESC Pantanal. As medições, codificadas de forma binária, foram comparadas com os índices espectrais NDVI, EVI e LSWI obtidos do produto MOD13Q1, e com os mapas anuais do uso e ocupação da terra do produto MCD12Q1. O grau de generalização dos modelos foi avaliado através de validações externa e cruzada. Um novo método, denominado réguas virtuais, foi introduzido para averiguar a interferência da comparação de medições pontuais in situ com as entidades zonais dos pixels MODIS. Nesse procedimento os níveis de inundação em uma grade virtual ao redor das réguas limnimétricas foram simulados a partir de um modelo numérico de terreno interpolado a partir de um levantamento topográfico existente. Na seleção das variáveis independentes para compor o modelo, a combinação dos índices LSWI e EVI e da classificação do uso e ocupação da terra, obteve o melhor desempenho, com R2 = 0, 75 e Kappa = 0,78. A acurácia geral foi 89,2% no ajuste do modelo e 77,2% na validação externa. O modelo usando réguas virtuais, em termos gerais, não obteve melhor desempenho do que o modelo gerado com as réguas reais, embora a taxa de falso positivo tenha diminuído parcialmente. A exclusão de pixels até o nível de qualidade QA 0110 não melhorou de forma significativa o desempenho do modelo. Um decaimento mais expressivo do desempenho somente foi observado se pixels nublados são incluídos. O modelo usando os dados reconstruídos obteve excelente desempenho quando comparado com modelos usando dados originais em todos os níveis de qualidade dos pixels, tendo como vantagem a classificação de toda área de estudo em cada passo da resolução temporal. Como esperado, o desempenho da classificação é reduzido em áreas florestadas, porém de forma menos expressiva do que esperado. A qualidade do modelo varia de acordo com os períodos do ciclo de inundação e é principalmente reduzida durante a enchente e vazante. Diferenças superiores a 10% nos indicadores dos acertos dos modelos apontam que somente uma validação externa permite uma avaliação realista sobre o desempenho do monitoramento de inundações por produtos MODIS na planície.Universidade Federal de Mato GrossoBrasilInstituto de Física (IF)UFMT CUC - CuiabáPrograma de Pós-Graduação em Física AmbientalZeilhofer, Peterhttp://lattes.cnpq.br/1101747116364613Zeilhofer, Peter696.821.431-87http://lattes.cnpq.br/1101747116364613Cruz, Ibraim Fantin da933.203.451-68http://lattes.cnpq.br/0191832925366432696.821.431-87Couto, Julia Arieira080.728.007-01http://lattes.cnpq.br/3236324520037129Biudes, Marcelo Sacardi893.219.011-91http://lattes.cnpq.br/7273935697798004Pinto Junior, Osvaldo Borges891.375.901-20http://lattes.cnpq.br/9205049622103900Silva, João dos Santos Vila da201.013.411-72http://lattes.cnpq.br/9815197324138278Silveira, Sérgio Wagner Gripp da2020-12-11T11:48:17Z2015-03-302020-12-11T11:48:17Z2015-03-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisSILVEIRA, Sérgio Wagner Gripp da. Análise de desempenho de produtos modis para modelagem da dinâmica de inundação do Pantanal mato-grossense. 2015. 100 f. Tese (Doutorado em Física Ambiental) - Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de Física, Cuiabá, 2015.http://ri.ufmt.br/handle/1/2183porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMTinstname:Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)instacron:UFMT2020-12-20T06:01:21Zoai:localhost:1/2183Repositório InstitucionalPUBhttp://ri.ufmt.br/oai/requestjordanbiblio@gmail.comopendoar:2020-12-20T06:01:21Repositório Institucional da UFMT - Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)false
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