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II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, 24-27 de julho de 2007V Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas ISSN 1981-6251, p. 175-180

A. L. Iescheck; C. R. Sluter

VISUALIZAÇÃO VOLUMÉTRICA DE DADOS ESPACIAIS: NOVAS POSSIBILIDADES PARA AVALIAÇÃO DE SOLOS

ANDREA LOPES IESCHECK1 CLAUDIA ROBBI SLUTER2

1Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS

Instituto de Geociências, Departamento de Geodésia, Porto Alegre - RS [email protected]

2Universidade Federal do Paraná - UFPR Setor de Ciências da Terra, Departamento de Geomática, Curitiba - PR

[email protected]

RESUMO - O presente trabalho diz respeito à representação e visualização volumétrica de dados espaciais, e apresenta novas possibilidades para visualizar tridimensionalmente as propriedades dos solos. Os dados tridimensionais das propriedades dos solos foram obtidos a partir de amostras pontuais coletadas em campo, e foram interpolados para que se conheçam os valores dessas propriedades em locais não amostrados. O uso de volumes permite ver e explorar o fenômeno como um corpo contínuo no espaço, incorporando dessa forma, a terceira dimensão na cartografia de solos. A representação e visualização de volumes trazem uma série de benefícios para diversas áreas do conhecimento. Os resultados obtidos para as representações volumétricas das propriedades físicas, químicas e morfológicas são uma nova forma de visualizar os solos e se constituem em uma fonte de novos conhecimentos para o seu estudo. ABSTRACT - This work is on volume representation and visualization of spatial data. It presents new possibilities to visualize soil’s properties on 3D. Three-dimensional data of soil’s properties were obtained from sampling points, and they were interpolated in order to be continuously represented in 3D space. The use of volumes allows one to visualize and to explore the phenomenon as a continuous body in the space, thus incorporating the third dimension in the cartography of soils. Volume representation and visualization improve the understanding of many scientific fields. The outcome of volume representations of physical, chemical and morphological properties is a new way to visualize the soil and a new source of knowledge to the study of this phenomenon.

1 INTRODUÇÃO A visualização volumétrica de fenômenos naturais e de suas propriedades é importante para diversos ramos da ciência. O delineamento espacial das propriedades dos fenômenos e de suas variações, a partir de conjuntos de dados representativos, permite extrair informações científicas relevantes. No contexto da avaliação de solos o conhecimento da estrutura complexa do fenômeno se dá a partir de dados de natureza qualitativa e quantitativa, ou seja, a partir de critérios qualitativos relativos às suas propriedades morfológicas, e quantitativos, relativos às suas propriedades químicas, físicas e biológicas. Atualmente, as representações das informações dos solos são feitas na forma de mapas pedológicos, perfis de seqüências topográficas, cartas com curvas de isodiferenciação, superfícies representativas das variações dos atributos, bloco diagramas e gráficos. Estas representações não permitem a visualização completa das

variações em volume, uma vez que descrevem padrões sobre superfícies bidimensionais ao invés da distribuição espacial dos atributos da subsuperfície. Assim, visualizar tridimensionalmente as propriedades dos solos significa não somente uma nova possibilidade, mas um avanço para o estudo deste fenômeno. Segundo Paiva et al. (1999) visualização é um termo relacionado aos métodos que permitem a extração de informações relevantes a partir de conjuntos de dados, utilizando técnicas de computação gráfica e processamento de imagens. Denomina-se visualização científica quando estes conjuntos de dados representam fenômenos complexos e o objetivo é a extração de informações científicas relevantes. A visualização científica, de acordo com Earnshaw e Wiseman (1992), está relacionada com a exploração de dados e informações na busca pelo entendimento e compreensão intuitiva dos fenômenos espaciais. Uma área dentro da visualização científica que tem apresentado rápido crescimento é a visualização volumétrica. Assim, o objetivo da

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visualização de volumes é explorar a estrutura interna e o comportamento complexo de objetos volumétricos tridimensionais (FUJISHIRO et al., 1996). Na visualização volumétrica a exploração dos dados é dinâmica. Deve-se, portanto, interagir com a imagem por meio de rotações, aproximações, cortes e outras formas de manipulação gráfica, buscando a informação e entendimento do fenômeno de maneira completa. Esta pesquisa, que resultou em trabalho de tese de doutorado, foi estruturada de forma a apresentar e discutir os conceitos relativos às estruturas de dados tridimensionais, como também, à representação e visualização de dados volumétricos. A considerar a visualização de volumes, requer-se que os dados espaciais sejam interpolados, descrevem-se as características espaciais dos dados e os métodos para interpolação de dados qualitativos e quantitativos, com condicionantes baseados na sua localização e na sua tensão (splines). Os procedimentos realizados para representação e visualização de dados espaciais abrangem todo leque de atividades, desde a aquisição de dados à geração do produto final, as quais definem as etapas operacionais da metodologia adotada. Aqui, são apresentados os procedimentos utilizados e os resultados obtidos para a representação e visualização volumétrica das propriedades dos solos. 2 REPRESENTAÇÃO E VISUALIZAÇÃO DOS VOLUMES

Para viabilizar de maneira adequada a visualização volumétrica das propriedades dos solos, foi necessário utilizar um sistema de informações geográficas tridimensional (SIG-3D) em conjunto com programas para visualização de volumes. A maioria dos programas SIG tem a capacidade de manipular dados no contexto denominado 2 ½ D, ou seja, a representação de superfícies. Para ser considerado como 3D, o sistema deve ser capaz de manipular dados como um objeto e não apenas como uma superfície comunicando, assim, fenômenos geográficos complexos (SWANSON, 1996). Este trabalho foi desenvolvido em um ambiente SIG-3D, utilizando o programa GRASS GIS, versão 6.1 cvs, para o ambiente Linux. O GRASS GIS (Geographic Resources Analysis Support System) é um programa computacional de domínio público e de código aberto, documentado e organizado como bibliotecas de funções, e a estrutura de dados também é aberta. Para visualização dos volumes das propriedades dos solos foi utilizado o programa Vis5D. O Vis5D é um programa de domínio público, oferecido nos termos do GPL (General Public License), tem código aberto e é disponibilizado para os ambientes UNIX e Linux. Esse programa permite a visualização interativa de dados volumétricos em cinco dimensões (três dimensões espaciais (x, y, z), uma dimensão referente ao atributo (w) e uma dimensão temporal (t)).

O desenvolvimento metodológico das etapas operacionais contempla as fases de aquisição de dados, organização e codificação dos dados, interpolação tridimensional, formação dos volumes e visualização dos volumes.

2.1 Área de estudo A área utilizada para o desenvolvimento desta pesquisa localiza-se no Centro de Treinamento da Fundação ABC, no município de Castro, Estado do Paraná. O talhão selecionado para condução dos trabalhos abrange uma área de 21,5 hectares (fig. 1). Considerando que o solo é caracterizado por horizontes que acompanham a configuração da superfície física da Terra, procedeu-se à representação detalhada desta superfície. Portanto, para subsidiar as atividades desenvolvidas nesta pesquisa, foi gerada a base topográfica digital da área com curvas de nível eqüidistantes de 20 cm, a partir de levantamento topográfico.

Figura 1 – Localização da área de estudo. 2.2 Aquisição de dados A visualização de volumes demanda a formação do volume que, por sua vez, requer dados volumétricos, os quais são obtidos por interpolação tridimensional a partir de dados tridimensionais. Segundo Neteler (2001), um dos principais problemas para se trabalhar com volumes é a disponibilidade de dados tridimensionais. A representação dos dados no espaço tridimensional (R3) é feita pelas três coordenadas espaciais (x, y, z) e um ou mais dados referentes aos atributos (wi). Aqui, estes atributos correspondem às propriedades físicas, químicas e morfológicas dos solos. Para obtenção dos dados referentes às propriedades morfológicas dos solos, fez-se a implantação de uma malha de pontos para coleta dos monólitos. Todos os pontos desta malha tiveram suas coordenadas tridimensionais determinadas em campo. A malha de amostragem foi distribuída regularmente sobre a área, com espaçamento de 30 em 30 metros (fig. 2). A amostragem dos monólitos foi executada com trado tubular acoplado a um trator, utilizando tubos de PVC com 10 cm de diâmetro e 120 cm de comprimento. Dos



255 monólitos coletados foram aproveitados 231 e os demais foram descartados por problemas de identificação.

607600m 607700 607800 607900 608000 608100 608200

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0 50 100 150m50

Meridiano Central: 51 WGSistema de Projeção UTM

Figura 2 – Mapa de localização dos pontos de coleta dos monólitos.

607600m 607700 607800 607900 608000 608100 608200

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5

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Figura 3 – Mapa de localização dos pontos de coleta das amostras. A caracterização morfológica da cobertura pedológica da área de estudo envolveu a descrição morfológica dos monólitos coletados em campo. Esta descrição foi realizada por um pedólogo e as características morfológicas observadas foram: horizontes, cor e estrutura (tipo, classe e grau). Para proceder às análises laboratoriais das amostras dos solos, fez-se nova coleta em campo. Esta coleta de amostras dos perfis foi feita em nove trincheiras, com um metro de largura, um metro de comprimento e um metro e meio de profundidade, localizadas em pontos

característicos do terreno (fig. 3). As análises físicas e químicas foram realizadas nos laboratórios da Embrapa Florestas, localizada no município de Colombo, Estado do Paraná. 2.3 Interpolação, formação e visualização dos volumes Para armazenamento e representação computacional dos dados foi adotada a estrutura matricial. O formato matricial é adequado para representar fenômenos que se desenvolvem de maneira continuada no espaço, como é o caso dos solos. Os modelos matriciais são representações geométricas na forma de grades numéricas, que subdividem o espaço bidimensional em elementos de imagem (pixels) e o espaço tridimensional em elementos de volume (voxels). Os dados tridimensionais das propriedades dos solos foram obtidos de maneira discreta, a partir de amostras pontuais medidas em campo, e devem ser interpolados para sua representação contínua no domínio espacial. Estes dados, por sua vez, são de natureza qualitativa e quantitativa. Da natureza qualitativa vem a necessidade de codificação do dado. Os dados qualitativos, oriundos da descrição morfológica, correspondem à identificação dos tipos de horizontes, à espessura de cada horizonte e à respectiva cor no sistema de Munsell. A codificação para representação dos tipos de horizontes foi feita com uma seqüência numérica crescente, da superfície até o último horizonte. Para as cores foi criada uma codificação mnemônica de forma que, ao se consultar o atributo diretamente sobre a imagem, identifica-se, por associação, a designação da cor no sistema de Munsell. Como os dados provenientes das análises laboratoriais são de natureza quantitativa e representam as grandezas medidas das propriedades físicas e químicas dos solos, não houve necessidade de codificação. Das análises físicas foram utilizados os dados das seguintes propriedades: densidade do solo, umidade volumétrica, porosidade total e porosidade macro, água disponível e frações granulométricas (areia, silte e argila). E, das análises químicas, os dados referentes ao pH (CaCl2), matéria orgânica, soma de bases e capacidade de troca catiônica (CTC). Após a organização e codificação dos dados, as informações foram processadas para formar os volumes. Para formação do volume, ou seja, para transformar dados pontuais tridimensionais em dados volumétricos, o programa GRASS GIS disponibiliza dois métodos. No primeiro método é feita a conversão direta dos pontos para as suas respectivas representações tridimensionais por voxels (voxelização). Esse método, porém, fica restrito aos valores dos dados existentes e não gera novos valores por interpolação. O segundo processo realiza a interpolação tridimensional dos dados, com estimativa de valores para toda a área, e gera dados volumétricos distribuídos em grades regulares tridimensionais. Nesse método se tem o rendering completo do volume. Um conjunto de pontos definidos em uma grade regular, de



Ap AB BA Bw/Bi

acordo com Kaufman et al. (1993), contém amostras obtidas em intervalos regularmente espaçados ao longo dos três eixos ortogonais, as quais são armazenadas em uma matriz tridimensional. A interpolação tridimensional dos dados dos solos foi realizada com o algoritmo da spline regularizada com tensão em três dimensões (3D-RST) implementado no programa GRASS GIS. Deste procedimento resultaram os arquivos correspondentes aos dados volumétricos das propriedades dos solos. O termo spline denota qualquer conjunto de polinômios de grau n que são contínuos em até pelo menos a primeira derivada. Existem vários tipos de splines que diferem nas especificações das injunções, ou seja, são definidos pelas injunções nos pontos terminais (inicial e final) de um segmento de curva spline, pelos vetores tangentes nestes pontos e pela continuidade entre os segmentos de curvas adjacentes. A spline regularizada com tensão utiliza funções de interpolação que minimizam a curvatura da superfície com derivadas de n-ordens. A ponderação das derivadas permite determinar as funções de base para o domínio bi e tridimensional. As funções têm derivadas regulares e incorporam um parâmetro de tensão que define a característica da superfície ou volume resultante, ou seja, através desse parâmetro a spline se aproxima ou se distancia dos valores amostrados (MITASOVA e MITAS, 1993). Para visualização dos volumes dos solos, objetivo desta pesquisa, utilizou-se o método do rendering direto de volumes. Para isto, foi necessário exportar os arquivos de dados volumétricos referentes às propriedades dos solos para o programa Vis5D. Este programa realiza o rendering de volumes e possui ferramentas para interagir com estes volumes, o que possibilita extrair isosuperfícies no espaço tridimensional, realizar cortes horizontais e verticais, e visualizar estes cortes utilizando cores e isolinhas. 3 RESULTADOS Com os dados das propriedades físicas, químicas e morfológicas foram geradas representações que mostram a distribuição dos atributos no plano bidimensional, as superfícies de variação destes atributos, isto é, seus padrões sobre superfícies bidimensionais, e a distribuição espacial dos atributos por meio de volumes. Explorando as ferramentas de interação e de manipulação gráfica do programa Vis5D, a informação volumétrica é mostrada de diferentes maneiras e pontos de vista. Os dados provenientes da descrição morfológica são de natureza qualitativa. Por sua vez, os dados das análises físicas e químicas são de natureza quantitativa. A partir dos dados das propriedades morfológicas, além da definição dos limites dos horizontes, foram geradas representações dos diferentes tipos de horizontes e das cores do solo para cada horizonte. Dos resultados das análises físicas foram criadas as visualizações das seguintes propriedades: densidade do solo; umidade volumétrica a 6 kPa, umidade volumétrica a 10 kPa,

umidade volumétrica a 100 kPa e umidade volumétrica a 1500 kPa; porosidade total e porosidade macro; água disponível; e frações granulométricas correspondentes aos percentuais de areia, silte e argila (textura). E, os dados das análises químicas foram utilizados para visualização das seguintes propriedades dos solos: pH, soma de bases, quantidade de matéria orgânica e coeficiente de troca catiônica. Neste trabalho, são apresentadas as visualizações volumétricas dos tipos de horizontes dos solos, quantidade de água disponível e quantidade de matéria orgânica. Como as espessuras dos horizontes são da ordem de centímetros e a área de estudo é da ordem de milhares de metros quadrados, a representação da variação vertical das propriedades dos solos foi realizada com um exagero de escala de cem vezes. 3.1 Horizontes dos solos A representação usual dos horizontes dos solos é feita através de cortes verticais. Com a visualização volumétrica, é possível incorporar na representação a característica tridimensional da feição. Por meio de interação e manipulação gráfica do volume, pode-se visualizar em detalhe pontos específicos de interesse, sob diferentes ângulos, e obter a informação desejada utilizando várias formas de visualização. A diferenciação entre os tipos de horizontes foi feita utilizando a variável visual tom de cor, adequada à representação cartográfica de diferenças qualitativas. A Figura 4 mostra a visualização volumétrica dos horizontes dos solos para toda a área de estudo e um corte vertical do volume.

HORIZONTES

Figura 4 – Horizontes do solo.



Para perceber as transições verticais e laterais da ocorrência dos diferentes tipos de horizontes de maneira contínua, deve-se interagir com o volume. Na Figura 5, são apresentados cortes verticais no volume, em diferentes direções, para visualização detalhada da informação. Nesta figura, a isosuperfície representa o limite inferior do horizonte Bw/Bi, as cores apresentadas nos cortes diferenciam os tipos de horizontes e as isolinhas coincidem com os limites dos horizontes. Aplicou-se, também, 25% de transparência nas cores dos cortes verticais. Em detalhe, o rendering de volume do corte vertical mostra a distribuição espacial dos horizontes de maneira contínua.

Figura 5 – Cortes no volume para visualização dos horizontes do solo. 3.2 Água disponível A Figura 6 mostra o padrão de distribuição da quantidade de água disponível para cada ponto dentro do solo até um metro de profundidade. Na Figura 7, podem-se visualizar os lugares de maior quantidade de água disponível no corpo do solo, a partir de diferentes pontos de vista. A mudança do ponto de vista permite conhecer a distribuição espacial destas ocorrências em todas as direções dentro do volume. Comparando as figuras 7-a com 7-c e d, observa-se na figura 7-a a distribuição horizontal do atributo e, nas figuras 7-c e d, vê-se sua distribuição vertical.

Figura 6 – Água disponível no solo (cm3/cm3).

(a) vista superior

(b) vista superior (“clipping”)

(c) vista em perspectiva na direção S-N

(d) vista em perspectiva na direção E-W

Figura 7 – Ocorrência de maior quantidade de água disponível no solo (0,080 a 0,097 cm3/cm3).



3.3 Matéria orgânica A matéria orgânica é uma partícula primária do solo que influencia na variação da cor do solo. Pode-se perceber a degradação do solo quando há diminuição na quantidade de matéria orgânica. A Figura 8 apresenta a distribuição espacial da quantidade de matéria orgânica no solo por meio de isosuperfícies. Nesta figura as isosuperfícies, representadas por diferentes cores, mostram as quantidades de 18 g/kg, 22 g/kg e 32 g/kg de matéria orgânica no solo. Através desta figura pode-se visualizar que a matéria orgânica se deposita em maior quantidade nas camadas mais superficiais.

22 g/kg 32 g/kg 18 g/kg

(a) vista superior

(b) vista na direção S-N

Figura 8 – Quantidade de matéria orgânica no solo (g/kg).

4 CONCLUSÕES É importante ressaltar que o trabalho realizado na área de representação e visualização volumétrica de dados espaciais conduziu a soluções que consistem em uma nova maneira de visualizar o fenômeno, incorporando a terceira dimensão na cartografia de solos. A visualização tridimensional das propriedades morfológicas, físicas e químicas dos solos permite reconhecer a distribuição espacial dos atributos através de volumes. A exploração das ferramentas de interação auxilia no exame detalhado de características específicas destas propriedades. A eficiência dos resultados, no entanto, depende da ação integrada dos especialistas nas áreas de visualização cartográfica e de solos. Os resultados obtidos nessa pesquisa confirmam a hipótese inicial de que a representação e visualização volumétrica dos solos, e de qualquer fenômeno caracterizado por ser tridimensional e contínuo, é de grande valia. Constitui-se, portanto, em uma ferramenta de apoio à avaliação dos solos, aumentando o potencial de utilização dos dados disponíveis. A representação e visualização de volumes trazem uma série de benefícios que atendem diversas áreas do conhecimento. Os resultados obtidos para as representações volumétricas são uma nova forma de visualizar os fenômenos e se constituem em uma fonte de novos conhecimentos para o seu estudo. REFERÊNCIAS EARNSHAW, R. A.; WISEMAN, N. An introductory guide to scientific visualization. Alemanha: Spring-Verlag, 1992. 156 p. FUJISHIRO, I. et al. Volumetric data exploration using interval volume. 144 IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, v. 2, n. 2, p. 144-155, 1996. KAUFMAN, A. E. et al. Volume graphics. Computer, IEEE Computer Society Press. Los Alamitos, CA, USA, v. 26, n.7, p. 51-64, 1993. MITASOVA, H.; MITAS, L. Interpolation by regularized spline with tension: I. Theory and implementation. Mathematical Geology, vol. 25, p. 641-655, 1993. NETELER, M. Volume modeling of soils using GRASS GIS 3D-tools. In: Second Italian GRASS Users Meeting, 2001, Trento. Proceedings. PAIVA, A. C. et al. Introdução à visualização volumétrica. PUC-RioInf.MCC03/99. Rio de Janeiro, 1999. 106 p. SWANSON, J. The three dimensional visualization & analysis of geographic data. 1996. Disponível em: <http://maps.unomaha.edu/Peterson/gis/Final_Projects/ 1996/Swanson/GIS_Paper.html>. Acesso: 17 Ago 2002.

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