class: title-slide, midle, center background-image: url(img/hex-OpenLand.png), url(img/bg/curvy-line-jumping-colourful-cubes1.jpg) background-position: 50% 50%, 75% 75% background-size: 15%, cover # OpenLand<br> ### Uma ferramenta livre para análise quantitativa de mudanças de uso e cobertura da terra (UCT)<br><br><br><br><br><br><br><br> **Café Ecológico &#9749;** Réginal Exavier 14/05/2021 --- class: inverse, center, middle # Contextualização <br> Historia do OpenLand --- # Contextualização Aumento das taxas de mudança do uso e cobertura da terra (UCT) -- Sustentação e compreensão dos processos de mudanças/transição de UCT * Passados e em andamento * Desenvolvimento de modelos -- Processamento e análise de series espaço temporais de UCT * Disponibilidade crescente de dados UCT provenientes de sensoriamento remoto * Trabalho manual extenso para análise de conjuntos de grande volume -- Métodos para quantificação de mudanças de UCT * Formas de análise e visualização espaciais e não espaciais * Análise de Intensidade -- Ferramentas livres e de código aberto na análise e modelagem de mudanças de UCT --- # Análise de Intensidade <p align="justify"> Ela consiste em cálculos sobre as matrizes de transições e permite medir e avaliar a intensidade das mudanças ocorridas na área de estudo em três níveis: <i>(i)</i> intervalo de tempo, <i>(ii)</i> categoria ou classe e <i>(iii)</i> transição. Ela compara a intensidade da mudança entre as categorias durante dois ou mais intervalos de tempo, comparando a mesma com uma intensidade uniforme da mudança hipotética (ALDWAIK; PONTIUS, 2012).</p> -- <center><img src="img/tabela_equacao.jpg" width="900px"/></center> --- # Análise de Intensidade <u>Nível de intervalo:</u> Em quais intervalos de tempo a taxa de variação anual global é relativamente lenta versus rápida? -- * Intensidade de variação anual para um dado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} S_t = \frac{área\ mudada\ no\ interválo\ \left[Y_{t}, Y_{t+1}\right]}{duração\ do\ interválo \left[Y_{t}, Y_{t+1}\right] * (área\ de\ estudo)} \times 100\% \\ = \frac{\sum_{j=1}^{J} \left[( \sum_{i=1}^{J} C_{tij}) - C_{tjj} \right]}{(Y_{t+1} - Y_{t})\left(\sum_{j=1}^{J} \sum_{i=1}^{J} C_{tij}\right)} \times 100\% \end{equation}$$` -- * Intensidade uniforme: `$$\begin{equation} U = \frac{área\ mudada\ em\ todos\ os\ intervalos\ \left[Y_{t}, Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ todos\ os\ interválos \left[Y_{t}, Y_{t+1}\right]) * (área\ de\ estudo)} \times 100\% \\ = \frac{\sum_{t=1}^{T-1} \left\{(Y_{t+1} - Y_t) \sum_{j=1}^{J} \left[\left(\sum_{i=1}^{J} C_{tij}\right) - C_{tjj} \right]\right\}}{(Y_{T} - Y_{1}) \sum_{t=1}^{T-1} \left[(Y_{t+1} - Y_t) \left(\sum_{j=1}^{J} \sum_{i=1}^{J} C_{tij}\right) \right]} \times 100\% \end{equation}$$` --- # Análise de Intensidade <u>Nível de categoria:</u> Dada a resposta à pergunta 1, quais categorias são relativamente dormentes versus ativas em um dado intervalo de tempo, e esse padrão é estável em todos os intervalos de tempo? -- * Intensidade anual do ganho bruto de uma categoria `\(j\)` em um determinado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} G_{tj} = \frac{ganho\ bruto\ da\ classe\ j\ durante\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right] ) * (área\ da\ categoria\ j\ no\ tempo\ Y_{t+1})}\times 100\% \\ = \frac{\left[\left( \sum_{i=1}^{J} C_{tij} \right) - C_{tjj} \right] / (Y_{t+1} - Y_t)}{\sum_{i=1}^{J} C_{tij}} \times 100\% \end{equation}$$` -- * Intensidade anual da perda bruta de uma categoria `\(i\)` em um dado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} L_{ti} = \frac{perda\ bruta\ da\ classe\ i\ durante\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right] ) * (área\ da\ categoria\ i\ no\ tempo\ Y_{t}} \times 100\% \\ = \frac{\left[\left( \sum_{j=1}^{J} C_{tij} \right) - C_{tii} \right] / (Y_{t+1} - Y_t)}{\sum_{j=1}^{J} C_{tij}} \times 100\% \end{equation}$$` --- # Análise de Intensidade <u>Nível de transição:</u> Dadas as respostas às perguntas 1 e 2, quais transições são intensamente evitadas versus direcionadas por uma determinada categoria em um determinado intervalo de tempo, e esse padrão é estável ao longo de intervalos de tempo? -- * Intensidade anual de transição de uma categoria `\(i\)` para uma categoria `\(n\)` em um dado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} R_{tin} = \frac{área\ de\ transição\ da\ classe\ i\ para\ n\ durante\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right] ) * (área\ da\ classe\ i\ no\ tempo\ Y_{t})} \times 100\% \\ = \frac{C_{tin} / (Y_{t+1} - Y_t)}{\sum_{j=1}^{J} C_{tij}} \times 100\% \end{equation}$$` -- * Intensidade uniforme de transição de todas as categorias não- `\(n\)` para uma categoria `\(n\)` em um dado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} W_{tn} = \frac{ganho\ bruto\ da\ classe\ n\ durante\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right] ) * (área\ que\ não\ é\ da\ classe\ n\ no\ tempo\ Y_{t})} \times 100\% \\ =\frac{\left[\left( \sum_{i=1}^{J} C_{tin} \right) - C_{tnn} \right] / (Y_{t+1} - Y_t)}{\sum_{j=1}^{J} \left[\left( \sum_{i=1}^{J} C_{tij} \right) - C_{tnj} \right]} \times 100\% \end{equation}$$` --- # Análise de Intensidade <u>Nível de transição:</u> Dadas as respostas às perguntas 1 e 2, quais transições são intensamente evitadas versus direcionadas por uma determinada categoria em um determinado intervalo de tempo, e esse padrão é estável ao longo de intervalos de tempo? -- * Intensidade anual de transição de uma categoria `\(m\)` para uma categoria `\(j\)` em um dado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} Q_{tmj} = \frac{área\ de\ transição\ da\ classe\ m\ para\ j\ durante\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right] ) * (área\ da\ classe\ j\ no\ tempo\ Y_{t+1})} \times 100\% \\ = \frac{C_{tmj} / (Y_{t+1} - Y_t)}{\sum_{i=1}^{J} C_{tij}} \times 100\% \end{equation}$$` -- * Intensidade uniforme de transição de todas as categorias não- `\(m\)` para uma categoria `\(m\)` em um determinado intervalo de tempo: `$$\begin{equation} V_{tm}= \frac{perda\ bruta\ da\ classe\ m\ durante\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right]}{(duração\ de\ \left[Y_{t},\ Y_{t+1}\right] ) * (área\ que\ não\ é\ da\ classe\ m\ no\ tempo\ Y_{t+1})} \times 100\% \\ = \frac{\left[\left( \sum_{j=1}^{J} C_{tmj} \right) - C_{tmm} \right] / (Y_{t+1} - Y_t)}{\sum_{i=1}^{J} \left[\left( \sum_{j=1}^{J} C_{tij} \right) - C_{tim} \right]} \times 100\% \end{equation}$$` --- # Exemplo de uma série de UCT .panelset[ .panel[.panel-name[Raster 5x5 pixels] .center[<img src="img/rasters_series_sample.png" style="width:40%;height:40%;"/>]] .panel[.panel-name[Matriz com posição 𝑖 e 𝑗] .middle[<img src="img/serie_matrix.png" style="width:100%;height:100%;"/>] ] ] --- class: inverse, middle background-image: url(img/logo_OpenLand.png) background-size: 200px background-position: 5% 55% .right-column[OpenLand é um pacote R de código aberto para a análise de séries temporais de uso e cobertura da terra (UCT). Ele inclui suporte para verificação de consistência e carregamento de dados raster espaço-temporais e plotagem espacial sintetizada. - Versões publicadas<br> no CRAN: * `1.0.0 :` 23/03/2020 * `1.0.1 :` 19/04/2020] --- # Visão geral e conceitual do OpenLand <center><img src="img/fluxograma.png" style="width:78%;height:78%;"/></center> --- # OpenLand (página online) <iframe src="https://reginalexavier.github.io/OpenLand/index.html" width="100%" height="550px"></iframe> --- background-image: url(img/tabela_de_contingencia.png) background-size: 900px background-position: 50% 50% # Tabela de contingencia Essa é a estrutura padrão adotada para as tabelas de contingencias dentro do OpenLand --- #Estudo de caso .panelset[ .panel[.panel-name[Bacia do Rio São Lourenço - MT] A funcionalidade do pacote OpenLand é demonstrada usando um conjunto de dados de UCT da bacia do rio São Lourenço (MT), que é um dos principais afluentes do Pantanal setentrional. Os dados usados são provenientes da 4ª edição do Monitoramento de Mudanças na Cobertura e Uso da Terra na Bacia do Alto Paraguai - porção brasileira - Período de Revisão: 2012 a 2014 [(INSTITUTO SOS PANTANAL; WWF-BRASIL, 2015)](https://www.embrapa.br/documents/1354999/1529097/BAP+-+Mapeamento+da+Bacia+do+Alto+Paraguai+-+estudo+completo/e66e3afb-2334-4511-96a0-af5642a56283) e a série temporal é composta por cinco rasters de UCT: 2002, 2008, 2010, 2012 e 2014. <br> A área de estudo está localizada no bioma Cerrado, na porção sudeste do estado de Mato Grosso e abrange aproximadamente 22.400 km2. Durante o período de 12 anos de avaliação ocorreram mudanças de UCT em cerca de 12% da sua área, incluindo desmatamento e intensificação dos usos agrícolas existentes. ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Classes de UCT da bacia] .center[<img src="img/tabela_classes_uct.png" style="width:95%;height:95%;"/>] <small> [(INSTITUTO SOS PANTANAL; WWF-BRASIL, 2015)](https://www.embrapa.br/pantanal/bacia-do-alto-paraguai) </small> ] <!--end of panel--> ] <!--end of panelset--> --- # Tabela de contingencia _(OpenLand)_ <table> <thead> <tr> <th style="text-align:left;"> Period </th> <th style="text-align:right;"> From </th> <th style="text-align:right;"> To </th> <th style="text-align:right;"> km2 </th> <th style="text-align:right;"> QtPixel </th> <th style="text-align:right;"> Interval </th> <th style="text-align:right;"> yearFrom </th> <th style="text-align:right;"> yearTo </th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 6542.9649 </td> <td style="text-align:right;"> 7269961 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 10 </td> <td style="text-align:right;"> 1.5624 </td> <td style="text-align:right;"> 1736 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 11 </td> <td style="text-align:right;"> 55.1880 </td> <td style="text-align:right;"> 61320 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 12 </td> <td style="text-align:right;"> 23.9481 </td> <td style="text-align:right;"> 26609 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 37.4841 </td> <td style="text-align:right;"> 41649 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 2133.1710 </td> <td style="text-align:right;"> 2370190 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 7 </td> <td style="text-align:right;"> 155.4462 </td> <td style="text-align:right;"> 172718 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 11 </td> <td style="text-align:right;"> 7.4763 </td> <td style="text-align:right;"> 8307 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 12 </td> <td style="text-align:right;"> 0.3555 </td> <td style="text-align:right;"> 395 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 3 </td> <td style="text-align:right;"> 13 </td> <td style="text-align:right;"> 0.0810 </td> <td style="text-align:right;"> 90 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 4 </td> <td style="text-align:right;"> 2 </td> <td style="text-align:right;"> 65.8350 </td> <td style="text-align:right;"> 73150 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> <tr> <td style="text-align:left;"> 2002-2008 </td> <td style="text-align:right;"> 4 </td> <td style="text-align:right;"> 4 </td> <td style="text-align:right;"> 1547.0847 </td> <td style="text-align:right;"> 1718983 </td> <td style="text-align:right;"> 6 </td> <td style="text-align:right;"> 2002 </td> <td style="text-align:right;"> 2008 </td> </tr> </tbody> </table> --- # Mudanças ao longo do tempo da análise .panelset[ .panel[.panel-name[Evolução] .center[<img src="img/barplotLand.png" style="width:70%;height:70%px;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Mudanças brutas e liquídas] .center[<img src="img/net_gross.png" style="width:70%;height:70%px;"/>] ] <!--end of panel--> ] <!--end of panelset--> --- # Análise de Intensidade .panelset[ .panel[.panel-name[Nivel de Intervalo] .center[<img src="img/interval_lvl.png" style="width:68%;height:68%¨;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Nivel de Categoria] <br> .pull-left[<img src="img/category_lvlGain.png" style="width:95%;height:95%px;"/>] .pull-right[<img src="img/category_lvlLoss.png" style="width:95%;height:95%px;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Nivel de Transição] <br> .pull-left[<img src="img/transition_lvlGain_n.png" style="width:95%;height:95%px;"/>] .pull-right[<img src="img/transition_lvlLoss_m.png" style="width:95%;height:95%px;"/>] ] <!--end of panel--> ] <!--end of panelset--> --- # Diagramas de transição .panelset[ .panel[.panel-name[Chord Diagram] .center[<img src="img/chordDiagram.png" style="width:57%;height:57%;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Sankey one-step] .center[<img src="img/sankey_mono.png" style="width:500px;height:495px;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Sankey multi-step] .center[<img src="img/sankey_multi.png" style="width:500px;height:495px;"/>] ] <!--end of panel--> ] <!--end of panelset--> --- # Mapas das mudanças .panelset[ .panel[.panel-name[Acumuladas] .center[<img src="img/acc_mymap.png" style="width:50%;height:50%px;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Ganhos de áreas] .center[<img src="img/gain_map.png" style="width:50%;height:50%px;"/>] ] <!--end of panel--> .panel[.panel-name[Perdas de áreas] .center[<img src="img/loss_map.png" style="width:50%;height:50%px;"/>] ] <!--end of panel--> ] <!--end of panelset--> --- # Performance <center><img src="img/performance.png" style="width:70%;height:70%;"/></center> 20 conjuntos | 10 camadas de rasters | 500 iterações por conjuntos | 10.000 permutações testadas | O tempo de processamento na função `contingencyTable()` possui relação positiva linear com as duas variáveis alteradas. --- # Referências ALDWAIK, S. Z.; PONTIUS, R. G. Intensity analysis to unify measurements of size and stationarity of land changes by interval, category, and transition. Landscape and Urban Planning, v. 106, n. 1, p. 103–114, 2012. https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2012.02.010. EMBRAPA PANTANAL; INSTITUTO SOS PANTANAL; WWF-BRASIL. Mapeamento da Bacia do Alto Paraguai. Disponível em: https://www.embrapa.br/pantanal/bacia-do-alto-paraguai. Acesso em: 22 ago. 2020. EMBRAPA PANTANAL; INSTITUTO SOS PANTANAL; WWF-BRASIL. 2015. Monitoramento das alterações da cobertura vegetal e uso do Solo na Bacia do Alto Paraguai – Porção Brasileira – Período de Análise: 2012 a 2014. 4th ed. Brasilia. https://www.embrapa.br/documents/1354999/1529097/BAP+-+Mapeamento+da+Bacia+do+Alto+Paraguai+-+estudo+completo/e66e3afb-2334-4511-96a0-af5642a56283. EXAVIER, R.; ZEILHOFER, P. CRAN - Package OpenLand: Quantitative Analysis and Visualization of LUCC, 2020. https://cran.r-project.org/package=OpenLand. EXAVIER, R.; ZEILHOFER, P. OpenLand: Software for Quantitative Analysis and Visualization of Land Use and Cover Change. The R Journal, v. 12, n. 2, p. 359–371, 2021. https://journal.r-project.org/archive/2021/RJ-2021-021/index.html --- class: clear, center, middle <br><br><br> ## <center>Réginal Exavier</center> ✉️ [reginalexavier@rocketmail.com](reginalexavier@usp.com.br) <br> GitHub: [@reginalexavier](https://github.com/reginalexavier) <br> ## <center>Obrigado!</center> <br> Slides criados via pacote [xaringan](https://github.com/yihui/xaringan) e tema baseada em [Alison Presmanes Hill](https://alison.rbind.io/)