Advanced image processing methods as a tool to map and quantify different types of biological soil crust

Rodríguez‐Caballero, Emilio; Escribano, Paula; Cantón, Yolanda

doi:10.1016/j.isprsjprs.2014.02.002

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“…Por lo tanto, para poder conocer realmente el papel que ejercen las CBS sobre los diferentes procesos clave del ecosistema, y por lo tanto su importancia en el funcionamiento de las zonas áridas y semiáridas, es imprescindible analizar cada uno de estos procesos a escalas más generales, y estudiar, no sólo su repuesta individual, sino sus interacciones con los otros componentes del paisaje (Cortina et al, 2010;Kidron, 2014). Sin embargo, para poder realizar este paso, es imprescindible conocer su distribución espacial de forma continua y detallada Rodríguez-Caballero et al, 2014).…”

Section: Introductionunclassified

“…Como consecuencia del importante rol que se atribuye a las comunidades de CBS y a su distribución espacial dentro del ecosistema, se han realizado numerosos estudios sobre su respuesta espectral y la posibilidad de usar imágenes adquiridas mediante sensores remotos para su cartografía (Graetz y Gentle, 1982;Jacobberger, 1989;O'Neil, 1994;Rollin et al, 1994;Karnieli y Tsoar, 1995;Pinker y Karnieli, 1995;Karneli y Sarafis, 1996;Tsoar y Karneili, 1996;Karnieli, 1997;Karnieli et al,1999;Chen et al, 2005;Weber et al, 2008;Chamizo et al, 2012c;Karnieli et al, 2014;Rodríguez-Caballero et al, 2014). Los resultados presentados en estos trabajos demuestran que la información espectral obtenida mediante sensores remotos es una herramienta muy útil para identificar y cartografiar áreas cubiertas por CBS (Karnieli et al, 1997;Chen et al, 2005;Weber et al, 2008;Karnieli y Rozenstein, 2014), e incluso para cuantificar su cobertura dentro de cada píxel (Rodríguez-Caballero et al, 2014).…”

Section: Introductionunclassified

“…Los resultados presentados en estos trabajos demuestran que la información espectral obtenida mediante sensores remotos es una herramienta muy útil para identificar y cartografiar áreas cubiertas por CBS (Karnieli et al, 1997;Chen et al, 2005;Weber et al, 2008;Karnieli y Rozenstein, 2014), e incluso para cuantificar su cobertura dentro de cada píxel (Rodríguez-Caballero et al, 2014). Además, estos trabajos han permitido el desarrollo de diferentes índices capaces de discriminar las zonas dominadas por estos organismos de otras superficies típicas de los ambientes áridos y semiáridos como el suelo desnudo o la vegetación seca (Karnieli, 1997;Chen et al, 2005;Weber et al, 2008;Chamizo et al, 2012c).…”

Section: Introductionunclassified

“…Aunque ambos índices utilizaban imágenes multiespectrales LANDSAT TM para discriminar áreas cubiertas por CBS, el primero de ellos fue ideado para identificar áreas cubiertas por cianobacterias, a partir de su elevada reflectancia en la región del azul, como consecuencia de la presencia de ficobilina (Karnieli y Sarafis, 1996), mientras que el BSCI utiliza la pendiente de la curva de reflectancia entre la región del verde y del rojo para diferenciar líquenes de otros componentes del paisaje, como vegetación seca o arenas (Chen et al, 2005). Sin embargo, estos índices han dado resultados poco satisfactorios en áreas complejas (Weber et al, 2008), debido entre otras causas a la similitud espectral entre los diferentes componentes de las regiones áridas y semiáridas (Weber et al, 2008;Escribano et al, 2010) y a la gran heterogeneidad espacial característica de las zonas áridas y semiáridas (Rodríguez-Caballero et al, 2014). Los índices desarrollados a partir de información hiperespectral, como el Continuum Removal Crust Identification Algorithm (CRCIA) (Weber et al, 2008) y el Índice Desarrollado por Chamizo et al (2012c) (Crust Development Index, CDI), por el contrario, han demostrado una mayor capacidad para discriminar las zonas cubiertas por CBS de otras cubiertas típicas de ambientes áridos y semiáridos (Weber et al, 2008).…”

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“…Estos índices están desarrollados sobre áreas con baja heterogeneidad espacial, sin embargo, lo mayoría de ecosistemas áridos y semiáridos donde abundan las CBS se caracterizan por una alta heterogeneidad espacial en la cubierta del suelo. En estas zonas, con frecuencia, vamos a encontrar píxeles ocupados por diferentes cubiertas, que van a enmascarar la respuesta espectral de las CBS, impidiendo su identificación y cartografía (Rodríguez-Caballero et al, 2014). Por lo tanto, es crucial evaluar cómo se comportan estos índices en las condiciones alta heterogeneidad en las cubiertas típicas de ecosistemas semiáridos.…”

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Evaluación de los diferentes índices para cartografiar biocostras a partir de información espectral

et al. 2014

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Resumen: Las biocostras o costras biológicas del suelo (CBS) son comunidades formadas por la asociación de partí-culas de suelo con microorganismos como cianobacterias, algas, hongos, líquenes, hepáticas o briófitos, que viven en la superficie del suelo. Estas comunidades bióticas cubren las áreas desprovistas de vegetación en los ecosistemas áridos y semiáridos, modificando las propiedades del suelo e influyendo en numerosos procesos clave para el funcionamiento de los ecosistemas. Aunque representan una porción insignificante del perfil del suelo, las CBS regulan el intercambio de gases, agua y nutrientes desde y hacia el suelo, por lo que desempeñan un papel fundamental en los ecosistemas en los que aparecen. Debido al importante papel que ejercen las CBS en los ecosistemas donde aparecen y a su fragilidad frente a las acciones antrópicas, es necesario conocer de forma precisa su distribución espacial. Para ello, recientemente, se han desarrollado varios índices que permiten cartografiarlas a partir de imágenes obtenidas de sensores remotos. Este trabajo tiene por objetivo evaluar los diferentes índices desarrollados para cartografiar CBS, aplicándolos a una zona distinta para las que han sido desarrolladas. Los diferentes índices se evaluarán a dos escalas espaciales diferentes, parcela y ecosistema. A ambas escalas se analizará la fiabilidad de cada uno de los índices para la cartografía de CBS y su capacidad de diferenciar entre diferentes tipos, así como las principales cubiertas presentes en los sistemas áridos y semiáridos. La gran heterogeneidad espacial de la zona y la similitud espectral entre las CBS y la vegetación seca dificultan la correcta cartografía de ecosistemas en los que las CBS son una componente importante utilizando información multiespectral. Sin embargo, los índices basados en información hiperespectral y alta resolución espacial constituyen una herramienta sólida para cartografiar CBS proporcionando una fiabilidad de 71%.Palabras clave: costras biológicas del suelo, hiperespectral, semiárido, teledetección, radiometría, índices espectrales. evaluation of the different spectral indices to map biocrust using spectral informationAbstract: Biological soil crusts (BSC) are complex communities formed by a close association of soil particles and cyanobacteria, algae, microfungi, lichens or bryophytes that live within or immediately on top of the uppermost millimeters of the soil surface. These communities cover non vegetated areas in most of the arid and semiarid ecosystems, and modify numerous soil surface properties and ecosystem processes. Given the importance of BSC in ecosystem functioning, accurate and spatially explicit information on the distribution of BSC is mandatory. With this objective, considerable effort has been devoted to identify and map BSC using remote sensing data, and some spectral indices have been developed. These indexes use the spectral differences among BSC and other surface components like vegetation or bare soil to identify the areas dominated by BSC. Our main o...

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Evaluación de los diferentes índices para cartografiar biocostras a partir de información espectral

et al. 2014

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Biocrusts positively affect the soil water balance in semiarid ecosystems

et al. 2016

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Biocrusts play crucial roles in hydrological processes by controlling soil water availability and regulating water redistribution from source to sink areas. Most studies have examined the influence of biocrusts on isolated components of the soil water balance, but few have addressed this matter from an integrated point of view, involving their influence on all components together. Such integration is crucial to elucidate the overall effects of biocrusts on the soil water balance. The aim of this study was to review the role of biocrusts in the soil water balance, by examining their influence on infiltration, evaporation and soil moisture at plot scale, in two contrasting ecosystems of SE Spain. Our results show that biocrust infiltration was higher in flat soils with sandy loam texture than in steep soils with silty loam texture. The influence of biocrusts on infiltration depended on rainfall intensity. Biocrusts increased infiltration with respect to biocrust-removed soils during low intensity rainfalls but showed similar or even lower infiltration than biocrust-removed soils during high-intensity events. As a result of the increase in infiltration and a decrease in evaporation during wet cold periods, biocrusts increased soil moisture when compared with biocrust-removed soils. However, during warm periods, biocrusts and biocrust-removed soils lost water very quickly, thus resulting in similar water losses and moisture content under both types of surfaces. We conclude that biocrusts increase water input by increasing infiltration and soil moisture, and reduce water output by reducing soil evaporation, thus eventually enhancing the available water to plants. Copyright (C) 2016 John Wiley & Sons, Ltd

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Biocrust landscape‐scale spatial distribution is strongly controlled by terrain attributes: Topographic thresholds for colonization in a semiarid badland system

Rodríguez‐Caballero

Román

Chamizo

et al. 2019

Earth Surf Processes Landf

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Biological soil crust, or biocrust communities, are the dominating life form in many extreme habitats, such as arid and semiarid badlands, where water scarcity and highly erodible substrates limit vegetation cover. While climate, soil and biotic factors have been described as environmental filters influencing biocrust distribution in such biomes, little is known about the effect of terrain attributes on creating specific microhabitats that promote or restrict biocrust colonization. This study aimed to identify the main terrain attributes controlling biocrust distribution in the driest badland system in Europe, the Tabernas Badlands (SE Spain). To do this, we analysed the influence of different terrain attributes related to landscape stability and microclimate formation on the spatial distribution of lichen and cyanobacteria, using field measurements and topographical information from a LiDAR survey. Our results showed that the spatial distribution of cyanobacteria‐dominated biocrusts, which are physiologically and morphologically adapted to extreme drought and high UVA radiation, was mostly associated with areas of high potential incoming solar radiation. The exception was bare south‐aspect hillslopes with very high sediment transport potential, where bare physically crusted soils were the dominant ground cover. Lichen‐dominated biocrusts, in contrast, colonized near the top of north‐aspect hillslopes, characterized by low potential incoming solar radiation and potential evapotranspiration, and their cover decreased downstream, as conditions became good enough for vascular plants. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd.

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Advanced image processing methods as a tool to map and quantify different types of biological soil crust

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Evaluación de los diferentes índices para cartografiar biocostras a partir de información espectral

Evaluación de los diferentes índices para cartografiar biocostras a partir de información espectral

Biocrusts positively affect the soil water balance in semiarid ecosystems

Biocrust landscape‐scale spatial distribution is strongly controlled by terrain attributes: Topographic thresholds for colonization in a semiarid badland system

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