Name: Lintégration de la télédétection avec des espèces distribution modèles; Cartographie Tamaris Invasions Utilisation du logiciel pour Assisted Habitat Modeling (SAHM) (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 26 s
Description: Découvrez la modélisation de distribution d'espèces avec SAHM et données satellitaires Landsat pour cartographier les invasions de tamarisk. Cette méthode computationnelle valide les prédictions par données de terrain pour une gestion écologique efficace.

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Les auteurs tiennent à remercier l’U.S. Geological Survey, le Natural Resource Ecology Laboratory de l’Université d’État du Colorado, le Colorado State Forest Service et la Tamarisk Coalition pour le soutien logistique, les données, l’utilisation des installations et l’expertise. De plus, nous remercions Shelly Simmons, Lane Carter, John Moore et Chandra Reed pour leurs contributions à ce travail. Thomas J. Stohlgren a été partiellement soutenu par le Bioenergy Alliance Network of the Rockies (BANR), LE PROGRAMME DE SURVEILLANCE ET DE RECHERCHE UV-B de l’USDA et l’USDA CSREES/NRI 2008-35615-04666. Toute utilisation de noms commerciaux, de produits ou d’entreprises est uniquement à des fins descriptives et n’implique pas l’approbation du gouvernement américain.

1. Collecte des données de terrain <ol><li> Derive données de terrain pour tamaris à partir d&#39; un ensemble de données vecteur polygone recueilli par la Coalition Tamaris dans une enquête à l&#39; échelle de l&#39; État en 2005 et 2006 17. NOTE: Les données ont été obtenues grâce à une enquête de terrain intensive, où les techniciens de terrain mappés tous les tamaris se le long de la rivière Arkansas en utilisant des systèmes de positionnement global (GPS) et des photographies aériennes. </li><li> Au sein de ces polygones, de générer 499 points aléatoires ( par exemple, présences) pour former les modèles. Placez deux ensembles de contraintes sur les points aléatoires: (1) chaque point est nécessaire pour être&gt; 30 m de toute arête de polygone pour assurer qu&#39;il est dans le tamaris se tenir à une résolution Landsat 5 TM; et (2) chaque point doit être ≥ 60 m de tout point voisin, afin d&#39;assurer une distribution solide à travers le site d&#39;étude et de minimiser l&#39;autocorrélation spatiale. </li><li> Compiler les données de terrain dans un fichier MS Excel en trois colonnes avec les titres étiquetés &quot;réponse&quot;, &quot;X&quot; et &quot;Y&quot;, où les valeurs de réponse sont (1) la présence, UTM abscisse pour X, et UTM northing pour Y. Enregistrez ce fichier au format .csv pour une utilisation dans SAHM (module FieldData). </li><li> Générer un 100 points aléatoires supplémentaires dans les polygones de tamaris du Tamaris Coalition et 100 autres points aléatoires en dehors des polygones en tant que données d&#39;essais indépendants pour évaluer les résultats du modèle. Enregistrez ce fichier au format .csv pour une utilisation dans SAHM (module FieldData). </li></ol> 2. Les variables prédictives <ol><li> Télécharger des images Landsat 5 surface réflectance L4-5 TM (Chemin 32, Rangée 34) de Global Visualization Viewer / EarthExplorer de l&#39;US Geological Survey (http://earthexplorer.usgs.gov/). Les scènes incluent la mesure échantillonnée par la Coalition du Colorado Tamaris en 2005 et 2006 17. Pour déterminer les mois utilisés pour les modèles, sélectionnez des scènes qui sont en grande partie sans nuage (ie, &lt;10% de la couverture nuageuse) et representative mois d&#39;avoir pensé à distinguer tamaris phénologie; ceux-ci ont été Octobre 2004, Avril 2005, mai 2005, Juin 2005, Juillet 2005, Septembre 2005, Avril 2006, mai 2006, Juin 2006, Juillet 2006, Août 2006 Septembre 2006 et Novembre 2006. </li><li> Télécharger le Télédétection Indices Dérivation outil de https://github.com/rander38/Remote-Sensing-Indices-Derivation-Tool. </li><li> Exécutez le script Python dans l&#39;outil, soit GDAL ou une version ArcPy; GDAL est recommandé. </li><li> Sélectionnez le capteur approprié de satellite, les indices souhaités, et définir le fichier d&#39;image d&#39;entrée et le dossier de sortie où les fichiers seront stockés (figure 1). Nous avons exporté les bandes individuelles et utilisé la luminosité NDVI, SAVI et Tasseled Cap, verdeur, et les indices de mouillure provenant de chacune des scènes Landsat TM. Notez que tous les indices peuvent être modifiés ou ajoutés en modifiant le fichier Sensors_Formulas_RSIDT.ini. </li></ol><img alt="Figure 1"src = &quot;/ files / ftp_upload / 54578 / 54578fig1.jpg&quot; /&gt; Figure 1. Télédétection Indices Dérivation outil GUI. <ol start="5"><li> Exécutez l&#39;outil et vérifier les fichiers de sortie visuellement dans ArcMap v. 10.0 (ESRI, Redlands, CA) ou un autre système d&#39;information géographique logiciel. </li></ol> 3. Logiciels pour Assisted Habitat Modeling (SAHM) (Figure 2) <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54578/54578fig2.jpg" /> Figure 2. L&#39;ensemble du flux de travail SAHM comprend des données d&#39; entrée, le prétraitement, l&#39; analyse préliminaire du modèle et de la décision, les modèles corrélatifs, et les routines de sortie. <ol><li> Pour exécuter SAHM, premiers fichiers de téléchargement (y compris VisTrails) à partir du site US Geological Survey à https://my.usgs.gov/catalog/RAM/SAHM. Reportez-vous au Guide de l&#39;utilisateur sur le même site pour obtenir des instructions détaillées sur le téléchargement et l&#39;installation de SAHM. Notez que le site dispose également d&#39;un Tutoria SAHMl et des données pour obtenir des instructions supplémentaires. </li><li> Pour développer les modèles de distribution d&#39;espèces de tamaris, utilisez le fichier SAHM_tutorial_2.0.vt qui vient avec le téléchargement du package (dans le dossier exemples SAHM). Dans la vue de l&#39; historique, sélectionnez le flux de travail des emplacements indépendants. Les autres exemples de flux de travail peuvent être sélectionnés et dépendent des objectifs de l&#39;étude; descriptions sont fournies avec chaque. Sélectionnez Pipeline. </li><li> Définissez le dossier de sortie, en allant à Packages puis SAHM&gt; Modifier session dossier. Tout au long du processus de développement de flux de travail, des descriptions détaillées de chaque étape et les options peuvent être trouvées en sélectionnant l&#39;onglet Documentation situé sur le côté droit de l&#39;écran de visualisation SAHM. Tous les modules listés dans les méthodes suivantes peuvent être trouvées sur le côté gauche de la fenêtre SAHM sous l&#39;onglet SAHM. </li><li> Ensuite, SAHM directe aux données de terrain qui serautilisé pour former les modèles de distribution des espèces. <ol><li> Cliquez sur le module TemplateLayer. Parcourir à la trame qui sera utilisé en tant que masque, et de définir la projection, la taille des cellules et l&#39;étendue des analyses. </li><li> Cliquez sur le module FieldData dans le côté gauche du flux de travail. Parcourir .csv (ie, training.csv) Fichier de données de terrain (points de présence ou de points de présence et d&#39; absence) dans le module de données sur le terrain. </li><li> Cliquez sur le module PredictorListFile et accédez à la liste des fichiers .csv (par exemple, un fichier contenant le chemin d&#39; accès complet à tous les prédicteurs à utiliser dans la modélisation se référer à l&#39; utilisateur guide). </li></ol></li><li> Ensuite, effectuer des étapes de prétraitement. <ol><li> Cliquez sur le module FieldDataQuery et remplir la colonne de réponse avec en- tête de colonne pour la réponse (ie, les noms de colonnes dans la FieldData.csv), les colonnes X et Y. </li><li> Cliquez sur le module MDSBuilder. Réglez le backgroundPointField à 10.000. NOTE: Si vous utilisez la présence et les données d&#39;absence pour les espèces en cours de modélisation, on n&#39;a pas besoin de changer le backgroundPointField; vous devez inclure ces endroits avec une réponse (0) dans le data.csv Champ. Elle est facultative pour définir un backgroundProbSurf si vous voulez limiter fond sélection de points dans une zone en pointant sur une surface raster avec des valeurs allant de 0 à 100 (ces valeurs représentent la probabilité qu&#39;un point aléatoire sera retenu devrait - il tomber dans un notamment la cellule). Pour cette étude, utiliser un backgroundProbSurf avec des valeurs de 100 dans un tampon de 5000 m de la rivière Arkansas et 0 pour les zones en dehors de ce tampon (sur la base de la superficie totale échantillonnée par la coalition de tamaris). </li></ol></li><li> Ensuite, spécifiez les algorithmes de modélisation de la distribution des espèces à utiliser. <ol><li> Notez que le BoostedRegressionTree, GLM, MARS, et Ramodules ndomForest sont déjà en place dans le flux de travail des emplacements indépendants. Ajouter le module MAXENT au flux de travail pour tester tous les cinq modèles. Connectez - le au module CovariateCorrelationAndSelection. REMARQUE: Commencez avec les paramètres par défaut pour tous les modèles; ceux-ci peuvent être modifiés en fonction des objectifs de l&#39;étude (voir la documentation de modèle pour plus de détails). </li><li> Ajouter un module de ModelOutputViewer et le connecter au module de MAXENT; changer la colonne 5 et ligne à 1. Le ModelOutputViewer produit une feuille de calcul qui peut être utilisé pour les comparaisons de résultats du modèle. </li><li> Cliquez sur le module OutputName et tapez un nom de sous - dossier. </li></ol></li><li> Ensuite, ajoutez un module qui crée un ensemble de sorties de modèles. Ce module produit deux cartes de sortie; une avec la probabilité continue moyenne de toutes les sorties comprises et une seconde avec le décompte du nombre de modèles avec un bac positifprobabilité ary. <ol><li> Ajouter un module EnsembleBuilder au workflow. Il est facultatif de fixer un seuil métrique; pour cette étude, choisissez l&#39;ASC et de laisser de la valeur seuil à la valeur par défaut de 0,75. Cela permettra d&#39;assurer que seuls les modèles avec une valeur AUC supérieure ou égale à 0,75 sont inclus dans la carte des sorties ensemble. Branchez le BoostedRegressionTree, GLM, MARS, forêt d&#39;arbres décisionnels, et des modules de Maxent au EnsembleBuilder. </li></ol></li><li> Ensuite, diriger les modèles aux données de tests indépendants. <ol><li> Cliquez sur l&#39;autre module FieldData (côté droit du workflow) et recherchez le fichier .csv qui contient des données de validation du modèle. Ce sont les points 200 de présence et d&#39;absence générés à l&#39;étape 1.4 du Protocole. </li><li> Cliquez sur le module FieldDataQuery et assurez - vous que la réponse, x et y colonnes correspondent aux colonnes in les données de terrain .csv. </li><li> Ajouter un module ApplyModel et le connecter au module de MAXENT. Ajouter un module de ModelOutputViewer et le connecter à ce module ApplyModel; changer la colonne 5 et la ligne à 1. Dans le menu, sélectionnez Packages -&gt; SAHM -&gt; Mode de traitement Change. Puisque vous voulez exécuter plus d&#39;un modèle, certains modèles seul séquentiellement (n - 1 noyaux chacun). Cela permettra d&#39;accélérer le temps d&#39;exécution des modèles en tirant profit des noyaux multiples d&#39;ordinateur. </li></ol></li><li> Ensuite, exécuter les modèles de distribution des espèces. <ol><li> Enregistrez le fichier .vt puis cliquez sur Exécuter. </li><li> Lorsque le widget CovariateCorrelationAndSelection (figure 3) apparaît, de-sélectionner l&#39; une de chaque paire de variables corrélées où le coefficient de corrélation est | r | ≥ 0,7 (basé sur% Déviance expliquée d&#39;un général univariée<html> ized modèle additif vu dans sur le côté gauche de ce widget (Figure 3) et des décisions écologiques éclairées; dans cette étude la priorité à la sélection d&#39;au moins un covariable pour chaque mois pour capturer la variation phénologique de tamaris). Le nombre de parcelles dans la fenêtre de visualisation peut être modifié en tapant dans un certain nombre (la valeur par défaut est 8) et en cliquant sur Mettre à jour. </li><li> Après la finalisation sélection covariable, sélectionnez OK en bas du widget CovariateCorrelationAndSelection (Figure 3). Pour cette étude, les 9 variables suivantes ont été retenues: July_30_2006_Brightness, June_09_2005_SAVI, Sept_16_2006_SAVI, May_24_2005_B4, Oct_28_2004_NDVI, April_22_2005_Brightness, April_09_2006_SAVI, Aug_31_2006_B4 et Nov_19_2006_SAVI. Les modèles de distribution d&#39;espèces exécutera après avoir sélectionné OK. </li></ol></li></ol>jpg &quot;/&gt; Figure 3. corrélation Covariable et la sélection d&#39; interface SAHM. <ol start="10"><li> sortie des résultats. NOTE: Après les modèles sont terminés, une feuille de calcul VisTrails apparaît pour la comparaison des modèles (Figure 4) <ol><li> Comparer les parcelles AUC, sorties de texte, des courbes de réponse, étalonnage, matrice de confusion, les résidus et les courbes de réponse à travers les modèles. NOTE: La sortie de modèles SAHM comprennent un CovariateCorrelationOutputMDS, matrice de confusion, parcelle résiduelle, courbe d&#39;étalonnage, terrain d&#39;évaluation du modèle, terrain importance variable, une dossier courbes de réponse, un dossier de sortie élargi, bin carte, désordre carte, carte MoD, carte prob, résiduelle carte, et une sortie.txt; voir le Guide de l&#39;utilisateur SAHM pour une description plus détaillée. </li></ol></li></ol><img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54578/54578fig4.jpg" /> Figure 4. VisTrails des feuilles de calcul peuvent être utilisés pour évaluer la sortie modèle. C&#39;estla comparaison du modèle AUC pour les données de formation; de gauche à droite, les modèles sont BRT, GLM, MARS, RF et Maxent, respectivement.

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<li>Marmion, M., Parviainen, M., Luoto, M., Heikkinen, R. K., Thuiller, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+consensus+methods+in+predictive+species+distribution+modelling%5BTitle%5D)+AND+%22Diversity+and+Distributions%22%5BJournal%5D)">Evaluation of consensus methods in predictive species distribution modelling.</a> Diversity and Distributions. 15, 59-69 (2009).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents ou de conflit d’intérêts.

Nos résultats démontrent BRT ferrure, RF, MARS, GLM et Maxent avec des points de présence pour tamaris et une série temporelle des données d&#39;imagerie par satellite Landsat télédétection peut distinguer tamaris sur le paysage et est une alternative efficace aux méthodes traditionnelles de classification unique scène. Il ressort de nos résultats que Juin est un moment particulièrement important pour détecter tamaris au sein de notre zone d&#39;étude; cela concorde avec Evangelista et al. 2009 1 qui indiquait Juin Wetness était le facteur prédictif le plus important pour les tamaris occurrence dans ce domaine sur la base d&#39; un ajustement du modèle Maxent avec une série chronologique des images Landsat. Les autres indices et bandes spectrales qui ont été inclus dans le BRT, RF, MARS, et les modèles Maxent peuvent en outre distinguer tamaris du substrat du sol, d&#39; autres arbres à feuilles caduques , y compris le peuplier (Populus spp.) Et le saule (Salix spp.), Ou l&#39; agriculture irriguée qui est commun dans la partie inférieurebassin de la rivière Arkansas. D&#39;autres couches SIG, telles que la topographie, les types de sol, ou les données climatiques pourraient également être considérés comme des covariables et inclus dans ces modèles, mais nous recommandons de garder ces à un minimum si l&#39;objectif est de détecter la distribution des espèces en cours sur le paysage plutôt que de prédire le potentiel occurrence ou habitat convenable. Les modèles testés pour notre recherche fourni une capacité analytique solide et de multiples options pour l&#39;évaluation des résultats. Ayant tous ces modèles corrélatifs dans un cadre unique, comme SAHM, permet la formalisation et l&#39;enregistrement traitable du processus de modélisation. Pré et post-traitement des variables de réponse et prédictives sont normalisés en SAHM, ce qui permet une meilleure et efficace des comparaisons de modèles, tandis que les flux de travail enregistrent chaque étape des analyses facilitant la modification, l&#39;itération et la réplication. Ensemble cartographie vise à combiner les points forts de plusieurs modèles corrélatifs, tout en minimisant le poidsAIBLESSE d&#39;un modèle quelconque 30. Nous croyons que ce fut le cas dans notre étude; cependant, nous mettons en garde que les modèles qui sous - performent (ie, sous-prédire ou surestimer) peuvent affaiblir les résultats globaux. L&#39;utilisation limitée de cartographie ensemble dans la littérature a eu des résultats favorables, mais la plupart de ces approches ont tenté de «prédire» la présence des espèces plutôt que de «détecter». En outre, la cartographie d&#39;ensemble permet une évaluation visuelle de l&#39;incertitude parmi les différentes méthodes de modélisation, l&#39;identification des niveaux de modèle d&#39;accord. Le plus souvent , il est le choix de la méthode de modélisation (par exemple, GLM contre BRT) qui a un impact plus grand quantifiable sur les résultats du modèle plutôt que d&#39; autres décisions dans le processus de modélisation tels que l&#39; emplacement incertitude des données 31. Bien que nous croyons que notre meilleure carte de tamaris est l&#39; endroit où tous les cinq modèles sont en accord, des tests supplémentaires et l&#39; utilisation de différentes méthodes de cartographie ensemble est recommandée (par exemple, pondérée par l&#39; ASC) 32 &lt;/ Sup&gt;, et mieux validés par des observations de terrain indépendants. En résumé, ces méthodes peuvent être facilement adaptés pour modéliser la distribution d&#39;autres espèces en utilisant des variables environnementales dérivées pour une région d&#39;étude donnée dans SAHM.

Les écosystèmes riverains et des zones humides à travers le sud - ouest des États-Unis sont menacés par l&#39;invasion de tamaris (Tamarix spp.), Un arbuste ligneuse non natif introduit d&#39;Eurasie dans les années 1800 1. Tamaris possède de nombreux mécanismes physiologiques qui permettent le genre d&#39;exploiter les ressources en eau, hors-compétition des espèces indigènes, et de modifier l&#39; écosystème traite 1-2. distributions Cartographie de tamaris pour évaluer les impacts environnementaux et la formulation de stratégies de contrôle efficaces sont des priorités pour les gestionnaires des ressources. Bien que les enquêtes au sol restent régulièrement utilisés, ils ne sont pas pratiques pour les très grandes surfaces en raison des coûts associés du travail, le temps et la logistique. La télédétection par satellite a joué un rôle important, mais limité, rôle dans la détection et la cartographie des infestations de tamaris. Classification conventionnelle des analyses et des logiciels de télédétection ont eu un succès marginal 3-5. Plusieurs études récentesont des approches non traditionnelles explorées pour détecter les plantes envahissantes en utilisant la télédétection 1,6 des données. Tamaris, comme beaucoup de plantes envahissantes, présente une variation phénologique tout au long de la saison de croissance qui diffère de la phénologie des espèces riveraines indigènes. Dans certaines régions, par exemple, des tamaris leaf-out avant certaines plantes riveraines indigènes, et tamaris conserve son feuillage plus longtemps que d&#39;autres espèces indigènes. En utilisant des bandes spectrales et indices spectraux dérivés d&#39;une série temporelle des données satellitaires pendant toute la saison de croissance, on peut distinguer tamaris à partir de plantes indigènes sur la base de ces différences phénologiques 1,6. Construire sur les travaux de Evangelista et al. 2009 1, dans cette étude , nous avons incorporé des bandes individuelles 1-7 à partir d&#39; une série chronologique de Landsat 5 Thematic Mapper (TM) l&#39; imagerie par satellite et dérivé normalisé indice de végétation de différence (NDVI), le sol ajusté indice de végétation (SAVI), et le bouchon tasseled transformations de ces bandes. différen Normalizedindice de végétation ce (NDVI) est l&#39; un des indices de spectre les plus couramment utilisés pour l&#39; estimation de la biomasse de la végétation, le couvert forestier, et la surface foliaire indices 8-9 et est une transformation non-linéaire du rapport entre le visible (rouge) et quasi 10 bandes infrarouges. Soil ajusté indice de végétation (SAVI) est un NDVI modifié utilisé pour minimiser les effets de fond du sol sur les indices de végétation 11. transformations de capitalisation Tasseled sont pondérés composites des six bandes Landsat en trois bandes orthogonales qui mesurent la luminosité du sol (cap tasseled, bande 1), la végétation verdeur (cap tasseled, bande 2), et le sol / végétation moiteur (cap tasseled, bande 3) et sont souvent utilisés pour distinguer la composition de la végétation, classe d&#39;âge, et structurer 12-14. Nous avons utilisé les coefficients rapportés dans Crist (1985) 15 pour toutes les transformations de chapeau à pompons. Dans cette étude, nous testons cinq modèles de distribution d&#39;espèces avec un temps-série de bandes spectrales et légumesindices de etation dérivés de Landsat 5 TM à la carte tamaris le long du bas de la rivière Arkansas, dans le sud du Colorado, Etats-Unis. La rivière Arkansas, couvrant 2364 km (1469 mi), est le deuxième plus grand affluent dans le système Missouri-Mississippi. Son bassin versant couvre 435.123 km 2 (168,002 mi 2) avec source dans les montagnes Rocheuses du Colorado. De son origine à 2965 m, l&#39;Arkansas chute considérablement en élévation, nivellement près de Pueblo, CO, et serpentant à travers les terres agricoles et prairies à graminées courtes. La rivière est sujette à des inondations saisonnières et est invoqué pour l&#39;utilisation de l&#39;eau municipale et agricole à Rocky Ford, La Junta, et Lamar, avant de continuer dans le Kansas, l&#39;Oklahoma et l&#39;Arkansas où elle se jette dans le fleuve Mississippi. Tamaris a été observé sur la rivière Arkansas par R. Niedrach en 1913 près de la ville actuelle de Lamar 16. Aujourd&#39;hui, il a été estimé que tamaris couvre plus de 100 km 2 entre Pueblo et l&#39;état du Kansas line, avec un supplément de 60 km 2 le long des affluents de la rivière Arkansas 17. La zone d&#39;étude comprend des canaux d&#39;irrigation, les zones humides, les terres agricoles et les confluences de plusieurs affluents; tous avec des degrés divers de tamaris infestation. Ranching et l&#39;agriculture sont la principale terre utilise à côté des corridors riverains constitués en grande partie de la luzerne, du foin, du maïs et du blé d&#39;hiver. Modèles de distribution d&#39;espèces comptent sur les événements géo-référencées (ie, latitude, longitude) pour identifier les relations entre l&#39;occurrence d&#39;une espèce et son environnement 18. Les données environnementales peuvent inclure la télédétection multiple et d&#39;autres couches spatiales. Les cinq modèles de distribution des espèces testées comprennent les arbres boostés de régression (BRT) 19, les forêts aléatoires (RF) 20, splines de régression multivariée adaptatifs (MARS) 21, un modèle linéaire généralisé (GLM) 22, et Maxent 23. Ces cinq modalgorithmes el sont parmi les plus couramment utilisés pour la modélisation de la répartition des espèces, et un certain nombre d&#39;études ont démontré leur efficacité 24-25. Nous avons utilisé le logiciel pour Assisted Habitat Modeling (SAHM) v. 2.0 modules pour exécuter les cinq modèles, qui sont contenus dans VisTrails V.2.2.2 26 logiciels de visualisation et de traitement. Il y a plusieurs avantages à l&#39;utilisation SAHM pour la modélisation comparative. En plus de la formalisation et l&#39; enregistrement traitable des processus de modélisation, SAHM permet aux utilisateurs de travailler avec plusieurs algorithmes du modèle de distribution d&#39;espèces qui, individuellement, ont des interfaces disparates, des logiciels et des fichiers de mise en 27. SAHM produit cohérentes métriques d&#39;évaluation seuil indépendants et de seuil dépendant d&#39;évaluer la performance du modèle. L&#39; un d&#39;eux est aire sous la courbe caractéristique Receiver Operating (AUC), une mesure indépendante de seuil qui permet d&#39; évaluer la capacité d&#39;un modèle à discriminer la présence du fond 28. Une AUC value de 0,5 ou moins indique les prévisions du modèle ne sont pas mieux ou pire que aléatoire; des valeurs comprises entre 0,5 et 0,70 indiquent la mauvaise performance; et les valeurs croissantes de 0,70 à 1,0 indiquent la performance progressivement plus élevé. Une autre mesure est pour cent correctement classé (PCC), une mesure dépendante de seuil qui pèse sensibilité et la spécificité basée sur un seuil métrique définie par l&#39;utilisateur; sensibilité mesure le pourcentage de présences observées classé comme approprié et la spécificité mesure le pourcentage d&#39;emplacements de fond classés comme impropres. Pourtant , une autre métrique est vrai statistique de Skill (TSS = sensibilité + spécificité - 1), qui met plus de poids sur la sensibilité du modèle que la spécificité, avec des valeurs comprises entre -1 et 1 où les valeurs&gt; 0 indiquent une meilleure performance du modèle que le hasard 29. Pour mapper tamaris en utilisant la sortie du modèle, nous avons construit des classifications binaires en utilisant le seuil qui égalise la sensibilité et la spécificité de définir la presence ou l&#39;absence de tamaris. Ces cartes modèle individuel dérivées ont été ensuite additionnées pour créer une carte d&#39; ensemble 30. Ensemble cartes combinent les prédictions des modèles individuels de distribution d&#39;espèces pour produire une carte classée qui classe la convention collective des modèles testés. Par exemple, une valeur de la cellule ensemble d&#39;un indique qu&#39;un seul modèle classé cette cellule comme un habitat convenable, alors qu&#39;une valeur de cinq indique que tous les cinq modèles classés la cellule comme un habitat convenable. Un avantage de cette approche est que les cartes d&#39;ensemble donnent une erreur moyenne inférieure à un modèle individuel. Il permet également aux utilisateurs de comparer visuellement la performance de chaque modèle testé. Notre objectif global était de fournir une description détaillée de ces méthodes qui peuvent être adaptées pour modéliser la répartition actuelle des espèces dans le paysage.

<table><tbody><tr><td>Earth Explorer</td><td>USGS</td><td>http://earthexplorer.usgs.gov</td><td>Libre accès : Oui</td></tr><tr><td>Outil de dérivation des indices de télédétection</td><td>github</td><td>https://github.com/rander38/Remote-Sensing-Indices-Derivation-Tool</td><td>Libre accès : Oui</td></tr><tr><td>Logiciel de modélisation assistée de l’habitat</td><td>USGS</td><td>https://my.usgs.gov/catalog/RAM/SAHM</td><td>Libre accès : Oui</td></tr><tr><td>ArcGIS v.10.3&nbsp ;</td><td>Esri</td><td>https://www.arcgis.com/features/</td> <td>Accès ouvert : Non</td></tr></tbody></table>

l&#39;intégration de la télédétection avec des espèces distribution modèles; cartographie tamaris invasions utilisation du logiciel pour assisted habitat modeling (sahm)

Integrating Remote Sensing with Species Distribution Models; Mapping Tamarisk Invasions Using the Software for Assisted Habitat Modeling (SAHM)

La détection précoce des espèces végétales envahissantes est vital pour la gestion des ressources naturelles et la protection des processus écosystémiques. L&#39;utilisation de la détection par satellite à distance pour cartographier la distribution des plantes envahissantes est de plus en plus fréquent, les méthodes de logiciels d&#39;imagerie et de classification mais classiques se sont avérés ne pas être fiables. Dans cette étude, nous testons et évaluons l&#39;utilisation de cinq espèces techniques du modèle de distribution ajustement satellite avec les données de télédétection pour cartographier tamaris invasive (Tamarix spp.) Le long de la rivière Arkansas dans le sud du Colorado. Les modèles testés comprenaient stimulé les arbres de régression (BRT), Forêt aléatoire (RF), splines de régression multivariée adaptatifs (MARS), modèle linéaire généralisé (GLM), et Maxent. Ces analyses ont été effectuées en utilisant un logiciel nouvellement développé appelé le Logiciel pour Assisted Habitat Modeling (SAHM). Tous les modèles ont été formés avec 499 points de présence, 10.000 points pseudo-absence, et les variables prédictives ACQUIRED du capteur Landsat 5 Thematic Mapper (TM) sur une période de huit mois pour distinguer tamaris de la végétation riveraine native utilisant la détection des différences phénologiques. Des scènes Landsat, nous avons utilisé des bandes individuelles et calculées indice de végétation normalisé (NDVI), Sol-Ajusté Indice de Végétation (SAVI), et les transformations plafonnés Tasseled. Les cinq modèles identifiés distribution de tamaris actuelle sur le paysage basé avec succès sur le seuil indépendant et paramètres d&#39;évaluation dépendant de seuil avec les données de localisation indépendantes. Pour tenir compte des différences spécifiques au modèle, nous avons produit un ensemble de cinq modèles avec carte de sortie mettant en évidence les points d&#39;accord et les zones d&#39;incertitude. Nos résultats démontrent l&#39;utilité des modèles de répartition des espèces dans l&#39;analyse des données de télédétection et l&#39;utilité de la cartographie ensemble, et de présenter la capacité de SAHM en pré-traitement et l&#39;exécution de plusieurs modèles complexes.

<html> Des évaluations statistiques de BRT, RF, MARS, GLM et Maxent sur la base du jeu de données de test indépendant indiqué tous les cinq modèles relativement bien dans la détection de tamaris; il y avait peu de différence entre seuils métriques indépendantes et d&#39;évaluation dépend de seuil entre les modèles. Les valeurs d&#39; AUC étaient&gt; 0,88, pour cent des valeurs correctement classées étaient&gt; 77%, sensibilités et spécificités étaient&gt; 0,77 et TSS étaient&gt; 0,54 (tableau 1). Un ensemble de sorties de modèles binaires a révélé beaucoup d&#39; accord dans les zones le long de la rivière Arkansas (figure 5). Le MESS (surface de similitude environnementale multivariée) carte des sorties pour chaque modèle indiqué l&#39;environnement disponible de la zone d&#39;étude a été bien échantillonnée (Figure 6), augmentant encore notre confiance dans l&#39;approche d&#39; ensemble. moyens &quot;&gt; <tbody><tr><td> Modèle </td><td> ASC </td><td> PCC </td><td> Sensibilité </td><td> Spécificité </td><td> TSS </td></tr><tr><td> BRT </td><td> 0,91 </td><td> 85 </td><td> 0,85 </td><td> 0,85 </td><td> 0,70 </td></tr><tr><td> RF </td><td> 0,92 </td><td> 85 </td><td> 0,85 </td><td> 0,85 </td><td> 0,70 </td></tr><tr><td> MARS </td><td> 0.90 </td><td> 82 </td><td> 0,82 </td><td> 0,82 </td><td> 0,64 </td></tr><tr><td> GLM </td><td> 0,88 </td><td> 77 </td><td> 0,77 </td><td> 0,77 </td><td> 0,54 </td></tr><tr><td> Maxent </td><td> 0,92 </td><td> 84 </td><td> 0.83 </td><td> 0,84 </td><td> 0,67 </td></tr></tbody></table> Tableau 1. Seuil indépendant (AUC) et dépendant seuil (PCC, Sensibilité, Spécificité et TSS) Les paramètres d&#39;évaluation pour BRT, RF, MARS, GLM, et les modèles Maxent correspondent à un test indépendant<html> ensemble de données de la présence de tamaris et de l&#39;absence. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54578/54578fig5.jpg" /> Figure 5. Résultats Ensemble combinant BRT, GLM, MARS, RF, et des cartes de sortie binaires Maxent dans ArcGIS. Les zones sont colorées par nombre de modèles d&#39;accord, de 0 (pas de couleur) à 5 (rouge). Notez la zone colorée dans le coin nord-ouest de la prédiction; cette ligne est un artefact de l&#39;imagerie Landsat; donc les résultats du modèle devraient être prises avec prudence dans cette région. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54578/54578fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54578/54578fig6.jpg" /> Figure 6. multivariée surface de similitude environnementale (MESS) sortie.target = &quot;_ blank&quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Sur les neuf prédicteurs utilisés, le 30 Juin 2006 Luminosité était la variable la plus importante pour tous les cinq modèles (tableau 2). Ce fut la seule variable retenue par GLM sur la base progressive critère d&#39;information Akaike (AIC, ce qui est la valeur par défaut pour la sélection du modèle GLM dans SAHM), mais il est important de noter que ce modèle comprend également un terme au carré de cette variable. RF et Maxent conservent toutes les variables par défaut. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Predictor </td><td> BRT </td><td> RF </td><td> MARS </td><td> GLM </td><td> Maxent </td></tr><tr><td> 30 juillet 2006 Luminosité </td><td> 41.60 </td><td> 34.11 </td><td> 76.78 </td><td> 100 </td><td> 67.27 </td></tr><tr><td> 31 août 2006 Band 4 </td><td> 6.35 </td><td> 5.87 </td><td> 5.16 </td><td> 0 </td><td> 2.82 </td></tr><tr><td> 9 juin 2005 SAVI </td><td> 13,67 </td><td> 14.09 </td><td> 9.14 </td><td> 0 </td><td> 9,75 </td></tr><tr><td> 22 avril 2005 Luminosité </td><td> 6,29 </td><td> 6.30 </td><td> 0 </td><td> 0 </td><td> 0,43 </td></tr><tr><td> 28 octobre 2004 NDVI </td><td> 5,66 </td><td> 8.25 </td><td> 0 </td><td> 0 </td><td> 2.94 </td></tr></tbody></table> Tableau 2. Importance relative des prédicteurs dans chaque modèle.

Nous démontrons l’utilité des données de télédétection et du nouveau logiciel de modélisation assistée de l’habitat (SAHM) pour prédire la présence d’espèces envahissantes dans le paysage. Un ensemble de modèles prédictifs a produit des cartes très précises de l’invasion de tamaris (Tamarix spp.) dans le sud-est du Colorado, aux États-Unis, lorsqu’ils ont été évalués à l’aide de validations ultérieures sur le terrain.

L&#39;intégration de la télédétection avec des espèces distribution modèles; Cartographie Tamaris Invasions Utilisation du logiciel pour Assisted Habitat Modeling (SAHM)

Early detection of invasive plant species is vital for the management of natural resources and protection of ecosystem processes. The use of satellite ...

La détection des espèces végétales invasives est essentielle pour la gestion des ressources naturelles et la protection des écosystèmes. Dans cette étude, nous démontrons l'utilité des données télédétectées, dans le logiciel nouvellement développé Software for Assisted Habitat Modeling, pour prédire la présence d'espèces envahissantes au niveau du paysage. Bonjour, je suis Tom Stohlgren, scientifique principal au Natural Resource Ecology Lab de l'Université d'État du Colorado.Ceci est du tamaris. Originaire d’Afrique du Sud, d’Asie, d’Europe et de certaines régions du Moyen-Orient, il n’est pas originaire de cette région. Autrement dit, ce n’est pas une espèce indigène du sud-ouest des États-Unis, ni des environs de LaJuna, dans le Colorado, où nous nous trouvons aujourd’hui.Le tamaris est inhabituel, car c'est une plante phréatophyte facultative, ce qui signifie qu'il peut vivre loin d'un ruisseau ou juste en bordure d'un ruisseau. Il possède une racine pivot qui peut descendre à plus de 30 mètres de profondeur. Imaginez donc que vous fassiez 30 pas à partir d'ici : c'est à cette distance que cette racine pivot peut s'enfoncer.Ainsi, il peut supporter les conditions de sécheresse un peu mieux que certaines espèces indigènes de la région. Sans le tamaris, il y aurait beaucoup plus d'espace disponible pour les espèces indigènes, qui attirent les papillons et pollinisateurs indigènes, comme nous le voyons ici, sur le chrysome. Ici, nous avons les buissons de tamaris, en compétition directe avec la végétation indigène.Dans ce cas, un peuplier indigène. Derrière moi, nous avons une peuplade très dense, une très vaste peuplade. Peut-être un kilomètre carré entier uniquement composé de tamaris.En perdant ses feuilles ainsi que par ses branches mortes ou en train de mourir, cela constitue un véritable risque d'incendie. De l'autre côté de la rue, nous avons du Salix, un saule, qui est très vert et humide, et beaucoup moins sujet aux incendies que le tamaris de ce côté-ci. Nous nous trouvons sur un site où le tamaris envahit des terres pastorales.Or, cela est important car cela réduit effectivement la superficie de pâturage dont ces vaches peuvent disposer. Le tamarix, comme de nombreuses plantes envahissantes, présente une variation phénologique tout au long de la saison de croissance, différente de la phénologie des espèces riveraines indigènes. Dans certaines régions, par exemple, le débourrement du tamarix se produit avant celui de certaines plantes riveraines indigènes, et le tamarix conserve son feuillage plus longtemps que d'autres espèces indigènes.En utilisant une série temporelle de données satellitaires couvrant toute la saison de croissance, nous pouvons exploiter ces différences phénologiques pour aider à distinguer le tamaris des plantes indigènes. Les satellites Landsat tournent autour de la Terre depuis 1972 et constituent une source d'images idéale pour détecter la répartition du tamaris ainsi que la phénologie au niveau du paysage. Doté d'une résolution spatiale de 30 mètres et d'une résolution temporelle de 16 jours, Landsat est un programme conjoint de la NASA et du USGS.Nos objectifs dans cette étude étaient de tester et d'évaluer cinq modèles différents de répartition des espèces dans le logiciel Software for Assisted Habitat Modeling, en utilisant des images Landsat 5 et des points de présence de tamaris, obtenus lors d'une campagne de cartographie de terrain intensive menée par la Tamarisk Coalition le long de la rivière Arkansas, dans le Colorado. Et de créer une carte précise de la répartition du tamaris dans la zone d'étude, basée sur les sorties des modèles. Ce diagramme conceptuel présente un aperçu de notre méthodologie dans cette étude.Les données de terrain pour le tamarix ont été obtenues à partir d'un jeu de données vectorielles en polygones, recueillies par la Tamarisk Coalition en 2005 et 2006. Les données du capteur Thematic Mapper du satellite Landsat 5 ont été acquises via Earth Explorer, pour les années correspondant aux données de terrain sur le tamarix. Au moins une image pour chaque mois de la saison de croissance a été recueillie.À l'aide de l'outil de dérivation des indices de télédétection, nous avons calculé des indices spectraux à partir des images Landsat afin de distinguer la signature spectrale du tamarix par rapport aux autres espèces présentes sur le paysage. Ces indices, ainsi que les données de terrain sur le tamarix, ont été utilisés comme entrées dans cinq modèles de distribution d'espèces intégrés au logiciel de modélisation assistée des habitats. Les sorties des modèles ont été validées à l'aide d'un jeu de données indépendant, et une approche ensembliste a été employée pour produire des cartes de distribution d'espèces du tamarix dans la zone d'étude.Pour cartographier une vaste peuplade de tamaris, je partirai d'un point de départ, le plus proche du buisson situé en limite de la zone, puis je continuerai à choisir mes positions tout autour de la parcelle, comme suit. Telle fut la méthodologie employée par la Coalition du Tamaris pour recueillir les coordonnées xy du tamaris. À l'aide d'un GPS, sélectionnez Marquer, puis faites défiler vers le haut pour nommer le point.Vous verrez la latitude et la longitude du point à l'écran. Sélectionnez Terminé une fois terminé. Nous avons téléchargé des scènes du capteur Thematic Mapper du satellite Landsat 5 depuis earthexplorer.usgs.gov.Si vous possédez déjà un compte, connectez-vous. Sinon, inscrivez-vous pour créer un compte afin de télécharger les données. Saisissez d'abord le chemin et la rangée de la scène Landsat, qui englobe la zone d'étude.Nous avons utilisé le trajet 32, rangée 34. Sélectionnez la plage de dates correspondant aux scènes que vous recherchez. Nous avons choisi d'avril 2005 à novembre 2006, période pendant laquelle les données sur le tamaris ont été collectées.Ensuite, sélectionnez Jeux de données et faites défiler jusqu'à l'archive Landsat. Sélectionnez le produit de réflectance de surface Landsat. Faites défiler vers le bas et sélectionnez Critères supplémentaires.Sélectionnez « Moins de 10 % de couverture nuageuse » pour garantir des images de la meilleure qualité possible. Lorsque vous sélectionnez Résultats, une liste de scènes Landsat disponibles s'affiche pour téléchargement. Pour calculer des indices à partir des images satellitales Landsat, nous avons téléchargé l'outil de dérivation des indices de télédétection depuis github.com.Nous avons exécuté le script Python, sélectionné le capteur satellite approprié, les indices souhaités, puis défini le fichier image d'entrée dans le dossier de sortie où les fichiers seront stockés. Dans notre étude, nous avons exporté les bandes individuelles et utilisé les indices NDVI, SAVI, ainsi que les indices de brillance, de verdure et d'humidité du chapeau à glands. Pour élaborer les modèles de distribution des espèces de tamaris, nous avons utilisé le logiciel SAHM intégré au programme VisTrails.Pour notre étude, nous avons ouvert le fichier VT SAMH tutoriel 2.0, fourni avec le téléchargement du package, et sélectionné l'exemple de flux de travail « Emplacements indépendants » dans la vue Historique de ce tutoriel. D'autres exemples sont également disponibles dans ce tutoriel. Nous sommes ensuite passés à la vue Pipeline pour configurer les modèles.Tout d'abord, nous avons sélectionné les Packages pour modifier le dossier de session. Ensuite, nous avons sélectionné le module de couche modèle et accédé à la couche modèle, qui définirait la projection, la taille des cellules et l'étendue de l'étude. Puis, nous avons sélectionné le module de données de terrain et ouvert le fichier CSV contenant les coordonnées xy des tamarisques, qui avaient été collectées.Ensuite, nous avons sélectionné le fichier de liste de prédicteurs et navigué jusqu'au fichier CSV contenant notre liste de prédicteurs pour cette étude. Puis, nous avons sélectionné la requête de données de terrain afin de définir la colonne de réponse, la colonne x et la colonne y dans notre fichier CSV de données de terrain. Ensuite, nous avons sélectionné le module de construction MDS et défini notre nombre de points de fond comme étant 10 000.Une option de surface de probabilité de fond est également disponible à cet endroit. Nous avons utilisé une surface de probabilité de fond avec des valeurs de 100, dans un tampon de 5 000 mètres autour de la rivière Arkansas, et de 0, pour les zones situées en dehors de ce tampon. Ceci était basé sur les zones échantillonnées par la Tamerisk Coalition dans notre étude.Ensuite, nous avons ajouté le module Maxent à notre flux de travail et l'avons connecté au module de corrélation et de sélection des covariables. Les modules d'arbre de régression renforcé, de modèle linéaire généralisé, de splines de régression adaptative multivariée et de forêt aléatoire étaient déjà présents dans le flux de travail. Ensuite, nous avons ajouté un module d'affichage des résultats du modèle au flux de travail et modifié la colonne et la ligne pour qu'elles correspondent aux autres modules.Ensuite, nous avons sélectionné un nom de sortie unique comme nom de sous-dossier au sein du flux de travail. Ensuite, nous avons ajouté un module de construction d'ensemble (Ensemble Builder Module) au flux de travail et l'avons connecté aux cinq modèles. Nous avons défini notre métrique de seuil et la valeur de seuil pour l'ensemble.Cela peut être modifié en fonction des objectifs de l'étude. Ensuite, nous nous sommes dirigés vers un fichier CSV contenant notre jeu de données indépendant de test sur le tamaris. Une fois encore, avec le module de requête de données de terrain sélectionné, nous définissons les colonnes de réponse, x et y dans le fichier indépendant.Nous avons ajouté un module Appliquer le modèle au flux de travail, puis l’avons connecté au module Générateur MDS pour le jeu de données indépendant et au module Maxent. Nous avons également ajouté un autre visualiseur de résultats du modèle et l’avons relié au module Évaluer le modèle, en modifiant la colonne et la ligne pour qu’elles correspondent aux autres modèles. Ensuite, nous avons sélectionné les packages afin de modifier le mode de traitement pour une exécution séquentielle du modèle unique, permettant ainsi l’utilisation de plusieurs cœurs durant l’exécution du modèle.Le premier écran affiché est un visualiseur de corrélation des covariables, qui indique la corrélation entre deux variables quelconques. Nos objectifs d'étude étaient fondés sur l'élimination des variables fortement corrélées, c'est-à-dire ayant une corrélation supérieure à 0,7, selon un modèle additif généralisé. Nous avons utilisé le pourcentage de déviance expliquée pour chaque variable afin de décider quelle variable conserver, dans le cas où deux variables étaient fortement corrélées.Lorsque nous avons pris une décision sur le nombre de covariables à conserver, nous avons sélectionné OK. Une fois les modèles terminés, un tableur VisTrail apparaîtra. Ce tableur peut être utilisé pour comparer les résultats des modèles, y compris les courbes AUC, les sorties textuelles, les courbes de réponse, les courbes d'étalonnage, les matrices de confusion et les courbes des résidus. Pour nos résultats, il y avait très peu de différence entre les cinq modèles, selon les métriques d'évaluation indépendantes du seuil et dépendantes du seuil.Sur la base de ces métriques, et après avoir comparé les surfaces de probabilité produites par chaque modèle, nous avons décidé qu'un ensemble composé des cinq modèles constituait une approche appropriée pour ces données. La cartographie d'ensemble vise à combiner les forces de plusieurs méthodes corrélatives, tout en minimisant les faiblesses de chaque modèle. Toutefois, nous soulignons que les modèles dont la performance est faible peuvent affaiblir l'ensemble des résultats.Nos résultats montrent qu'il est possible de distinguer le tamarix sur le paysage en ajustant des modèles tels que l'arbre de régression renforcé, le modèle linéaire généralisé, les splines de régression adaptative multivariée, la forêt aléatoire et Maxent, à l'aide de points de présence du tamarix et d'une série temporelle d'images satellitaires Landsat obtenues par télédétection, offrant ainsi une alternative efficace aux méthodes traditionnelles de classification basées sur une seule image. Les cartes produites à partir de ces modèles constitueront un outil de gestion important pour les efforts ciblés de contrôle du tamarix dans la zone d'étude.

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Lintégration de la télédétection avec des espèces distribution modèles; Cartographie Tamaris Invasions Utilisation du logiciel pour Assisted Habitat Modeling (SAHM) (Vidéo) | JoVE Journal

L'intégration de la télédétection avec des espèces distribution modèles; Cartographie Tamaris Invasions Utilisation du logiciel pour Assisted Habitat Modeling (SAHM)

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