[Application of artificial neural networks to determine the spatial distribution of soil moisture in a small watershed. Preliminary studies] | Aplicación de redes neuronales artificiales para determinar la distribución espacial de la humedad del suelo en una pequeña cuenca de drenaje. Estudios preliminares

English. Spatial distribution of soil moisture has been traditionally determined using classical techniques such as interpolation or geostatistics whose predictions are usually based on neighbour points with known values. In this preliminary study, we consider that near-surface soil water content in semiarid catchments may be a function of topography (horizontal and vertical curvature and topographic wetness index) and vegetation. Unlike traditional interpolation techniques, this method is not based on neighbour points to forecast the unknown but it takes into account those local factors which should explain soil moisture. Thus, this method takes into account those factors which break the principle of spatial continuity such as changes in vegetation coverage or in land use. Although none of these factors is able to explain spatial variations of soil moisture by itself, multivariate non-linear techniques such as artificial neural networks can improve the predictions. The aim of this paper is to demonstrate the possibility of making good predictions of soil moisture distribution, to study its spatial pattern and to assess the influence of each variable using a limited number of sample points. This is done by using feedforward artificial neural networks with a backpropagation learning algorithm using topographical variables derived from a digital elevation model (DEM) and aerial photography. Once the network is trained, its accuracy was evaluated by a bootstrap method and a saliency analysis was performed in order to assess the relative importance of each variable in the explanation of the process. The study has been developed using a 5 m resolution DEM and 79 moisture measurements of the near-surface soil layer with TDR in a small watershed. The wetness conditions in the catchment were high (winter).

Spanish; Castilian. La distribución espacial de la humedad superficial del suelo se ha determinado tradicionalmente mediante técnicas de interpolación o mediante métodos geoestadísticos a partir de valores de humedad medidos puntualmente. Los valores interpolados son casi siempre función exclusiva de los valores vecinos conocidos. En el método propuesto, se considera que el contenido de humedad del suelo en cuencas semiáridas es en gran medida explicado por factores topográficos locales tales como curvaturas horizontales y verticales, factores topográficos de entorno más amplio tales como el índice topográfico ln(a/tan(b) (Beven y Kirkby, 1979) y por la vegetación. De esta manera, y a diferencia de las interpolaciones clásicas, se tienen en cuenta factores que alteran el principio de autocorrelación espacial tales como cambios bruscos en la cubierta vegetal debidos a cambios en los usos del suelo. Ninguno de los factores anteriormente mencionados es por si solo capaz de explicar la variación espacial de la humedad del suelo de manera satisfactoria, sin embargo si pueden hacerlo parcialmente de forma combinada. Se ha podido ver en este estudio preliminar que la interrelación entre estos factores es de una forma compleja que no se ajustan correctamente a modelos lineales de regresión múltiple. Nuestra propuesta trata de demostrar mediante este estudio preliminar que es posible realizar una predicción razonable de la distribución espacial de la humedad edáfica superficial, estudiar sus patrones espaciales y contrastar la importancia de cada variable a partir de un número limitado de mediciones mediante el uso de redes neuronales artificiales multicapa de tipo feedforward con aprendizaje mediante mecanismos de retropropagación del error utilizando principalmente variables derivadas de un modelo digital de elevaciones (MDE) y de fotografía aérea. Una vez entrenada y usada la red, se ha evaluado el error mediante un método bootstrap y se ha realizado un análisis de importancia (saliency analysis) de las variables utilizadas. Este estudio ha usado el MDE con una resolución planimétrica de 5 metros y 79 medidas de humedad realizadas con TDR en una pequeña cuenca experimental de dehesa en Extremadura con condiciones de humedad altas (invierno).