A Protocol for Retrospective Remote Sensing–Based Ecological Monitoring of Rangelands

Abstract

The degree of rangeland degradation in the United States is unknown due to the failure of traditional field-based monitoring to capture the range of variability of ecological indicators and disturbances, including climatic effects and land use practices, at regional to national spatial scales, and temporal scales of decades. Here, a protocol is presented for retrospective monitoring and assessment of rangeland degradation using historical time series of remote sensing data and catastrophe theory as an ecological framework to account for both gradual and rapid changes of state. This protocol 1) justifies the use of time-series satellite imagery in terms of the spatial and temporal scale of data collection; 2) briefly explains how to acquire, process, and transform the data into ecological indicators; 3) discusses the use of time-series analysis as the appropriate procedure for detecting significant change; and 4) explains what reference conditions are appropriate. Landsat data have been collected and archived since 1972, and include complete coverage of US rangelands. Characteristics of land degradation can be retrospectively measured for a nearly 33-year trend using surrogate remote sensing–based indicators that correlate with changes in life-form composition (time series of thematic maps), declines in vegetation productivity (vegetation indices), accelerated soil erosion (soil indices), declines in soil quality (piospheric analysis), and changes in landscape configuration (time series of thematic maps). Aspects of 2 retrospective studies are presented as examples of application of the protocol to considerations of the land use impacts from military training and testing and ranching activities on rangelands. El grado de degradación de los pastizales en los Estados Unidos de América es desconocido debido al fracaso del monitoreo tradicional de campo para capturar el rango de variabilidad de los indicadores ecológicos y disturbios, incluyendo los efectos climáticos y prácticas de uso de la tierra, a escalas espaciales de regional a nacional y escalas temporales de décadas. Consecuentemente, es presentado un protocolo para el monitoreo retrospectivo y la evaluación de la degradación de los pastizales usando series de tiempo históricas de sensores remotos y la teoría de catástrofe como un marco ecológico para cuantificar tanto los cambios graduales como los rápidos del estado del pastizal. Este protocolo: 1) justifica el uso de series de tiempo de imágenes de satélite en términos de escalas espacial y temporal de colección de datos; 2) explica brevemente como adquirir, procesar y transformar los datos en indicadores ecológicos; 3) discute el uso del análisis de series de tiempo como un procedimiento adecuado para detectar cambios significativos; y 4) explica que condiciones de referencia son apropiadas. Datos de Landsat han sido colectados y archivados desde 1972 e incluyen una cobertura completa de los pastizales de Estados Unidos de América. Las características de la degradación de la tierra pueden ser medidas retrospectivamente para una tendencia de casi 33 años usando indicadores de remplazo basados en sensores remotos que se correlacionan con cambios en la composición de las formas de vida (series de tiempo de mapas temáticos), disminuciones en la productividad de la vegetación (índices de vegetación), erosión acelerada del suelo (índices de suelo), disminución de la calidad del suelo (análisis piosférico) y cambios en la configuración del paisaje (series de tiempo de mapas temáticos). Se presentan aspectos de dos estudios retrospectivos como ejemplo de la aplicación del protocolo para consideraciones de los impactos del uso de la tierra en entrenamiento y pruebas militares y actividades de rancho en los pastizales.