Close range stereophotogrammetry and video imagery analyses in soil ecohydrology modelling

Abstract

Ecohydrology is an emerging discipline in the environmental sciences. Soil micro-relief is of relevance to various ecohydrological processes such as rainwater redistribution, seed displacement through water runoff, water erosion and plant competition for water. Mechanical–optical methods to characterise the soil surface and its incidence in these processes are time consuming and can produce modifications of soil relief. This research explores a methodology combining non-contact techniques (close range stereophotogrammetry and geostatistical modelling) for microtopographic description with video imagery analysis to formulate quantitative determination of surface water movement and infiltration in undisturbed field plots. The numerical quality of the results obtained was tested with ad hoc laboratory models representing various elementary landforms (basin, hill and ridge), as well as with infiltration runoff experiments in undisturbed field plots. The requirements to define a minimum set of properly oriented digital images to attain target precision thresholds in modelling soil microtopography for ecohydrological applications are shown as well as the conditions and experimental arrangement to obtain adequate video imagery of water movement on the soil surface. The use of geostatistical algorithms to analyse ecohydrological processes occurring at the soil surface is illustrated with results obtained from field plots. The methodology presented serves to characterise and quantify water-related ecological processes occurring at the soil surface while preserving undisturbed soil conditions. Potential applications are in ecohydrology, soil erosion science and environmental material transport studies.

La eco-hidrología es una disciplina emergente en las ciencias ambientales. El microrrelieve del suelo es de interés para diversos procesos eco-hidrológicos como la distribución del agua de lluvia, desplazamientos de semillas a través del escurrimiento de agua, erosión hídrica y la competencia hídrica entre plantas. Los métodos ópticos-mecánicos para caracterizar la superficie topográfica del suelo y su incidencia en estos procesos requieren tiempo considerable y pueden alterar la superficie del suelo al ser aplicados. Este trabajo explora una metodología que combina técnicas sin contacto para describir la microtopografía (fotogrametría de objeto cercano, análisis de imágenes de videos y modelación geoestadística) con análisis de imágenes de video para formular análisis cuantitativos del movimiento superficial del agua e infiltración en parcelas no perturbadas en campo. La calidad numérica de los resultados obtenidos fue validada con modelos de laboratorio representando diversas geoformas (cuenca, cerro, cordón), así como con experimentos de infiltración-escorrentía en parcelas en campo. Se exponen los requisitos para definir un conjunto mínimo de imágenes digitales adecuadamente orientadas para alcanzar los umbrales de precisión necesarias en la modelación de la microtopografía del suelo, así como las condiciones y disposición experimental para obtener imágenes de vídeo del movimiento del agua sobre la superficie del suelo. Se ilustra el uso de algoritmos geoestadísticos para análisis de procesos eco-hidrológicos que ocurren en la superficie del suelo con resultados obtenidos de las parcelas en campo. La metodología presentada sirve para caracterizar y cuantificar procesos ecológicos relacionados con el agua que ocurren en la superficie del suelo, preservando sus condiciones inalteradas. Aplicaciones potenciales a eco-hidrología, ciencias de la erosión del suelo y estudios medioambientales de transporte de materiales.