Back to report · Publisher record

Ploton et al. (2020). Spatial validation reveals poor predictive performance of large-scale ecological mapping models

Page 1

Figures and page graphics, page 1

ARTICLE

Spatial validation reveals poor predictive
performance of large-scale ecological mapping
models

Pierre Ploton

1

✉

, Frédéric Mortier

2,3

, Maxime Réjou-Méchain

1

, Nicolas Barbier

1

, Nicolas Picard

4

,

Vivien Rossi

5

, Carsten Dormann

6

, Guillaume Cornu

2,3

, Gaëlle Viennois

1

, Nicolas Bayol

7

,

Alexei Lyapustin

8

, Sylvie Gourlet-Fleury

2,3

& Raphaël Pélissier

1

Mapping aboveground forest biomass is central for assessing the global carbon balance.

However, current large-scale maps show strong disparities, despite good validation statistics

of their underlying models. Here, we attribute this contradiction to a

fl

aw in the validation

methods, which ignore spatial autocorrelation (SAC) in data, leading to overoptimistic

assessment of model predictive power. To illustrate this issue, we reproduce the approach of

large-scale mapping studies using a massive forest inventory dataset of 11.8 million trees in

central Africa to train and validate a random forest model based on multispectral and

environmental variables. A standard nonspatial validation method suggests that the model

predicts more than half of the forest biomass variation, while spatial validation methods

accounting for SAC reveal quasi-null predictive power. This study underscores how a com-

mon practice in big data mapping studies shows an apparent high predictive power, even

when predictors have poor relationships with the ecological variable of interest, thus possibly

leading to erroneous maps and interpretations.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

OPEN

1

AMAP, Univ Montpellier, IRD, CNRS, INRAE, CIRAD, Montpellier, France.

2

CIRAD, UPR Forêts et Sociétés, F-34398 Montpellier, France.

3

Université de

Montpellier, F-34000 Montpellier, France.

4

Via della Sforzesca 1, 00185 Rome, Italy.

5

CIRAD, UPR Forêts et Sociétés, Yaoundé, Cameroon.

6

Biometry and

Environmental System Analysis, University of Freiburg, Freiburg im Breisgau, Germany.

7

Forêt Ressources Management Ingénierie, 34130 Mauguio, Grand

Montpellier, France.

8

NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland 20771, USA.

✉

email:

p.ploton@gmail.com

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

1

123456789

0():,;

Page 2

Figures and page graphics, page 2

T

ropical forests have a key role in Earth

’

s carbon cycle, but

estimations of stocks and

fl

uxes in these ecosystems remain

limited by large uncertainties

1

. In the last decade, space-

borne remote sensing (RS) has emerged as a promising way to
generate transparent and globally consistent spatiotemporal
syntheses of aboveground forest carbon stocks at pantropical

2

,

3

or

global scales

4

. In particular, two reference pantropical carbon-

density maps have been produced using a combination of
environmental and RS predictors

2

,

3

. These maps have been used

in high-ranking studies to estimate greenhouse gas emissions

5

, to

assess the relationships between forest carbon and biodiversity

6

,

climate

7

, and land management

8

–

10

, or even to evaluate the

sensitivity of new space-borne sensors to aboveground biomass
(AGB)

4

,

11

,

12

. It is therefore very concerning that despite report-

edly high predictive power of their underlying prediction models,
these reference maps show major disagreements

13

–

15

and poorly

correlate with higher-quality AGB maps produced at smaller
scales

16

. For instance, in the world

’

s second-largest tropical forest

block in central Africa, the two maps show strikingly opposite
regional patterns of AGB variation

14

. A number of reasons have

been evoked to explain these discrepancies, including the con-
tamination of RS optical imagery by clouds or the use of different
calibration data sets

17

. We, however, argue that a

fi

rst-order

methodological drawback in the validation scheme of mapping
models, which ignores spatial dependence in the raw data, masks
over

fi

tting and leads to highly optimistic evaluations of predictive

power. Here, our objective is to draw attention to this overlooked
yet critical methodological issue in the large-scale mapping of any
ecological variable, reproducing recent efforts in forest biomass
mapping as a study case.

To provide evidence for this issue, we replicated the general

approach for such mapping exercises, which consists of training a
prediction model on a discrete sample of reference AGB data to
project the estimations outside sampling areas, based on a set of
external, supposedly predictive variables. For that purpose, we
used a massive set of reference AGB data derived from more than
190,000 management forest inventory plots spread over

fi

ve

countries in central Africa

18

. This unique data set, acquired

between the early 2000s and 2010s, represents a cumulative
sampling area of nearly 100,000 ha and c. 11.8 million trees that
were measured and identi

fi

ed. Inventory data were analyzed

through a standardized computation scheme to provide AGB
estimates at the plot level, which were then aggregated into c.
60,000 1-km pixels

18

(Fig.

1

). The

fi

nal set of reference AGB

pixels spans the area from the Atlantic coasts of Gabon and
Cameroon to the Democratic Republic of Congo inlands and thus
covers wide regional gradients in terms of forest composition and
climate

19

. These AGB pixels constitute our model training data

set, having the same role here as AGB estimations derived from
Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) data in other AGB
mapping studies

2

,

3

.

The wall-to-wall mapping step from these discrete sampling

points, however, poses the greatest challenge, as no single external
variable provides both exhaustive coverage of the Earth

’

s surface

and strong sensitivity to dense forest AGB variation. For instance,
a plethora of environmental (e.g., climate, topography, soil types)
variables is available at a global scale, but environmental control
over forest AGB is either weak

20

or highly context-dependent

16

.

Similarly, current space-borne sensors that provide wall-to-wall
measurements, such as radar scatterometers or multispectral
imagers, usually show nonlinear sensitivity to biophysical forest
properties, becoming uninformative beyond a saturation threshold
of ~100 Mg ha

−

1

of AGB for MODIS and ALOS

21

, for instance,

which is far below the average AGB of carbon-rich tropical for-
ests

22

. However, the advent of machine-learning (ML) techniques

has apparently allowed a quantitative leap in the predictive power

of AGB models based on these sensors. Several studies indeed
combined environmental layers with RS data (such as MODIS

2

,

3

or QuikSCAT

2

) to produce supposedly highly predictive mapping

models immune to saturation and in

fl

ation of prediction errors up

to AGB levels as high as 500 Mg ha

−

1

. Despite ongoing debate on

the relationship (or lack thereof) relating dense forest re

fl

ectance

to AGB

23

, it has even been claimed that subtle annual changes in

AGB associated with forest degradation and growth could be
reliably monitored by MODIS-based ML models

24

.

Following the same approach, we thus used the random forest

(RF) algorithm

25

to model dense African forest AGB derived

from the abovementioned inventory data

18

using environmental

and MODIS variables as predictors. MODIS data corresponded to
a 10-year composite (2000

–

2010) of the latest collection (MAIAC

product

26

), which notably includes improved atmospheric cor-

rections. Environmental conditions were characterized using cli-
mate

variables

from

the

WorldClim-2

database

27

and

topographic variables derived from SRTM data.

In mapping studies, a classical procedure is to evaluate model

performance and associated errors by randomly selecting a
number (e.g., 10%) of test observations (here, 1-km pixels of

“

observed

”

AGB) that are set aside at the model calibration stage

and only used to quantify model prediction error (validation
step). This procedure, used in pantropical carbon mapping stu-
dies

2

,

3

, can be iterated

K

times with different test and training sets

for model cross-validation (hereafter random

K

-fold CV).

Instinctively, assessing model prediction error associated with

“

new

”

pixels makes perfect sense since they mimic unsampled

pixels that represent the vast majority of most maps. However,
the random selection of test observations does not warrant
independence from training observations when dependence
structures exist in the data, i.e., when observations close to each
other tend to have similar characteristics. This phenomenon,
known as spatial autocorrelation, indeed has two major unde-
sirable consequences for statistical modeling. A

fi

rst well-known

issue is that it may lead to autocorrelated model residuals, for
instance, when the model lacks an important explanatory variable
that spatially structures the response. Spatial autocorrelation in
the residuals is problematic because it violates the assumption of
error independence shared by most standard statistical proce-
dures, which often leads to biases in model parameter estimates
and optimistic parameter standard errors

28

,

29

. A second and

separate issue, which has received much less attention by ecolo-
gists, is that spatial autocorrelation in the raw data can invalidate
model validation approaches because an observation point cannot
serve as spatially independent validation of nearby training data
points

30

.

For instance, in our case, an empirical variogram shows that at

a 1-km spatial resolution, forest AGB presents a signi

fi

cant spatial

correlation up to c. 120 km (Fig.

2

a). This spatial autocorrelation

can notably be observed in Fig.

1

, where patches of relatively

homogeneous AGB values are visible. Climate, topographic and
optical variables considered to model AGB variations are also
strongly structured in the geographical space with autocorrelation
ranges on the order of c. 250

–

500 km (Fig.

2

b). Given the rela-

tively high sampling intensity (and resulting proximity) of forest
inventory data (Fig.

3

) and the long range of spatial auto-

correlation in AGB data (>100 km), it is obvious that any given
randomly selected test pixel will not be independent from a large
number of neighboring pixels (Fig.

3

c), thereby violating the core

hypothesis of model validation (i.e., the independence between
training and test sets). Again, this second issue is separate from
the

fi

rst one, in that, as shown in the following, even a model with

no apparent spatial autocorrelation in the residuals cannot be
validated correctly for its predictive ability when the training and
test data sets are spatially dependent.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

2

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

Page 3

Figures and page graphics, page 3

600 km

<100

200

300

400

≥

500

AGB (Mg·ha

–1

)

Fig. 1 Overview of the study area and

fi

eld data distribution.

Reference forest AGB estimations derived from

fi

eld inventories, aggregated into 5-km pixels

(for visual purposes), are depicted in a magenta-to-yellow color gradient and are superimposed over the spatial distribution of moist forests

61

(gray) and

country borders (black).

a

c

b

8000

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

6000

4000

Semiv

ar

iance

Semiv

ar

iance on RF

RSE

 residuals

Semiv

ar

iance

2000

8000

6000

4000

2000

0

250

500

Distance (km)

750

AGB

Spatial CV

Random CV

MODIS
Climate
Topography

1000

0

250

500

Distance (km)

750

1000

0

250

500

Distance (km)

750

1000

Fig. 2 Spatial autocorrelation within model input variables and residuals.

Semivariograms showing spatial autocorrelation of reference pixels AGB (

a

),

AGB predictors (

b

), and AGB model residuals (

c

). In

b

, we split predictors into three groups (i.e., MODIS, climate, and topography) and only displayed

three predictors by group for illustration purposes. In

c

, we computed AGB model residuals using a random 10-fold cross-validation (light red) and a spatial

44-fold cross-validation (dark red).

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

3

Page 4

Figures and page graphics, page 4

We thus investigated the consequences of ignoring spatial

dependence in the data when evaluating the predictive power of
AGB mapping models by contrasting the results of cross-
validation

procedures

ignoring

(random

K

-fold CV)

or

accounting for spatial autocorrelation. Following recent metho-
dological guidelines

30

,

31

, we tested two alternative approaches

(see

“

Methods

”

section for details) that stem from the fairly

simple objective to increase the spatial distance and therefore
independence between training and test sets of data compared to
a classical random

K

-fold CV. The

fi

rst approach consists of

splitting observations into

K

sets based on their geographical

locations rather than at random to create spatially homogenous
clusters of observations. Spatial clusters (Fig.

3

a) are then used

K

times alternatively as training and test sets for cross-validation
(hereafter spatial

K

-fold CV). The second approach is similar to a

leave-one-out cross-validation (i.e., where the test set consists of a
single observation) but includes spatial buffers around the test
observations (hereafter B-LOO CV)

32

. Spatial buffers are used to

remove training observations in a neighboring circle of increasing
radii around the test observations (illustrated in Fig.

3

c), thereby

assuring a minimum (and controlled) spatial distance between
the two sets.

Our results show that ignoring spatial dependence in the data

conceals poor predictive performance of the mapping model
beyond the range of autocorrelation in forest AGB, leading to
false con

fi

dence in the resulting map and erroneous assessment of

predictor importance, contributing to the debate over the utility
of MODIS data in this context

23

,

33

. This very general methodo-

logical issue is also discussed in the broader context of global
mapping models with

“

Big Data

”

approaches recently at the

forefront of ecology literature.

Results

Ignoring data spatial structure in cross-validation

. We built an

RF model to predict AGB from a combination of nine MODIS
and 27 environmental variables (RF

RSE

, see the

“

Methods

”

section

for a list of variables) and assessed model predictive performance
with a classical random 10-fold CV procedure, i.e., ignoring any
spatial dependence structure in the data. This led to an estimated

R

2

of 0.53 and a mean prediction error (RMSPE) of 56.5 Mg ha

−

1

600 km

a

b

c

100 km

Field data

8 km

r

1

r

2

Fig. 3 Assessment of predictive performance in a spatially structured environment. a

Clustering of

fi

eld data into 44 spatial folds (bright colors) used in

spatial

K

-fold CV, superimposed over the spatial distribution of moist forests

61

(light gray) and country borders.

b

At the regional scale (a few hundred km,

clipped from

a

),

fi

eld data (light gray) are aggregated into dense clusters, leaving large swaths of unsampled areas. The outlined region is further expanded

in

c

.

c

At the landscape scale (a few tens of km), reference pixel AGB and AGB covariate values are spatially dependent (as seen in Fig.

2

a, b), which

violates the independence hypothesis of training and test sets in cross-validation procedures based on random data splitting. We used circular buffers of
increasing radii

r

to exclude training data (gray) located around the test data (dark gray) in a leave-one-out CV (B-LOO CV) to evaluate how spatial

dependence in the data impacted CV statistics.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

4

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

Page 5

Figures and page graphics, page 5

(19%). Model predictions showed a fairly linear relationship with
observed AGB, although the model tended to overestimate low
AGB values and underestimate high AGB values (Fig.

4

a), a

common bias pattern with the RF algorithm for which bias-
correction methods have been proposed

34

. One could, therefore,

conclude from the random

K

-fold CV that dense tropical forest

AGB can indeed be predicted at 1-km resolution from MODIS
and environmental data while constraining the prediction error to
<20% on average.

Accounting for data spatial structure in cross-validation

. We

then tested the same RF model with a spatial

K

-fold CV approach

to assess the in

fl

uence of spatial autocorrelation in the data on the

statistics of the model predictive power. In this approach, refer-
ence AGB pixels were split into 44 homogeneous spatial clusters
(Fig.

3

a) based on a maximum distance threshold of 150 km for

observations within clusters (i.e., a slightly longer distance than
the range of autocorrelation of forest AGB; Fig.

2

a), and clusters

were alternatively used as training and test sets. The spatial 44-
fold CV led to a sharp decline in model

R

2

(

R

2

=

0.14, Fig.

4

b)

and an increase in RMSPE (i.e., 77.5 Mg ha

−

1

, or 26%). By

comparison, a null model that systematically predicted the mean
of the training observations regardless of test observation cov-
ariate values (i.e., a model with no predictors but an intercept)
yielded an RMSPE of 82 Mg ha

−

1

(27.7%). A comparison of

model residuals derived from random and spatial

K

-fold CVs also

provides important insights into the insidious effect of spatial
autocorrelation

30

. Indeed, a common model diagnosis practice

consists of looking for spatial autocorrelation in model residuals.
If present, a range of statistical methods can be applied to
minimize deleterious effects on model parameter estimation

35

.

Here, even after a random 10-fold CV, the residual structure was
completely absorbed in RF

RSE

’

s predictions (Fig.

2

c). Diagnosis

methods that target model residuals would thus fail to detect any
problem in the model

’

s speci

fi

cation and lead to undue con-

fi

dence in model predictions.

While implementing a spatial

K

-fold CV is straightforward, it

requires choosing a size for spatial clusters, which de

fi

nes the

average distance between training and test data sets. A more
insightful approach, though computationally demanding, consists
of assessing the model predictive power for a range of increasing
distances between training and test data. In this buffered

leave-one-out cross-validation (B-LOO CV) approach

32

, model

validation is performed on one test observation at a time, which is
buffered by omitting from the training set neighboring observa-
tions in circles of increasing radii (Fig.

2

e). We thus implemented

a B-LOO CV on 1,000 randomly selected test observations,
considering each time a buffer distance from 0 to 150 km. In the
absence of an exclusion buffer, i.e., for a buffer radius of 0 km
between training and test observations, the B-LOO CV led to an

R

2

of 0.50 on average, in good concordance with results obtained

with a random 10-fold CV. However, increasing the size of the
exclusion radius - hence weakening the spatial dependence
between training and test observations - led to a rapid decrease in
model

R

2

(Fig.

5

a) and a concomitant increase in model RMSPE

(Fig.

5

b). For test pixels located at c. 50 km of the nearest training

pixel,

R

2

decreased to c. 0.15 on average - close to what was found

with the spatial

K

-fold CV - and became virtually null beyond

100 km. First and foremost, this result shows that there is a strong
spatial component in the variance of pixel AGB explained by the
RF

RSE

model. This spatial component cannot be predicted by the

model so that its predictive performance actually decreases with
decreasing spatial autocorrelation between training and test data
(as illustrated in Fig.

4

c). Second, this result suggests that the

cluster size set in the spatial

K

-fold CV was not suf

fi

ciently large

to move all test pixels out of the autocorrelation range of training
pixels.

A further important question is to quantify the share of model

performance actually pertaining to the considered predictors. We
compared RF

RSE

to a purely spatial model taking pixel geographic

coordinates as sole predictors (RF

XY

). RF

RSE

and RF

XY

showed

very similar predictive performance, both in terms of absolute

R

2

and RMSPE values, which similarly varied with buffer radii
(Fig.

5

a, b). RMSPE reached a plateau for pixels located beyond

100 km of the nearest training pixel, which coincided with the
average prediction error of the null model. Taken together, these
results show that the MODIS and environmental variables used in
RF

RSE

have weak, if any, predictive power over forest AGB

variation at the 1-km scale. Rather, RF

RSE

likely leans on the

geographical proximity and the resulting correlation between
training and test pixels to exploit the spatial distributions of the
model

’

s predictors to predict the pixel AGB. Simply put, the

model predicts a given pixel AGB based on its spatial - not optical
and environmental - proximity to training pixels. An intuitive
illustration of this phenomenon can be obtained by taking the

a

b

600

600

R

2

 = 0.53

R

2

 = 0.14

400

400

Field-derived AGB (Mg·ha

–1

)

Predicted A

GB (Mg·ha

–1

)

200

600

1

0

Relative

frequency

400

Predicted A

GB (Mg·ha

–1

)

200

200

600

400

Field-derived AGB (Mg·ha

–1

)

200

Fig. 4

K

-fold CV of AGB predictions based on MODIS and environmental variables (RF

RSE

).

Heat plots showing the relationship between observed AGB

versus RF

RSE

AGB predictions from (

a

) random 10-fold CV and (

b

) spatial 44-fold CV.

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

5

Page 6

Figures and page graphics, page 6

reverse approach of predicting geographical coordinates using the
optical and environmental predictors. Doing this exercise, we
obtained a RMSE on the predicted coordinates of about 25 km.
This means that the combinations of predictor variables are
suf

fi

ciently unique to predict pixel approximate location, and

thereby predict the AGB.

Discussion

In this study, we used the largest known data set of reference
AGB estimations derived from

fi

eld data in tropical forests and

widely used environmental and optical RS data to undertake
spatial prediction using a common machine-learning (ML)
approach. Our results illustrate a serious methodological

fl

aw in a

number of large-scale ecological mapping studies, where the

predictive power of ML models is evaluated using nonspatial
cross-validation.

Assessing model predictive power is indeed a key step in

ecological mapping studies, as the purpose of such models is
precisely to extrapolate the variable of interest beyond sampling
locations. A classical approach to evaluate whether predictive
models are transferable is to withhold a random subset of
observations for model testing (e.g., a random

K

-fold CV). This

approach has been common practice for a decade in pantropical
AGB mapping studies

2

,

3

and is broadly used in the proli

fi

c

fi

eld of

Big Ecology

36

. This approach, which assimilates test observations

to independent new observations, is inherently invalid in a
geospatial context because ecological data are almost always
autocorrelated

37

. This means that observations located within the

0

50

100

150

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

a

c

b

Radius (km)

0

50

100

150

Radius (km)

R

2

RF

XY

RF

RSE

50

60

70

80

90

RMSPE (Mg.ha

–1

)

Model

NULL

600 km

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

R

2

RF

XY

RF

RSE

Fig. 5 In

fl

uence of data spatial structure on the model

’

s CV statistics. a

Change in the coef

fi

cient of determination (mean

R

2

± SD over

n

=

10 iterations, see

“

Methods

”

section for details) between predicted and observed pixel AGB as buffer radii for neighboring pixel exclusion increases in the buffered leave-one-out

cross-validation (B-LOO CV). Predictions are made with the model based on MODIS and environmental variables (RF

RSE

, red) and the model based on the

pixels

’

geographic coordinates (RF

XY

, blue). The gray dashed line represents the

R

2

obtained by spatial

K

-fold CV in Fig.

4

b.

b

Change in the root mean squared

prediction error (mean RMSPE ± SD over

n

=

10 iterations, see

“

Methods

”

section for details) in the B-LOO CV. In addition to RF

RSE

and RF

XY

, the RMSPE of a

null model that systematically predicts the mean of training data is plotted (Model

NULL

, black).

c

Projection of RF

RSE

prediction

R

2

in the study area. The distance

between each map pixel to the closest reference AGB pixel (represented in black) is converted to a mean

R

2

using the relationship displayed in

a

.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

6

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

Page 7

Figures and page graphics, page 7

range of spatial autocorrelation in the data, which exceeds 100 km
in our case study on forest AGB in central Africa, should be
treated as pseudoreplicates rather than new observations in model
validation schemes. Ignoring spatial dependence in model cross-
validation can create false con

fi

dence in model predictions and

hide model over

fi

tting, a problem that has been well documented

in the recent literature on statistical ecology

30

,

32

,

35

,

38

. This issue

was particularly evident in our results: (1) the model explained
more than half of the AGB variation in the vicinity of sampling
locations but completely failed to predict AGB at remote loca-
tions, showing that it was strongly locally over

fi

tted, and (2) the

random

K

-fold CV scheme did not allow the diagnosis of model

over

fi

tting and provided overly optimistic statistics of model

predictive power. It is even likely that ML algorithms that opti-
mize the local adjustment of predictions in the variable space

39

amplify the problem. Indeed, over

fi

tting was less obvious when

using linear modeling approaches with the same data set (e.g.,
Supplementary Fig. 1).

The methodological

fl

aw documented here likely affected previous

pantropical AGB mapping studies based on ML algorithms

2

,

3

, which

may largely explain their disagreements. Indeed, reference sets of
AGB observations in these studies were derived from space-borne
LiDAR data from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS),
assuming these data provide, when calibrated with

fi

eld measure-

ments, accurate estimates of forest AGB

40

. The GLAS sampling

layout takes the form of a set of footprints regularly spaced out every
170 m along tracks but separated by tens of km across tracks. It is,
therefore, reasonable to think that once aggregated at the mapping
resolution (i.e., 500 m or 1 km), the distance between observed AGB
pixels along GLAS tracks is considerably smaller than the range of
autocorrelation in the data (as illustrated in Supplementary Fig. 2).
This layout likely facilitates over

fi

tting by ML algorithms, in a way

similar to what was observed in our study case. Proving this claim is,
however, not possible, as the data used in these studies, including the
geolocation of reference AGB data, which have been heavily

fi

ltered

through quality-check procedures, have not been publicly released.
However, our results show that including high-quality annual
composite MODIS images as predictors in RF

RSE

did not permit the

establishment of a predictive relationship for closed-canopy,
dense tropical forest AGB, despite a

fi

vefold variation factor in the

reference data set (c. 100

–

500 Mg ha

−

1

). Our observations shed

strong doubts on the pertinence of such variables to spatialize
AGB variations in closed-canopy tropical forests

3

, let alone to

monitor subtle changes in carbon dynamics associated with degra-
dation or growth

24

. Rather, our results likely re

fl

ect the well-known

saturation of medium- and high-resolution passive optical data

23

,

41

beyond 100 Mg ha

−

1

and con

fi

rm the overoptimistic assessment of

MODIS-based AGB models made in previous studies - an issue that
has already been raised in the very thematic of large-scale forest
AGB mapping

42

.

It should, however, be emphasized that our results are contingent

upon the MODIS variables used in this study, which, for instance,
do not account for intra-annual variation in vegetation re

fl

ectance

(as in, e.g., ref.

2

), and we cannot exclude that other approaches to

exploit the MODIS signal may improve its potential for forest AGB
inference. We also do not claim that the AGB maps published in

2

,

3

are necessarily wrong: they would simply not be better than the
spatial kriging of the GLAS data because of the low predictive
power of underlying mapping models beyond the range of data
autocorrelation. This suggests that projections between GLAS tracks
are likely very uncertain and that models are not transferable to
unknown locations, whether in space (i.e., to a different region) or
in time (i.e., to future conditions, e.g., based on a change in MODIS
re

fl

ectance).

Going forward, recent and upcoming Earth observation mis-

sions dedicated to documenting variations in forest structure by

space-borne LiDAR (the Global Ecosystem Dynamics Investiga-
tion) or SAR (BIOMASS missions) will undoubtedly greatly
advance our understanding of forest AGB distribution across the
tropics. Sampling of the territory by airborne or UAV-LiDAR
scanning is also becoming denser across the tropics

43

–

47

. At the

same time, this study shows that a better valorization of com-
mercial forest inventory data is possible, while concerted
efforts are ongoing to develop national forest inventories
and improve the coordination between scienti

fi

c plot net-

works

48

,

49

. We argue that the unprecedented amount of data

produced by these efforts will provide a unique opportunity to
clarify, develop, and extensively validate a conceptual modeling
framework for biomass mapping from high- or medium-
resolution multispectral data, which could allow leveraging dec-
ades of image archives.

Beyond the context of forest AGB mapping, our analysis clearly

shows that a random

K

-fold CV does not provide suf

fi

cient

information to demonstrate the predictive ability of a mapping
model. This questions recent high-impact publications of several
global-scale maps

50

–

52

that completely overlooked the issue of data

autocorrelation. A recent example is a global-scale map of nema-
tode worms

50

, which was built with an RF model based on a set of

73 environmental, optical, and anthropogenic predictors. Following
a random 10-fold CV, the authors obtained an

R

2

of 0.86, which

they interpreted as a sign of high model predictive strength. Using
their publicly available data set and a purely spatial RF model
(based on geographic coordinates alone), we obtained fairly similar
results (

R

2

=

0.8, Supplementary Fig. 3), indicating that simple

spatial kriging would be as predictive as the proposed model and
that any interpretation of the ecological determinism of these
organisms should be done with extreme caution. We thus would
like to draw attention to the fact that in an ecological or biological
context, where processes inherently create a positive or negative
correlation between neighboring locations, rigorous, spatially
explicit assessment of ML models is required and should become
the norm for every large-scale mapping study.

Methods

Reference aboveground forest biomass data

. The reference set of forest

aboveground biomass (AGB) pixels, i.e., The Congo basin forest AGB (CoFor-
AGB) data set has recently been publicly released

18

. CoFor-AGB was built from

management forest inventories of 113 logging concessions spread across dense
forests of central Africa (Fig.

1

). In total, CoFor-AGB contains 191,563 plots,

covering a cumulative sampling area of 94,513 ha and representing 11.82 × 10

6

tree

measurements and 1,091 identi

fi

ed taxa. A standardized computation scheme was

applied across all inventories to estimate plot AGB for all trees

≥

10 cm in diameter

at breast height. The computation scheme was evaluated using higher-quality
scienti

fi

c inventory data

18

. The estimated average error of the 0.5-ha management

forest plot AGB was 15%, which was only moderately higher than that based on
scienti

fi

c inventory plots (c. 8.3%)

18

. Plot AGB estimations were aggregated at the

1-km spatial resolution, resulting in 59,857 unique pixels across the study area.

Environmental and MODIS data

. To create spatial predictive models of forest

AGB, we stacked freely available and seemingly relevant global map layers char-
acterizing local environmental conditions (including climate, topography, and soil
types) and MODIS-derived vegetation re

fl

ectance properties. Covariates were

cropped to the extent of the study area (Fig.

1

), aligned and resampled to a 1-km

spatial resolution.

Concerning climate conditions, we

fi

rst assembled monthly average statistics of

precipitation (P), temperature (T), solar radiation (SR), and water vapor pressure
(WP) from the Worldclim2 database

27

for the period 1970

–

2000, monthly

potential evapotranspiration (PET) from the Global-PET database

53

and statistics

of annual cloud cover (CC) frequency derived from MODIS

54

. Monthly P and T

were used to compute the 19 standard WorldClim bioclimatic variables, including
annual trends (i.e., the mean of monthly means), seasonality (i.e., standard
deviation and coef

fi

cient of variation of monthly means for T and P, respectively)

and indicators of extreme conditions (e.g., mean temperature of the driest quarter).
Annual trends and seasonality (i.e., standard deviation of monthly means) were
also computed for SR and WP. We further computed several climate layers from
monthly P and PET, including an index of annual water availability (WA, de

fi

ned

as the ratio of cumulative P to PET)

55

, the maximal climate water de

fi

cit

56

, and a

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

7

Page 8

Figures and page graphics, page 8

simple metric of monthly water de

fi

cit (de

fi

ned as P PET). The monthly water

de

fi

cit metric was used to identify dry season months (with a negative de

fi

cit) and

to compute dry season-speci

fi

c climate layers, including the length (number of

months) and severity (cumulative water de

fi

cit, mean and maximum SR and WP)

of either all dry season months throughout the year or only months pertaining to
the longest dry season. The full set of climate variables was then submitted to
principal component analysis to identify and remove highly collinear variables
along the principal climate variation axes. We

fi

nally retained the 22 variables listed

in Table

1

. Topographic variables were computed using the 30 m SRTM data and

included the average elevation, slope, height above the nearest drainage (HAND)

57

,

and convexity within the 1-km pixels. Soil types were extracted from the
Harmonized World Soil Database (HWSD)

58

and merged into a class containing

Arenic Acrisols (sandy soils) and a mixed class containing all other soil types
following ongoing analyses on the in

fl

uence of soil types on the spatial distribution

of forest

fl

oristic and functional compositions across the Congo basin.

Vegetation re

fl

ectance data corresponded to the MODIS Collection 6 product

processed using the latest version of the MAIAC algorithm

26

. The MODIS data cube

was generated at a 1-km resolution as a stack of 8-day composite images for the
2000

–

2010 period, which corresponds to the period of

fi

eld data collection. For each

pixel, we retained only the best quality observations based on aerosol optical depth
(AOD) and bidirectional re

fl

ectance function (BRF) quality

fl

ags and generated 10-

year re

fl

ectance mean and standard deviation layers for each spectral band.

Following

3

, we used the re

fl

ectance mean layer to compute EVI2 and NDII vegetation

indices and selected the same 9 re

fl

ectance variables as AGB covariates (Table

1

).

Spatial forest biomass modeling and pixel exclusion

. The set of reference AGB

pixels was

fi

ltered to focus the analysis on forested pixels with stable canopy cover

from 2000

–

2010 and reliable pixel-level AGB estimations. First, we used the 30-m

Landsat forest classi

fi

cation for the year 2000

5

to remove pixels with less than 89%

vegetation cover at the beginning of the study period (i.e., 11,566 pixels or c. 19.3%
of the initial data set) and hence reduce the potential indirect in

fl

uence of canopy

cover on the relationship between re

fl

ectance variables and forest AGB

23

. The

choice of the 89% threshold was a trade-off between maximizing pixel forest cover
and avoiding discarding all pixels on the western side of the study area, where all

forested lands are assigned a 90% vegetation cover in the Landsat product, which
likely re

fl

ects atmospheric pollution in optical Landsat data. Second, to maximize

the representativity of

fi

eld plots within the pixels, we removed all pixels con-

taining fewer than 3

fi

eld plots (i.e., 19,240 pixels or 39.8% of the

fi

ltered data set).

This resulted in a minimal sampling rate of 3

*

c. 0.5 ha by 1 km pixels (with a

mean ± standard deviation of 4.14 ± 1.03 plots), equivalent to the rate found in
pantropical AGB mapping studies (e.g., 5

*

c. 0.25 ha GLAS shots

2

). Third,

acknowledging that any substantial change in pixel land cover during the period
covered by the MODIS image composite (2000

–

2010) might unduly blur the

relationship between

fi

eld-derived AGB and MODIS re

fl

ectance variables (e.g.,

conversion of forests to cultures after the time of

fi

eld inventories), we also

excluded pixels characterized by (i) a cumulative forest loss between 2000 and
2010 greater than 5% of the pixel area and (ii) a nonnull percentage of

fi

re

occurrence between 2000 and 2012 (736 pixels or 2.5% of the

fi

ltered data set).

Forest loss data were obtained from the 30-m Landsat vegetation cover change
product

5

. The percentage of

fi

re occurrence data was obtained from the burnt area

product (version 2) of the Land Cover project of the European Space Agency
Climate Change Initiative (ESA CCI-LC)

59

. Finally, we screened pixel spectral

responses in each MODIS variable and removed obvious outliers, de

fi

ned as pixels

whose spectral value was more than 10 standard deviations from the mean (90
pixels or 0.2% of the

fi

ltered data set). The

fi

nal data set contained a total of 28,225

unique pixels (Supplementary Fig. 4) that were used as input in Random Forest

25

for spatial forest AGB modeling.

Assessing model prediction error

. We used three strategies to cross-validate

models and generate statistics of the model predictive power (Fig.

6

).

The

fi

rst strategy corresponded to a common

K

-fold cross-validation whereby

observations were randomly split into

K

sets (random

K

-fold CV), ignoring any

structure of spatial dependence in the data. Model training was then performed
iteratively on

K

-1 sets, each time withholding a different set for testing. The vector

of so-called independent AGB predictions was then used to generate CV statistics,
namely, the squared Pearson

’

s correlation between observed AGB values and AGB

predictions (noted

R

2

) and the root mean squared prediction error (RMSPE). Here,

we used

K

=

10, a common choice made by modelers.

Table 1 Mean and range of forest AGB and AGB covariates.

Code

Description

Mean (range)

1. AGB

Aboveground biomass (Mg ha

−

1

)

296 (49

–

678)

2. T_am

Annual mean temperature (°C)

24.3 (22.1

–

26.5)

2. Prec_am

Annual mean precipitation (mm)

1713.6 (1125.9

–

2864.5)

2. CC_am

Annual mean cloud cover frequency (%*100)

7806.5 (6246.4

–

9758.3)

2. Vapor_m

Annual mean water vapor pressure (kPa)

2.5 (2.2

–

2.9)

2. SolRad_m

Annual mean solar radiation (kJ m

−

2

day

−

1

)

14,705.8 (11,500

–

18,236.2)

2. WA

Water availability (unitless)

1 (0.8

–

2)

3. T_seaso

Temperature seasonality (standard deviation*100) (°C)

78.7 (40.7

–

185.9)

3. Prec_seaso

Precipitation seasonality (coef

fi

cient of variation) (mm)

51.8 (22.4

–

83)

3. Vapor_sd

Standard deviation of monthly water vapor pressure (kPa)

0.1 (0

–

0.3)

3. SolRad_sd

Standard deviation of monthly solar radiation (kJ m

−

2

day

−

1

)

1410 (546.7

–

2251.2)

4. T_mdq

Mean temperature of the driest quarter (°C)

23.6 (20.3

–

26.2)

4. T_mwarmq

Mean temperature of the warmest quarter (°C)

25.2 (23.2

–

27.5)

4. Prec_dm

Precipitation of the driest month (mm)

31.2 (0

–

105.6)

4. DS_long_length

Long dry season length (number of months)

4.4 (2

–

6)

4. DS_cumu_length

Dry season(s) length (number of months)

5 (2

–

8)

4. DS_long_sever

Long dry season severity (mm)

316.8 (49.1

–

602.6)

4. DS_cumu_sever

Dry season(s) severity (mm)

332.6 (49.1

–

602.6)

4. CWD

Maximal climate water de

fi

cit (mm)

−

172.7 (

−

558.8

–

0)

4. Vapor_DS_m

Mean monthly water vapor pressure during the longest dry season (kPa)

2.4 (2

–

3)

4. Vapor_DS_max

Max. monthly water vapor pressure during the longest dry season (kPa)

2.5 (2.2

–

3)

4. SolRad_DS_m

Mean monthly solar radiation during the longest dry season (kJ m

−

2

day

−

1

)

14613.2 (8971.9

–

19218.7)

4. SolRad_DS_max

Max. monthly solar radiation during the longest dry season (kJ m

−

2

day

−

1

)

15519.6 (9572.9

–

20211.4)

5. Elev

Elevation (m)

532.6 (102

–

935.4)

5. Slope

Slope (°)

9.3 (1

–

43.2)

5. HAND

Height above the nearest drainage (m)

35.4 (0

–

449.9)

5. Convexity

Convexity (unitless)

39.9 (9.8

–

53.6)

6. Soil_types

Soil types (unitless)

–

7. R_mean

RED (mean - unitless)

0.048 (0.000

–

0.254)

7. NIR_mean

NIR (mean - unitless)

0.444 (0.291

–

0.567)

7. G_mean

Green (mean - unitless)

0.067 (0.000

–

0.158)

7. SWIR1_mean

SWIR 1 (mean - unitless)

0.44 (0.288

–

0.534)

7. SWIR2_mean

SWIR 2 (mean - unitless)

0.234 (0.156

–

0.306)

7. SWIR3_mean

SWIR 3 (mean - unitless)

0.086 (0.000

–

0.196)

7. SWIR3_sd

SWIR 3 (sd - unitless)

0.03 (0.004

–

1.14)

7. EVI2

EVI2 (unitless)

0.635 (0.238

–

0.857)

7. NDII

NDII (unitless)

0.676 (0.308

–

1.032)

Variables are split into seven categories, namely, the dependent variable (1) and covariates representing mean climate conditions (2), climate seasonality (3), extreme climate conditions (4), topography
(5), soil types (6), and MODIS re

fl

ectance (7).

Topographic variables were computed using 30-m STRM data over 1-km

2

pixels.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

8

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

Page 9

Figures and page graphics, page 9

The second strategy, i.e., spatial

K

-fold CV, differs from the random

K

-fold CV

in the way observations are split into spatially structured sets. Here, the objective is
to group observations into spatially homogeneous clusters of larger size than the
range of autocorrelation in the data to achieve independence between CV folds.
Spatial clusters were generated using a hierarchical cluster analysis (complete
linkage method) of the distance matrix of pixel geographical coordinates and a
clustering height (i.e., the maximum distance between pixels within each cluster) of

H

=

150 km, i.e., a slightly longer distance than the range of autocorrelation of

forest AGB (Fig.

2

a).

The third strategy, i.e., the buffered leave-one-out cross-validation (B-LOO

CV), is inspired by the leave-one-out cross-validation scheme, in that a single
observation is withheld for model testing per model run. In the case of B-LOO CV,
however, observations within a distance

r

from the test observation are excluded

from the model training set. Training and testing the model for a range of

r

values

allows investigation of the in

fl

uence of spatial proximity between test and training

observations on model prediction error. Here, we considered 16

r

values (from 0 to

150 km by 10 km); hence, the model was calibrated and tested 16 times per test
observation. To generate B-LOO CV statistics presented in Fig.

5

a, b, we (1)

generated AGB predictions for 100 randomly selected test observations (i.e., 1600
model runs), allowing computation of the model

’

s

R

2

and RMSPE for each

r

value,

and (2) repeated this procedure ten times (i.e., 16,000 model runs) to provide the
average and standard deviation of CV statistics over the 10 repetitions. It is worth
noting that we integrated a safeguard against predictive extrapolation within the
iterative B-LOO CV procedure. Because the geographical and environmental
spaces are closely linked, removing training observations in the spatial
neighborhood of a test observation may remove the environmental (and optical)
conditions found at that test location from the model

’

s calibration domain. The

model

’

s prediction at that test location would thus amount to a case of predictive

extrapolation (i.e., forcing the model to predict outside the calibration domain),
leading to an in

fl

ation of model error that we did not intend to consider here. For

each randomly selected test observation, we thus

fi

rst removed neighboring

observations at the largest

r

value and veri

fi

ed that optical and environmental

conditions at the test location still fell within the range of values found in the
model

’

s calibration domain. If not, we discarded the test observation and randomly

selected a new observation.

Predicting pixel geographic location

. We used a multivariate implementation of

the random forest algorithm

60

to predict pixel geographic coordinates (i.e., latitude

and longitude) from the set of optical and environmental predictors listed in
Table

1

. The model was trained on 500 pixels randomly drawn from the full set of

reference AGB pixels.

Reporting summary

. Further information on research design is available in the Nature

Research Reporting Summary linked to this article.

Data availability

All data analyzed in this study are publicly available. The raster of observed AGB pixels is
available through

fi

gshare (

https://doi.org/10.6084/m9.

fi

gshare.11865450

).

Environmental data used in this study were obtained from the following sources:
Worldclim (

https://worldclim.org/data/worldclim21.html

), Global-PET (

https://cgiarcsi.

community/data/global-aridity-and-pet-database/

), Cloud Cover (

http://www.earthenv.

org/cloud

), SRTM (

http://srtm.csi.cgiar.org/srtmdata/

), and Harmonized World Soil

Database (HWSD,

http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases

).

The MODIS MAIAC product cropped over the study area is available through

fi

gshare

(

https://doi.org/10.6084/m9.

fi

gshare.12751628

). Data sets used to

fi

lter pixels were

obtained from the following sources: Global Forest Change (

https://data.

globalforestwatch.org/datasets/tree-cover-2000

) and CCI-LC database (Burn Area

product v.2.0, 2000

–

2012 epoch,

http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/download.php

).

An access link to the nematode worm data set is provided in the original publication
(

https://gitlab.ethz.ch/devinrouth/crowther_lab_nematodes

). The GLAS data used in

Supplementary Fig. 2 are available from

www.theia-land.fr/en/product/lidar/

.

Code availability

The analysis scripts for the random cross-validation, spatial cross-validation, and
buffered leave-one-out cross-validation are available through

fi

gshare (

https://doi.org/

10.6084/m9.

fi

gshare.12790085

).

Received: 28 January 2020; Accepted: 14 August 2020;

References

1.

Mitchard, E. T. A. The tropical forest carbon cycle and climate change.

Nature

559

, 527

–

534 (2018).

2.

Saatchi, S. S. et al. Benchmark map of forest carbon stocks in tropical regions
across three continents.

Proc. Natl Acad. Sci. USA

108

, 9899

–

9904 (2011).

3.

Baccini, A. et al. Estimated carbon dioxide emissions from tropical deforestation
improved by carbon-density maps.

Nat. Clim. Change

2

, 182

–

185 (2012).

4.

Liu, Y. Y. et al. Recent reversal in loss of global terrestrial biomass.

Nat. Clim.

Change

5

, 470

–

474 (2015).

Random k-fold cv

Spatial k-fold cv

Y

X

B-loo cv

Y

Y(r)

Folds

OBS.

T

raining

Obser

v

ations

T

raining

Test

Test

AGB models: 

Y

1,...,K

AGB models: 

Y

1,...,N

Cross-validation

Statistics

AGB

AGB

x

1

x

2

x

j

1
2

N

AGB

1

2

3

1
2
3
4
5

K

N-N(r)

lterate over K folds

Split into K

random folds

Split into K

spatial folds

Sample 1

observation and

exclude neighbors

within radius r

lterate over N observations

∧

∧

...

Fig. 6 Work

fl

ow of model cross-validation strategies.

Schematic illustration of the three strategies used for model cross-validation (random

K

-fold CV, spatial

K

-fold CV, buffered leave-one-out CV). In

K

-fold CVs, observations within the same fold are represented with a similar symbol and color. In the B-LOO CV, the

test observation is represented as a red dot, training observations as grey squares, and observations within the exclusion buffer (black circle) are crossed.

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

9

Page 10

Figures and page graphics, page 10

5.

Harris, N. L. et al. Baseline map of carbon emissions from deforestation in
tropical regions.

Science

336

, 1573

–

1576 (2012).

6.

Marco, M. D., Watson, J. E. M., Currie, D. J., Possingham, H. P. & Venter, O.
The extent and predictability of the biodiversity

–

carbon correlation.

Ecol. Lett.

21

, 365

–

375 (2018).

7.

Giardina, F. et al. Tall Amazonian forests are less sensitive to precipitation
variability.

Nat. Geosci.

11

, 405

–

409 (2018).

8.

Erb, K.-H. et al. Unexpectedly large impact of forest management and grazing
on global vegetation biomass.

Nature

553

, 73

–

76 (2018).

9.

Zarin, D. J. et al. Can carbon emissions from tropical deforestation drop by
50% in 5 years?

Glob. Change Biol.

22

, 1336

–

1347 (2016).

10. Chaplin-Kramer, R. et al. Degradation in carbon stocks near tropical forest

edges.

Nat. Commun.

6

, 10158 (2015).

11. Brandt, M. et al. Satellite passive microwaves reveal recent climate-induced

carbon losses in African drylands.

Nat. Ecol. Evol.

2

, 827 (2018).

12. Fan, L. et al. Satellite-observed pantropical carbon dynamics.

Nat. Plants

5

,

944

–

951 (2019).

13. Mitchard, E. T. et al. Markedly divergent estimates of Amazon forest carbon

density from ground plots and satellites.

Glob. Ecol. Biogeogr.

23

, 935

–

946 (2014).

14. Mitchard, E. T. et al. Uncertainty in the spatial distribution of tropical forest

biomass: a comparison of pan-tropical maps.

Carbon Balance Manag.

8

, 10

(2013).

15. Avitabile, V. et al. An integrated pan-tropical biomass map using multiple

reference datasets.

Glob. Change Biol.

22

, 1406

–

1420 (2016).

16. Réjou-Méchain, M. et al. Upscaling forest biomass from

fi

eld to satellite

measurements: Sources of errors and ways to reduce them.

Surv. Geophys.

40

,

881

–

911 (2019).

17. Saatchi, S. Mapping tropical forest biomass: synthesis of ground and remote

sensing inventory.

Consult

.

Rep. 2 High Carbon Stock Sci. Study

(2015).

18. Ploton, P. et al. A map of African humid tropical forest aboveground biomass

derived from management inventories.

Sci. Data

7

, 221 (2020).

19. Philippon, N. et al. The light-de

fi

cient climates of Western Central African

evergreen forests.

Environ. Res. Lett

.

14

, 034007 (2018).

20. Saatchi, S. et al. Seeing the forest beyond the trees.

Glob. Ecol. Biogeogr.

24

,

606

–

610 (2015).

21. Mermoz, S., Le Toan, T., Villard, L., Réjou-Méchain, M. & Seifert-Granzin, J.

Biomass assessment in the Cameroon savanna using ALOS PALSAR data.

Remote Sens. Environ.

155

, 109

–

119 (2014).

22. Lewis, S. L. et al. Above-ground biomass and structure of 260 African tropical

forests.

Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci.

368

, 20120295 (2013).

23. Hansen, M. C., Potapov, P. & Tyukavina, A. Comment on

“

Tropical forests

are a net carbon source based on aboveground measurements of gain and
loss

”

.

Science

363

, eaar3629 (2019).

24. Baccini, A. et al. Tropical forests are a net carbon source based on

aboveground measurements of gain and loss.

Science

358

, 230

–

234 (2017).

25. Breiman, L. Random forests.

Mach. Learn

45

, 5

–

32 (2001).

26. Lyapustin, A., Wang, Y., Korkin, S. & Huang, D. MODIS Collection 6 MAIAC

algorithm.

Atmos. Meas. Tech

.

11

, 5741

–

5765 (2018).

27. Fick, S. E. & Hijmans, R. J. WorldClim 2: new 1

‐

km spatial resolution climate

surfaces for global land areas.

Int. J. Climatol.

37

, 4302

–

4315 (2017).

28. Kühn, I. Incorporating spatial autocorrelation may invert observed patterns.

Divers. Distrib.

13

, 66

–

69 (2007).

29. Dormann, C. F. Effects of incorporating spatial autocorrelation into the

analysis of species distribution data.

Glob. Ecol. Biogeogr.

16

, 129

–

138 (2007).

30. Roberts, D. R. et al. Cross-validation strategies for data with temporal, spatial,

hierarchical, or phylogenetic structure.

Ecography

40

, 913

–

929 (2017).

31. Valavi, R., Elith, J., Lahoz

‐

Monfort, J. J. & Guillera

‐

Arroita, G. blockCV: an r

package for generating spatially or environmentally separated folds for k-fold
cross-validation of species distribution models.

Methods Ecol. Evol.

10

,

225

–

232 (2019).

32. Parmentier, I. et al. Predicting alpha diversity of African rain forests: models

based on climate and satellite-derived data do not perform better than a purely
spatial model.

J. Biogeogr.

38

, 1164

–

1176 (2011).

33. Baccini, A., Walker, W., Carvalho, L., Farina, M. & Houghton, R. A. Response

to Comment on

“

Tropical forests are a net carbon source based on

aboveground measurements of gain and loss

”

.

Science

363

, eaat1205 (2019).

34. Xu, L., Saatchi, S. S., Yang, Y., Yu, Y. & White, L. Performance of non-

parametric algorithms for spatial mapping of tropical forest structure.

Carbon

Balance Manag.

11

, 18 (2016).

35. Dormann, C. F. et al. Methods to account for spatial autocorrelation in the

analysis of species distributional data: a review.

Ecography

30

, 609

–

628 (2007).

36. Irwin, A. The ecologist who wants to map everything.

Nature

573

, 478

–

481

(2019).

37. Legendre, P. Spatial autocorrelation: trouble or new paradigm?

Ecology

74

,

1659

–

1673 (1993).

38. Meyer, H., Reudenbach, C., Wöllauer, S. & Nauss, T. Importance of

spatial predictor variable selection in machine learning applications

–

Moving

from data reproduction to spatial prediction.

Ecol. Model.

411

, 108815 (2019).

39. Strobl, C., Boulesteix, A.-L., Kneib, T., Augustin, T. & Zeileis, A. Conditional

variable importance for random forests.

BMC Bioinformatics

9

, 307 (2008).

40. Lefsky, M. A. et al. Estimates of forest canopy height and aboveground

biomass using ICESat.

Geophys. Res. Lett

.

32

, L22S02 (2005).

41. Réjou-Méchain, M. et al. Upscaling Forest biomass from

fi

eld to satellite

measurements: sources of errors and ways to reduce them.

Surv. Geophys

.

40

,

881

–

911 (2019).

42. Mitchard, E. T. A. et al. Comment on

‘

A

fi

rst map of tropical Africa

’

s above-

ground biomass derived from satellite imagery

’

.

Environ. Res. Lett.

6

, 049001

(2011).

43. Asner, G. P. et al. High-resolution carbon mapping on the million-hectare

Island of Hawaii.

Front. Ecol. Environ.

9

, 434

–

439 (2011).

44. Asner, G. P. et al. Human and environmental controls over aboveground

carbon storage in Madagascar.

Carbon Balance Manag.

7

, 2 (2012).

45. Asner, G. P. et al. High-resolution mapping of forest carbon stocks in the

Colombian Amazon.

Biogeosciences

9

, 2683 (2012).

46. Asner, G. P. et al. Mapped aboveground carbon stocks to advance forest

conservation and recovery in Malaysian Borneo.

Biol. Conserv.

217

, 289

–

310

(2018).

47. Xu, L. et al. Spatial distribution of carbon stored in forests of the Democratic

Republic of Congo.

Sci. Rep.

7

, 15030 (2017).

48. Schepaschenko, D. et al. The Forest Observation System, building a global

reference dataset for remote sensing of forest biomass.

Sci. Data

6

, 1

–

11

(2019).

49. Chave, J. et al. Ground data are essential for biomass remote sensing missions.

Surv. Geophys.

40

, 863

–

880 (2019).

50. van den Hoogen, J. et al. Soil nematode abundance and functional group

composition at a global scale.

Nature

572

, 194

–

198 (2019).

51. Steidinger, B. S. et al. Climatic controls of decomposition drive the global

biogeography of forest-tree symbioses.

Nature

569

, 404

–

408 (2019).

52. Bastin, J.-F. et al. The global tree restoration potential.

Science

365

, 76

–

79

(2019).

53. Trabucco, A. & Zomer, R. J. Global aridity index (global-aridity) and global

potential evapo-transpiration (global-PET) geospatial database. CGIAR
Consort Spat Information (2009).

54. Wilson, A. M. & Jetz, W. Remotely sensed high-resolution global cloud

dynamics for predicting ecosystem and biodiversity distributions.

PLoS Biol.

14

, e1002415 (2016).

55. Bowman, D. M., Williamson, G. J., Keenan, R. J. & Prior, L. D. A warmer

world will reduce tree growth in evergreen broadleaf forests: evidence from A
ustralian temperate and subtropical eucalypt forests.

Glob. Ecol. Biogeogr.

23

,

925

–

934 (2014).

56. Malhi, Y. et al. Exploring the likelihood and mechanism of a climate-change-

induced dieback of the Amazon rainforest.

Proc. Natl Acad. Sci. USA

106

,

20610

–

20615 (2009).

57. Rennó, C. D. et al. HAND, a new terrain descriptor using SRTM-DEM:

Mapping terra-

fi

rme rainforest environments in Amazonia.

Remote Sens.

Environ.

112

, 3469

–

3481 (2008).

58. Nachtergaele, F., Velthuizen, H. V., Verelst, L. & Wiberg, D. Harmonized

World Soil Database (HWSD) (Food and Agriculture Organization, U. N.
Rome, 2009).

59. Defourny, P. et al.

Algorithm Theoretical Basis Document for Land Cover

Climate Change Initiative

. Technical report (European Space Agency, 2014).

60. Segal, M. & Xiao, Y. Multivariate random forests.

WIREs Data Min. Knowl.

Discov.

1

, 80

–

87 (2011).

61. CCI, ESA.

New Release of 300 m Global Land Cover and 150 m Water Products

(v.1.6.1) and new version of the User Tool (3.10) for Download

(ESA CCI Land

cover website, 2016).

Acknowledgements

P.P. was supported by a postdoctoral grant from the 3DForMod project. 3DForMod was
funded in the framework of the ERA-NET FACCE ERA-GAS (ANR-17-EGAS-0002-01),
which has received funding from the European Union

’

s Horizon 2020 research and

innovation program under Grant Agreement No. 696356.

Author contributions

P.P., F.M., and R.P. conceived the study, analyzed the data, and led the writing of the
paper. S.G.F., N. Bay., and G.C. collated

fi

eld data. A.L. and G.V. processed MAIAC data.

M.R-.M., N. Bar., N.P., V.R., and C.D. commented on the analyses and provided critical
inputs for the writing of the paper.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

10

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

Page 11

Figures and page graphics, page 11

Additional information

Supplementary information

is available for this paper at

https://doi.org/10.1038/s41467-

020-18321-y

.

Correspondence

and requests for materials should be addressed to P.P.

Peer review information

Nature Communications

thanks Alexandra Morel and the

other, anonymous, reviewer for their contribution to the peer review of this work. Peer
reviewer reports are available.

Reprints and permission information

is available at

http://www.nature.com/reprints

Publisher

’

s note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in

published maps and institutional af

fi

liations.

Open Access

This article is licensed under a Creative Commons

Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing,

adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give
appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative
Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party
material in this article are included in the article

’

s Creative Commons license, unless

indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the
article

’

s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory

regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from
the copyright holder. To view a copy of this license, visit

http://creativecommons.org/

licenses/by/4.0/

.

© The Author(s) 2020

NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y

ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS

|         (2020) 11:4540  | https://doi.org/10.1038/s41467-020-18321-y | www.nature.com/naturecommunications

11


Document Outline