Back to report · Publisher record

Wadoux et al. (2020). Machine learning for digital soil mapping: Applications, challenges and suggested solutions

Page 1

Figures and page graphics, page 1

This manuscript is a

non-peer reviewed

preprint that has been submitted for publi-

cation. Subsequent versions of this manuscript may have updated content. Feedback
and comments are welcomed, feel free to contact the corresponding author:

Alexandre Wadoux

alexandre.wadoux@sydney.edu.au

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Machine learning for digital soil mapping: applications,

challenges and suggested solutions

Alexandre M.J-C. Wadoux

a,

∗

, Budiman Minasny

a

, Alex B. McBratney

a

a

Sydney Institute of Agriculture & School of Life and Environmental Sciences, The University of

Sydney, Australia

Abstract

The uptake of machine learning (ML) algorithms in digital soil mapping (DSM)

is transforming the way soil scientists produce their maps. Machine learning is cur-
rently applied to mapping soil properties or classes much in the same way as other
unrelated fields of science. Mapping of soil, however, has unique aspects which require
adaptations of the ML algorithms. These features are for example, but not limited
to, the inclusion of pedological knowledge into the ML algorithm, the accounting
of spatial structure present in the soil data, or the desire to increase our scientific
understanding of the distribution and genesis of soil from a calibrated ML model.
Tackling these challenges is critical for machine learning to gain credibility and sci-
entific consistency in soil science. In this article, we review the current applications
of machine learning in digital soil mapping and suggest improvements. We found a
growing interest of the use of ML in DSM. Most studies focus on obtaining accurate
maps and disregard the characteristics of soil data, such as spatial autocorrelation.
Only a few studies account for existing soil knowledge or quantify the uncertainty
of the predicted maps. We then discuss the challenges related to the application of
ML for soil mapping and offer solutions from existing studies in the natural sciences.
The challenges are organized as follows: sampling, resampling, accounting for the
spatial information, multivariate mapping, uncertainty analysis, validation, integra-
tion of pedological knowledge and, interpretation of the models. We conclude that
for future developments, machine learning should incorporate three core elements:

plausibility

,

interpretability

, and

explainability

, which will trigger soil scientists to

move beyond model prediction and towards explanation of soil processes.

∗

Corresponding author: Sydney Institute of Agriculture & School of Life and Environmental

Sciences, The University of Sydney, New South Wales, Australia

Email address:

alexandre.wadoux@sydney.edu.au

(Alexandre M.J-C. Wadoux)

Preprint (Review article)

February 6, 2020

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Keywords:

Soil science, Pedometrics, Data mining, Spatial data, Geostatistics,

Random forest

1. Introduction

In recent years, soil science has witnessed a considerable increase in digital soil

1

mapping activities. This is caused by the convergence of several timely factors which

2

are, among others, a huge demand for quantitative and spatial soil information, the

3

accumulation of databases of measured or inferred soil properties coupled with ex-

4

haustively known environmental variables and the development of numerical models

5

combined with computer resources to mine these stores of soil data. The digital soil

6

mapping (DSM) framework was formalized by the publication of

McBratney et al.

7

(

2003

) which builds on Jenny’s

S

=

clorpt

model (

Jenny

,

1941

) of soil formation,

8

where

S

is the soil and the acronym

clorpt

stands for climate, organisms, relief, par-

9

ent material and time, respectively. In short,

clorpt

is a list of variables which, if

10

they are known without error, are likely to explain the soil variation over a region.

11

McBratney et al.

(

2003

) supplemented Jenny’s formulation with

n

, which stands for

12

spatial position, and advocated the

scorpan

model for soil spatial variation. This

13

updated equation provides a spatial model to express quantitatively the relationship

14

between a soil property or class and environmental variables, for a given spatial lo-

15

cation.

16

17

Conventionally, spatial prediction of soil has been embedded in the geostatisti-

18

cal framework (

Heuvelink & Webster

,

2001

) in which a sample of a soil property is

19

modelled as a sum of a linear combination of environmental covariates and a spa-

20

tially autocorrelated (stochastic) residual, and prediction at unobserved locations is

21

made by kriging. Geostatistical models are often used in soil mapping because they

22

have several advantages (

Oliver

,

1987

). First, a statistically sound model is assumed

23

for spatial variation. This enables interpretation of the underlying physical processes

24

conveyed (inferred) by the model. Secondly, spatial autocorrelation is explicitly mod-

25

elled. This is relevant for environmental variables such as soil which vary from place

26

to place, but exhibit correlation between places. Thirdly, an explicit measure of the

27

uncertainty is associated with the prediction. In many circumstances such as in a

28

decision making process, the prediction is not the only interest and uncertainty maps

29

are required for the evaluation of the map quality or modelling risk.

30

31

Geostatistical mapping of soil has, conversely, several limitations which have only

32

partially been resolved in the current literature. To begin, the residuals are as-

33

2

Page 4

Figures and page graphics, page 4

sumed normally distributed, stationary (with constant mean and unit variance) and

34

isotropic. Next, modelling the non-linear relation between a soil property or class

35

and numerous cross-correlated covariates is not straightforward and introduces addi-

36

tional challenges (e.g. many parameters have to be estimated). Finally, geostatistical

37

models are computationally demanding if the sample size and/or the number of pre-

38

diction locations are large (

Cressie & Johannesson

,

2008

).

39

40

As an alternative, machine learning (ML) emerged in the 1990s as a tool for

41

spatial prediction and digital soil mapping (

Lagacherie

,

2008

). Machine learning

42

techniques refer to a large class of non-linear data-driven algorithms employed pri-

43

marily for data mining and pattern recognition purposes, and now frequently used for

44

regression and classification tasks in all fields of science. ML algorithms do not make

45

an assumption of the observations’ distribution, unlike geostatistical methods where

46

transformation of the original observations is often required to satisfy the assump-

47

tions. ML algorithms can also handle a large number of cross-correlated covariates

48

as predictor.

49

50

In parallel, there has been a tremendous increase in the production and availabil-

51

ity of regional and global soil databases. For example, the Soil and Terrain Digital

52

Database (SOTER,

Oldeman & Van Engelen

(

1993

)) made by FAO-UNESCO com-

53

piled quantitative information on soil and terrain for different parts of the world while

54

WoSIS is a harmonised database of more than 6 million geo-referenced soil records

55

(

Batjes et al.

,

2017

). Additionally, numerous spatially exhaustive

scorpan

covariates

56

are available at global scale for climate (

Fick & Hijmans

,

2017

), elevation (

Yamazaki

57

et al.

,

2017

), and parent material (

Hartmann & Moosdorf

,

2012

). Further potential

58

covariates are provided by remote sensing such as by the MODIS (

Mira et al.

,

2015

)

59

satellite or Sentinel-2A hyperspectral sensor (

Gascon et al.

,

2017

). Soil mappers

60

are now confronted with an increasing complexity in both soil data and covariates.

61

Conventional regression techniques seem, to some extent, outdated to accommodate

62

the increased complexity of soil datasets. This justifies the increasing use of machine

63

learning algorithms for digital soil mapping.

64

65

An essential distinction between conventional (statistical and geostatistical) mod-

66

els and ML algorithms applied in DSM is their purpose. Machine learning algorithms

67

mostly emphasize prediction accuracy whereas statistical models infer the process

68

which generated the data through a pre-defined model of spatial variation. In the

69

latter case, any interpretation is made in light of the model functions and the value of

70

the covariates or input data. In machine learning, a predictive model is constructed

71

3

Page 5

Figures and page graphics, page 5

to predict a set of input values to output values using an error-minimization proce-

72

dure. Since ML algorithms are not conditioned to follow any statistical assumptions,

73

they often appear more accurate than conventional models. The exact path between

74

input and output is ignored, and may not resemble an actual process described by

75

the existing knowledge. In soil science, the explosion of articles using ML algorithms

76

have made difficult to see the difference between model fitting and inference, and,

77

as a result between data science and soil science. Research seems to be driven by

78

the technique rather than by the hypothesis to be tested. This seems a poor bet

79

for the advancement of knowledge since “almost invariably the technician’s skill is a

80

solution looking for a problem” (

Braben

,

1985

).

81

82

In DSM, the use of ML algorithms has led to an increasing number of publica-

83

tions where prediction (viz. mapping) of a soil property or class is the main interest.

84

Many “easy-to-follow” software implementations have supported this increase. Dig-

85

ital soil mapping, however, has unique characteristics which require adaptation of

86

the ML algorithms. These features are for example, but not limited to, the inclusion

87

of pedological knowledge in the ML algorithm, the accounting of spatial structure

88

present in the raw soil data, or the need to increase our scientific understanding of

89

the soil from a calibrated ML model.

90

91

This article aims to review the development of ML applied to digital soil mapping

92

by identifying key challenges and opportunities to solve them from the literature. In

93

this review, we define ML as the computer assisted practice of using data-driven (and

94

mostly non-linear) algorithms which resort to a large amount of calibration data to

95

learn a pattern and make a prediction. We start by reviewing and summarizing the

96

current use of machine learning in DSM. Based on this summary, we identify gaps in

97

the knowledge and define areas in which adapting ML algorithms would be beneficial

98

for their use in DSM. We propose solutions and a framework based on the literature

99

from different fields of natural science. Finally, we define three core elements that

100

should trigger soil scientists to move from model prediction to explanation of soil

101

processes.

102

2. A summary of applications

103

2.1. Extent, resolution, depths

104

Table

1

summarizes some recent case studies of digital soil maps that have been

105

produced using a ML algorithm. There is a large range of case studies, mapping soil

106

properties or classes from the plot (

<

1 km

2

) to the global (

>

10

7

km

2

) scale. Most

107

4

Page 6

Figures and page graphics, page 6

studies in our literature review predict at a local to regional scale. The mean extent

108

of the study area is 3,900 km

2

, but most (90%) studies consider a study area smaller

109

than 650,000 km

2

(equivalent to the size of metropolitan France). Few studies map

110

at plot or global scales. For example,

Pouladi et al.

(

2019

) make a quantitative map

111

over a 10 ha (0.1 km

2

) field in Denmark while

Hengl et al.

(

2017a

) produce quanti-

112

tative and categorical maps for the whole world.

113

114

We found a clear correlation between the spatial extent of the study area and the

115

grid spacing (i.e. the spacing between point predictions) at which the soil property or

116

class is mapped: the larger the study area, the coarser the resolution. The resolution

117

spans between 2 m

×

2 m (

Lacoste et al.

,

2014

) to 1 km

×

1 km for large, regional

118

or continental study areas (e.g.

Hengl et al.

,

2014

). Most studies, however, map at a

119

standard spatial resolution of 30, 90 or 250 m.

120

121

While most of the studies (70%) predict a soil property or class for a single depth

122

(topsoil), a number of studies accounts for the soil variation at multiple depths.

123

Viscarra-Rossel et al.

(

2015

) follow the GlobalSoilMap project specifications (

Ar-

124

rouays et al.

,

2014

) to produce a quantitative three dimensional map of several soil

125

properties for six depths intervals, namely 0-0.05 m, 0.05-0.15 m, 0.15-0.30 m, 0.30-

126

0.60 m, 0.60-1.00 m and 1.00-2.00 m. Similar depth intervals are used in

Mulder et al.

127

(

2016

) and

Adhikari et al.

(

2014

) for soil organic prediction in France or Denmark,

128

respectively. Several other studies (e.g.

Grimm et al.

,

2008

;

Lacoste et al.

,

2014

) use

129

standard depth intervals for prediction, based on national mapping requirements or

130

suitable for their specific case study.

131

2.2. Sampling design, sample size and density

132

The sampling design is the spatial location of the sampling units used to cal-

133

ibrate or validate the ML algorithm.

Most studies do not specify the sampling

134

design used to generate the observations. It is speculated that the sample originates

135

from multiple sources, e.g. legacy data, expert-based designs, and combination of

136

several surveys, each of which had a different sampling design. When specified, non-

137

probability sampling such as grid-based sampling designs are by far the most used

138

(e.g. by

Pahlavan-Rad & Akbarimoghaddam

,

2018

;

Sergeev et al.

,

2019

;

Sharififar

139

et al.

,

2019

). Another non-probability sampling design is conditioned Latin Hyper-

140

cube (cLHS), used to collect a sample in

Lacoste et al.

(

2014

);

Brungard et al.

(

2015

).

141

Probability sampling is used in about one fourth of the studies. For example, simple

142

random sampling is used in

Tziachris et al.

(

2019

), while a sample is collected based

143

on stratified random sampling in

Wiesmeier et al.

(

2011

) using land use and topog-

144

5

Page 7

Figures and page graphics, page 7

raphy as stratifying variables.

145

146

In our literature review, we found that the sample size varies considerably be-

147

tween studies. While the average sample is composed of 1,000 units, about one third

148

of the studies use a sample with less than 150 units, mostly for local or small-scale

149

regional areas. For example,

Blanco et al.

(

2018

) use a sample of size 47 for mapping

150

soil water retention in a 93 km

2

area while

Massawe et al.

(

2018

) observed 33 soil

151

profiles to calibrate a ML algorithm and to predict soil taxa over a 11,600 km

2

area.

152

As expected, global studies have very large sample sizes.

Hengl et al.

(

2017a

) and

153

Ramcharan et al.

(

2018

) use a sample composed of more than 150,000 units to make

154

soil property or class maps of the whole world, or of the United States, respectively.

155

156

When the sample size is associated to the extent of the study area, our review

157

shows that large-scale studies have a very coarse sampling density. While the average

158

sampling density in our literature is 0.24 units/km

2

, studies by

Beguin et al.

(

2017

)

159

and

Wang et al.

(

2017

) have both a sampling density smaller than 3 units/10,000 km

2

160

for mapping soil properties in the rangelands of eastern Australia or in the Canadian

161

boreal forests. Small-scale studies have, conversely, high sampling density. All studies

162

with area size less than 50 km

2

have a sampling density larger than 7 units/km

2

.

163

2.3. What is mapped?

164

2.3.1. Quantitative variables

165

ML algorithms have been successfully applied for quantitative mapping of vari-

166

ous soil properties such as soil organic carbon concentration (

Henderson et al.

,

2005

;

167

Bui et al.

,

2009

;

Kheir et al.

,

2010b

;

Dai et al.

,

2014

;

Siewert

,

2018

;

Pouladi et al.

,

168

2019

) and associated stocks (

Grimm et al.

,

2008

;

Adhikari et al.

,

2014

;

Ließ et al.

,

169

2016

;

Wang et al.

,

2017

;

McNicol et al.

,

2019

), to map soil texture (viz. clay, silt

170

and sand content) (

Ließ et al.

,

2012

;

Akpa et al.

,

2014

;

Vaysse & Lagacherie

,

2015

;

171

da Silva Chagas et al.

,

2016

), pH (

Dharumarajan et al.

,

2017

), or cation exchange

172

capacity (

Forkuor et al.

,

2017

).

173

174

ML algorithms have also been applied to make maps of soil nutrients such as

175

nitrogen (

Viscarra-Rossel et al.

,

2015

;

Forkuor et al.

,

2017

), phosphorus (

Viscarra-

176

Rossel et al.

,

2015

;

Hengl et al.

,

2017b

;

Song et al.

,

2018

), potassium, calcium or

177

magnesium (

Hengl et al.

,

2017b

).

178

179

A number of studies have also predicted soil attributes and conditions with ma-

180

chine learning such as bulk density (

Viscarra-Rossel et al.

,

2015

) or soil pollutants

181

6

Page 8

Figures and page graphics, page 8

(

Kheir et al.

,

2010a

).

Wu et al.

(

2016

) map soil background concentrations of arsenic

182

in the Jiangxi Province in China.

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2016

) map soil salin-

183

ity in Iran.

Tajik et al.

(

2019

) map soil invertebrate using environmental covariates

184

in a deciduous forest ecosystem in northern Iran while

Malone et al.

(

2009

) map

185

carbon storage and available water capacity in an area in eastern Australia.

186

2.3.2. Categorical variables

187

Compared with continuous soil property mapping, fewer studies apply ML to

188

categorical variables. Digital mapping of soil classes using machine learning started

189

in the 90s. Probably the first of its kind,

Lagacherie & Holmes

(

1997

) predict soil

190

classes in a regional area while

Cialella et al.

(

1997

) predict soil drainage classes

191

using remote sensing and elevation covariates.

Behrens et al.

(

2005

) map soil units

192

in a 600 km

2

area of Western Germany. These studies have recently been completed

193

by a number of publications comparing the maps predicted by a ML model to con-

194

ventional soil maps (e.g.

Zeraatpisheh et al.

,

2017

).

Scull et al.

(

2005

);

Brungard

195

et al.

(

2015

);

Heung et al.

(

2016

);

Hounkpatin et al.

(

2018

) employ machine learning

196

to classify soil taxonomic units.

Vermeulen & Van Niekerk

(

2017

) map salt-affected

197

areas in irrigation schemes in South Africa. Table

1

provides an additional summary

198

of case studies.

199

200

A special case of categorical mapping occurs when the map of soil class already

201

exists but needs to be disaggregated.

Bui et al.

(

1999

) and

Moran & Bui

(

2002

)

202

use a decision tree to disaggregate an existing map and obtain a realization of the

203

disaggregated soil class distribution. With multiple realizations, the most probable

204

soil class is obtained for a given location. This is further investigated by

Hansen

205

et al.

(

2009

) to disaggregate a reconnaissance soil map using a binary decision tree.

206

A similar approach with decision tree is used in

H¨

aring et al.

(

2012

) to downscale

207

soil types within existing map unit boundaries. More recently,

Odgers et al.

(

2014

)

208

use ML to model and disaggregate soil classes and report the probability associated

209

to each soil class at a given location in the area of interest. A growing number of

210

publication exploits the DSMART approach proposed by

Odgers et al.

(

2014

) (e.g.

211

Holmes et al.

,

2014

;

Vincent et al.

,

2018

;

Ellili et al.

,

2019

).

212

2.4. Covariates

213

Environmental covariates are used as predictors in ML algorithms. They are

214

supposed to explain part of the physical and chemical process governing soil spa-

215

tial variation. Most studies use about 20 covariates. Only a few use less than five

216

(e.g.

Dai et al.

,

2014

;

Padarian et al.

,

2019

) while other use more than 100 (e.g

Hengl

217

7

Page 9

Figures and page graphics, page 9

et al.

,

2017a

;

Ramcharan et al.

,

2018

). Since the covariates represent soil forming fac-

218

tors, numerous studies (e.g.

Viscarra-Rossel & Chen

,

2011

;

Wang et al.

,

2018

;

Gomes

219

et al.

,

2019

;

Szatm´

ari & P´

asztor

,

2019

) logically select the covariates to represent the

220

key factors of the

scorpan

model of soil spatial variation. The most common ones

221

are existing soil property or class maps, (long-term) average annual precipitation

222

and temperature, remote sensing images (e.g. SPOT satellite images or vegetation

223

indices derived from satellite images), elevation, terrain attributes (e.g. slope, local

224

curvature, topographic wetness index) and existing geological maps.

225

226

Covariates representing

scorpan

factor of soil variation might not be available or

227

easily obtainable in all case studies. In some cases, covariates are chosen based on

228

expert knowledge. A number of studies therefore calibrate machine learning algo-

229

rithms using sets of climatic variables, remote sensing images or terrain attributes

230

only, or a combination of them. For example,

Mansuy et al.

(

2014

) use a set of

231

eight climatic and eight terrain attribute variables to map C, N and soil texture in a

232

large area in Canada.

Sharififar et al.

(

2019

) use six terrain attributes as predictors.

233

There are chosen from a large set of environmental covariates using knowledge on

234

the expected relationship between the covariate and the soil property to be mapped.

235

We note that a few studies (e.g.

Hengl et al.

,

2018

;

Miller et al.

,

2015a

) consider

236

that if a sufficiently large (

>

100) number of covariates is used for calibration, the

237

machine learning algorithm learns a representation of the spatial pattern and pre-

238

dicts a realistic spatial pattern. This large amount of covariates relies mostly on

239

remote sensing images, e.g. MODIS land products (long-term averages, several near-

240

or mid-infrared bands) or Landsat products (near-, short-wave near-infrared, or

γ

241

radiometric bands, bare ground images).

242

243

A few studies account for the multi-scale variation of the environmental covari-

244

ates. In other words, terrain derivatives may well be aggregated to account for

245

physical processes in soil that are not visible are finer scale. Examples of studies us-

246

ing multi-scale covariates for mapping with machine learning algorithms are

Behrens

247

et al.

(

2010

),

Miller et al.

(

2015b

) or more recently

Behrens et al.

(

2018a

).

Miller

248

et al.

(

2015b

), for example, use a total of 412 covariates, several of which are derived

249

from the aggregation of terrain attributes from a fine (i.e. a grid cell size of 2 m

×

250

2 m) elevation map.

251

252

A growing number of studies have advocated the use of spatial surrogate covari-

253

ates as an indicator of spatial position in the

scorpan

model of soil variation The

254

most common surrogate is the use of geographical coordinates (easting and northing)

255

8

Page 10

Figures and page graphics, page 10

as covariates in the model. Maps of distances from observation locations, or group

256

of locations, have been used by

Hengl et al.

(

2018

). They are categorized into Eu-

257

clidean, downslopes or “resistance” distances. More recently,

Behrens et al.

(

2018b

)

258

use Euclidean distance fields, which are maps of distance from reference locations in

259

the study area such as a corner or a center.

260

2.5. Covariate selection

261

Covariate (

aka

feature) selection aims at reducing the number of covariates used

262

to calibrate the machine learning models. While most ML models are robust to mul-

263

ticolinearity between covariates, there are several reasons for selecting a subset of

264

covariates to calibrate the model. Some of them are: (i) to calibrate the ML model

265

faster, (ii) to reduce complexity, (ii) to increase the prediction accuracy or (iv) to

266

prevent over-fitting of the ML model, i.e. to prevent poor prediction accuracy on

267

unseen data. In our literature review, about one third of the studies apply covariate

268

selection. Two main categories of covariate selection techniques are found. The first

269

applies the covariate selection as a pre-processing step, i.e. before calibrating the ML

270

model. This is the case in

Zhu et al.

(

2019

);

Hamzehpour et al.

(

2019

);

Zeraatpisheh

271

et al.

(

2019

).

Hamzehpour et al.

(

2019

) select the covariates to be used in calibration

272

by computing the Pearson’s

r

correlation coefficient between the covariates, and by

273

discarding the ones that were highly correlated, while

Mosleh et al.

(

2016

) select the

274

covariates based on the Pearson

r

correlation coefficient between the soil property

275

values and the covariates, and select a subset of covariates which are strongly corre-

276

lated with the property. The second type of covariate selection are called “wrapper”

277

methods and rely on the inference made by a calibrated ML model to determine

278

whether covariates are important. By re-calibrating a ML model several times, each

279

time removing the least important covariate, one may expect to reduce considerably

280

the overall number of covariates with little or no decrease in model prediction accu-

281

racy. Examples on the use of “wrapper” methods are found in

Taghizadeh-mehrjardi

282

et al.

(

2016

);

Shi et al.

(

2018

);

Rudiyanto et al.

(

2018

);

Tajik et al.

(

2019

) or

Gomes

283

et al.

(

2019

). The most used of “wrapper” methods is an optimization algorithm

284

called recursive feature elimination.

285

286

2.6. Machine learning models

287

A large number of ML algorithms and their variants have been used in the DSM

288

literature.

For quantitative mapping, tree-based algorithms are the most popu-

289

lar ones, the simplest version of which is the regression tree, used for example by

290

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2016

). Regression tree is known to be sensitive to the

291

9

Page 11

Figures and page graphics, page 11

calibration sample. To solve this problem, the bagging (bootstrap and aggregating)

292

procedure (

Breiman

,

2017

) has been introduced in random forest (RF). Our litera-

293

ture review shows that RF is currently the most popular ML algorithm for regression

294

purposes. Example of case studies using RF for mapping are

Tziachris et al.

(

2019

);

295

Vaysse & Lagacherie

(

2015

);

Forkuor et al.

(

2017

);

Dharumarajan et al.

(

2017

);

Liu

296

et al.

(

2019

). More recently,

Vaysse & Lagacherie

(

2017

) introduced a variant of

297

random forest, called quantile regression forest, as a method to map the uncertainty

298

associated with the prediction of the soil property. Another tree-based method is

299

cubist, employed in about 10% of the reviewed literature (e.g. by

Mulder et al.

,

2016

;

300

Viscarra-Rossel et al.

,

2015

;

Miller et al.

,

2015a

). A few studies (less than five) use

301

boosted regression tree (

Yang et al.

,

2016

;

Beguin et al.

,

2017

). In addition, a num-

302

ber of studies use neural networks (

Lamichhane et al.

,

2019

) algorithms (

Aitkenhead

303

& Coull

,

2016

;

Guevara et al.

,

2018

), such as artificial neural networks (

Dai et al.

,

304

2014

). A relatively small number of studies use alternative algorithms such as sup-

305

port vector machines (

Guevara et al.

,

2018

),

k

-nearest neighbours (

Mansuy et al.

,

306

2014

) or generalized boosted regression (

Tziachris et al.

,

2019

;

Gomes et al.

,

2019

).

307

308

For classification purposes, tree-based algorithms are also the most popular ones.

309

About 80% of the case studies used at least one tree-based algorithm such as regres-

310

sion tree (e.g.

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

,

2019b

;

Heung et al.

,

2016

), random forest

311

(e.g.

H¨

aring et al.

,

2012

) or boosted regression tree (e.g.

Lorenzetti et al.

,

2015

). Al-

312

ternatively, gradient boosting is used by

Hengl et al.

(

2017a

),

k

-nearest neighbors by

313

Vermeulen & Van Niekerk

(

2017

) and compared to support vector machines. The

314

latter algorithm is also used in

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2019b

). Neural networks

315

is also popular and used in

Behrens et al.

(

2005

);

Heung et al.

(

2016

).

316

317

Recent studies have proposed to use model ensemble techniques to improve the

318

predicted map of several individual models in terms of accuracy.

Taghizadeh-Mehrjardi

319

et al.

(

2019a

) combined seven ML model predictions for soil class mapping in a case

320

study in Iran while

Song et al.

(

2020

) implemented a weighted ensemble learning

321

model to map soil organic carbon in consideration of pedoclimatic zones in China.

322

Ensembles are also considered in

Hengl et al.

(

2017a

) for global soil mapping.

323

2.7. Parameter tunning

324

The performance of a machine learning model is impacted by the values of its

325

model parameters. While most ML would perform well on default tuning parameter

326

values, almost half of the studies perform a search to find optimal values.

Padar-

327

ian et al.

(

2019

) manually decide the artificial neural network neurons number for

328

10

Page 12

Figures and page graphics, page 12

each layer of the network. This manual search is automated by a so-called grid-

329

search process. This is by far the most used technique for parameter tuning. In a

330

grid-search process, a number of parameter values are evaluated based on the model

331

prediction error. The process is computationally intensive (the ML model must be

332

calibrated for each parameter set proposal). Examples of studies using a grid-search

333

to find ML parameter values are

Ottoy et al.

(

2017

);

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

334

(

2016

);

Pahlavan-Rad & Akbarimoghaddam

(

2018

);

Sergeev et al.

(

2019

);

Forkuor

335

et al.

(

2017

);

Ramcharan et al.

(

2018

). An alternative to the grid search is to apply

336

an optimization algorithm, such as the particle swarm method, to find optimal pa-

337

rameter values. For example,

Wu et al.

(

2016

) compare two genetic algorithms and

338

a grid search process to find the ML parameters. Recently,

Wadoux et al.

(

2019b

)

339

use Bayesian optimization to optimize the number of layers, the neuron number,

340

the learning rate and the batch size of an artificial neural network for mapping soil

341

organic carbon.

342

2.8. Validation and uncertainty quantification

343

In our literature review, all studies compute at least one validation statistic to

344

assess the quality of the prediction. A list of validation statistics is provided in

345

Table

1

. About 30% of the studies obtain the validation statistics through cross-

346

validation, while 30% through data-splitting. The remaining studies either repeat

347

data-splitting several times, validate through visual examination or use a grid-based

348

sampling design. Only two studies collect an additional probability sample for vali-

349

dation (

Subburayalu & Slater

,

2013

;

Lacoste et al.

,

2014

).

350

351

In addition to the validation statistics, about 30% of the studies quantify the

352

uncertainty associated with the prediction. These studies report confidence inter-

353

val, obtained by bootstrapping the original set of observations (e.g.

Chen et al.

,

354

2019

;

Padarian et al.

,

2019

;

Hamzehpour et al.

,

2019

). A few studies use the kriging

355

variance computed on the residuals of a trend obtained by predicting with a ML al-

356

gorithm (e.g.

Koch et al.

,

2019

), or a combination of bootstrap and kriging variance

357

(e.g.

Viscarra-Rossel et al.

,

2015

). In three studies, prediction intervals are obtained

358

through the quantile regression forest.

Wadoux

(

2019b

) obtain the prediction inter-

359

vals following a two-step procedure called mean plus variance estimate for mapping

360

several soil properties using an artificial neural network.

361

11

Page 13

Figures and page graphics, page 13

Table 1: Non-exhaustive list with summary of case studies in which machine learning algorithms are used for digital soil mapping.

Spatial
extent

1

Sample size

Sampling design

Number of
covariates

Machine learning
model

2

Covariate
selection

Parameter
tuning

Validation statis-
tics

3

Uncertainty
quantification

Reference

Quantitative maps

Plot

285

grid-based

19

cubist, RF

no

no

R

2

, RMSE

no

Pouladi et al.

(

2019

)

Local

47

stratified random

41

RF

yes

yes

RMSE, IQR

yes

Blanco et al.

(

2018

)

Local

70

cLHS

19

cubist

no

no

MAE, RMSE, R

2

,

CCC

yes

Lacoste et al.

(

2014

)

Local

75

grid-based

9

ANN

no

no

R

2

, MSE

no

Kalambukattu et al.

(

2018

)

Local

98

varied sources

173

RF

yes

no

RMSE, R

2

no

Shi et al.

(

2018

)

Local

116

simple random

20

RF

no

no

R

2

, RMSE, CCC

no

Dharumarajan et al.

(

2017

)

Local

117

not specified

13

GBM

yes

yes

R

2

, RMSE, MAE

yes

Hamzehpour et al.

(

2019

)

Local

117

not specified

412

cubist

yes

no

ME, MAE, R

2

,

R

2

adj

no

Miller et al.

(

2015b

)

Local

120

stratified random

not speci-
fied

RF

no

no

ME, RMSE, R

2

,

MSE

no

Wiesmeier et al.

(

2011

)

Local

120

stratified random

22

ANN, BRT

yes

yes

R

2

, RMSE, ME

no

Mosleh et al.

(

2016

)

Local

137

systematic random

20

ANN, GEP

yes

yes

RMSE, R

2

, MBE

no

Mahmoudabadi et al.

(

2017

)

Local

138

not specified

15

RF

yes

no

RMSE, R

2

, CCC

no

Zhu et al.

(

2019

)

Local

150

grid-based

not speci-
fied

ANN

no

yes

correlation coeffi-
cient, R

2

, RMSE,

Willmott’s in-
dex of agreement,
RPIQ

no

Sergeev et al.

(

2019

)

Local

151

not specified

not speci-
fied

no

no

R

2

, NRMSD

no

Kovaˇ

cevi´

c et al.

(

2010

)

Local

153

grid-based

26

RF

yes

no

RMSE, R

2

no

Tajik et al.

(

2019

)

Local

159/34

not specified

37

RF, cubist, QRF, NN,
avNNet, ctree, evtree,
GBM,

k

-NN, RT,

SVM

yes

no

R

2

, RMSE, MAE,

MARE

yes

Rudiyanto et al.

(

2018

)

Local

165

stratified random

18

RF

no

yes

MSE, NMSE

no

Grimm et al.

(

2008

)

Local

173 profiles

cLHS

19

Rf

no

no

ME, RMSE, R

2

no

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2014

)

Local

188 profiles

cLHS

16

ANN, SVR,

k

-NN,

RF, RT

no

yes

RMSE, CCC

no

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2016

)

Local

234

not specified

410

cubist

yes

no

MAE, R

2

yes

Miller et al.

(

2015a

)

1

Plot: 0-1 km

2

; Local:

>

1 km

2

–10

4

km

2

; Regional:

>

10

4

km

2

–10

7

km

2

; Global:

>

10

7

km

2

.

2

RF: random forest; ANN: artificial neural networks; CNN: convolutional neural networks; GBM: gradient boosting machine; BRT: boosted

regression tree; GEP: gene expression programming; QRF: quantile regression forest; avNNet: neural networks using model averaging; ctree: conditional
inference trees; evtree: evolutionary algorithm for classification and regression tree; NN: neural networks; GBM: generalized boosted regression;

k

-NN:

k

-nearest neighbors; RT: regression tree; SVM: support vector machine; MARS: multivariate adaptive regression splines; SGB: stochastic gradient

boosting; CART: classification and regression tree; NSC: nearest shrunken centroids; CT: classification tree; BCT: bagged classification tree; DT:
decision tree; LMT: logistic model tree; EGB: extreme gradient boosting.

3

R

2

: coefficient of determination; R

2

adj

: adjusted coefficient of determination; RMSE: root mean square error; IQR: interquartile range; MAE:

mean absolute error; CCC: Lin’s concordance correlation coefficient; MSE: mean square error; ME: mean error; MBE: mean bias error; RPIQ: ratio of
performance to interquartile distance; NRMSD; normalized root mean squared deviation; MARE: median absolute relative error; NMSE: normalized
mean square error; sMAPE: symmetric mean absolute percentage error; SS: skill score; RMSD: minimum root mean square deviation; RPD: residual
prediction deviation; SDE: standard deviation of the error; EC: overall ratio; OA: overall accuracy; PA: producer accuracy; UA; user accuracy; AUROC:
area under receiver operating characteristic curve; AUC: area under the curve.

12

Page 14

Figures and page graphics, page 14

Local

330 profiles

not specified

12

BRT, ANN, least-
square SVM

no

yes

R

2

, R

2

adj

,RMSE,

relative RMSE

no

Ottoy et al.

(

2017

)

Local

330

simple random

10

RF, GBM

no

yes

ME, MAE, RMSE,
R

2

Tziachris et al.

(

2019

)

Local

334

cLHS

16

cubist, RF, RT

yes

no

R

2

, RMSE

no

Zeraatpisheh et al.

(

2019

)

Local

342/321

-

14

MARS, SVR, RF,
Cubist, NN

-

yes

R

2

no

Behrens et al.

(

2018b

)

Local

399

not specified

12

RF

no

no

R

2

, RMSE

no

da Silva Chagas et al.

(

2016

)

Local

440

varied sources

19

RF, SVM, ANN

no

yes

RMSE, ME

no

Were et al.

(

2015

)

Local

460

grid-based

21

RF

no

yes

ME, MAE, RMSE

no

Pahlavan-Rad & Akbarimoghad-
dam

(

2018

)

Local

568

simple random

26

QRF

no

no

R

2

, RMSE, range-

normalized RMSE,
Moran’s I

yes

Kirkwood et al.

(

2016

)

Local

1104

expert

29

RF, SVM, SGB

no

yes

RMSE, sMAPE

no

Forkuor et al.

(

2017

)

Local

≤

1052/2050/

2379

varied sources

300-500

BRT, RF

yes

yes

bias, RMSE, SS,
R

2

no

Nussbaum et al.

(

2018

)

Local

2388

varied sources

3

CNN, RF

no

yes

ME, RMSE, R

2

,

CCC

no

Wadoux et al.

(

2019b

)

Regional

not specified

not specified

20

cubist

no

no

R

2

, RMSE, bias,

CCC

yes

Mulder et al.

(

2016

)

Regional

125 profiles

purposive

12

BRT, RF

no

no

MAE, RMSE,R

2

,

CCC

no

Yang et al.

(

2016

)

Regional

244

grid-based

4

ANN

no

yes

ME, MAE, RMSE,
CCC

no

Dai et al.

(

2014

)

Regional

339/961

varied sources

40

QRF

no

no

R

2

, RMSE

yes

Nauman & Duniway

(

2019

)

Regional

485 profiles

not specified

5

CNN

no

yes

R

2

, RMSE

yes

Padarian et al.

(

2019

)

Regional

500

not specified

12

RF, BRT

yes

no

R

2

, RMSE

no

Beguin et al.

(

2017

)

Regional

528

subset from a
systematic grid

18

k

-NN

yes

no

RMSE, R

2

, Bias,

coefficient of vari-
ance

no

Mansuy et al.

(

2014

)

Regional

705

simple random

16

RF, BRT, SVM

yes

yes

R

2

, MAE, RMSE,

CCC

yes

Wang et al.

(

2018

)

Regional

978 profiles

not specified

24

RF

no

no

R

2

, ME, RMSE,

CCC

no

Akpa et al.

(

2014

)

Regional

1,014

stratified random

327

CART, BRT, BRT,
RF, SVM

yes

no

R

2

, RMSD, RPD,

RPIQ

no

Keskin et al.

(

2019

)

Regional

1,134

not specified

81

NN

no

no

R

2

, ME, MAE,

RMSE

no

Aitkenhead & Coull

(

2016

)

Regional

1,300 profiles

not specified

6

RF

no

no

CCC, RMSE

yes

McNicol et al.

(

2019

)

Regional

1,626

not specified

40

SVM

no

yes

R

2

, MSE

no

Wu et al.

(

2016

)

Regional

2,024 profiles

legacy data

16

QRF

no

no

ME, RMSE, R

2

,

accuracy plot

yes

Vaysse & Lagacherie

(

2017

)

Regional

2,024 profiles

legacy data

16

no

yes

MSE, R

2

no

Vaysse & Lagacherie

(

2015

)

Regional

2,943

two-stage system-
atic

37

CNN, RF

no

yes

ME, RMSE, R

2

,

CCC

yes

Wadoux

(

2019b

)

Regional

4,859

not specified

26

QRF

no

no

ME, RMSE, accu-
racy plot

yes

Szatm´

ari et al.

(

2019

)

Regional

4,859

not specified

32

QRF

no

no

ME, RMSE, accu-
racy plot

yes

Szatm´

ari & P´

asztor

(

2019

)

Regional

5,386

varied sources

6

cubist, SVM

no

no

R

2

, MSE, CCC

Somarathna et al.

(

2016

)

Regional

13,000

not specified

18

RF

no

no

R

2

yes

Koch et al.

(

2019

)

Regional

19,790

two-stage system-
atic

197

RF

no

no

ME

no

Wadoux et al.

(

2019a

)

Regional

37,693

legacy soil data

74

RF, Cubist, SVM

yes

yes

R

2

, RMSE, MAE

yes

Gomes et al.

(

2019

)

Regional
- Global

2,268-27,262

varied sources

34

cubist

no

yes

CCC, RMSE,
SDE, ME

yes

Viscarra-Rossel et al.

(

2015

)

13

Page 15

Figures and page graphics, page 15

Regional
- Global

366,034

varied sources

>

200

RF, GBM

no

yes

R

2

,ME, RMSE,

MAE

yes

Ramcharan et al.

(

2018

)

Global

11,268

legacy soil data

118

SVM, kernel weighted
NN, RF

yes

no

EC, RMSE, R

2

yes

Guevara et al.

(

2018

)

Global

150,000

legacy soil data

>

200

RF, GBM

no

yes

R

2

no

Hengl et al.

(

2017a

)

Categorical maps

Local

-

not specified

125

ANN

no

no

Accuracy, recall,
precision

no

Behrens et al.

(

2005

)

Local

33 profiles

not specified

16

RF, J48

no

no

not specified

no

Massawe et al.

(

2018

)

Local

103/297/ 57

cLHS

130

k

-NN, NSC, CT,

BCT, RF, linear SVM,
radial-basis SVM, NN,
ANN

yes

yes

Kappa analysis,
Brier scores, vi-
sual inspection,
confusion index

no

Brungard et al.

(

2015

)

Local

125 profiles

cLHS

17

RF

no

no

map purity, Co-
hen’s kappa, Shan-
non entropy index,
relative purity,
relative diversity

no

Zeraatpisheh et al.

(

2017

)

Local

151

not specified

not speci-
fied

SVM

no

no

NRMSD, mi-
cro averaged F1
measure, kappa
statistics

no

Kovaˇ

cevi´

c et al.

(

2010

)

Local

175, 63 profiles

varied sources

27

k

-NN, SVm, DT, RF

no

no

OA, PA, UA,
kappa coefficient,
AUROC

no

Vermeulen & Van Niekerk

(

2017

)

Local

452 profiles

regular grid

6

DT, RF

yes

no

OA, UA, PA,
Kappa coefficient
of agreement

no

Sharififar et al.

(

2019

)

Local

917

grid-based

33

RF

yes

no

Kappa index

no

Hounkpatin et al.

(

2018

)

Local

3,121

by-polygon,
equal-class, area-
weighted, and
area-weighted
with random over
sampling

20

CART, CART with
bagging, RF,

k

-NN,

NSC, ANN, LMT,
SVM

no

yes

overall agreement,
quantity disagree-
ment, allocation
disagreement, total
disagreement

no

Heung et al.

(

2016

)

Regional

89,323

random sampling

26

k

-NN, RF

yes

no

recall, accuracy

no

Subburayalu & Slater

(

2013

)

Regional

366,034

varied sources

>

200

RF, GBM

no

yes

OA, regional
dataset

yes

Ramcharan et al.

(

2018

)

Regional

7,664 profiles

varied sources

110

DT, RF, EGB, SVM,

k

-NN

yes

no

OA, precision,
recall, F-score,
K-index

no

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2019b

)

Regional

9,924

not specified

23

RF

yes

no

error matrix

no

H¨

aring et al.

(

2012

)

Global

150,000

legacy data

>

200

RF, GBM

no

yes

map purity,
weighted kappa
metrics, AUC,
True positive rate,
scaled Shannon’s
entropy index

no

Hengl et al.

(

2017a

)

14

Page 16

Figures and page graphics, page 16

3. Challenges and opportunities

362

Based on the review, here we identify some knowledge gaps and challenges in

363

the current use of ML algorithms for DSM. We will outline some opportunities for

364

research.

365

3.1. Sampling

366

Despite abundant evidence that the sampling design and sample size play a key

367

role in the resulting map accuracy (

De Gruijter et al.

,

2006

), sampling designs suit-

368

able for mapping with machine learning are yet to be uncovered. The impact of the

369

sample size for mapping with ML is discussed in

Somarathna et al.

(

2017

) where

370

the efficiency of several ML algorithms are compared for the spatial prediction of

371

soil carbon. The study shows that having a sufficiently large sample size is more

372

important than choosing a sophisticated ML algorithm, and that when the sample

373

size is small, it it best to use simple models. About sampling designs,

Brus

(

2019

)

374

speculates that machine learning algorithms would benefit from a spread of the sam-

375

pling units in the feature (covariate) space, and suggests the use of feature space

376

coverage sampling (FSCS) using

k

-means clustering or conditioned Latin Hypercube

377

sampling (cLHS). Both sampling designs aim at covering the space spanned by the

378

covariates, but in different ways. Experimental results are provided by

Wadoux et al.

379

(

2019a

) in a study comparing five sampling designs (viz. simple random sampling,

380

cLHS, spatial coverage sampling (SCS), FSCS and a design optimized in terms of

381

mean square error) for soil property mapping with random forest. The results show

382

large differences in mapping accuracy between the designs, and that a FSCS de-

383

sign optimized in the most important covariates of the random forest model had

384

the closest match to an optimized design. By performing further diagnostics, the

385

study concludes that RF does not benefit from a uniform spread of the units in the

386

geographic/feature space, nor from reproducing the marginal distribution of the co-

387

variates (as it is done in cLHS). These results apply for RF but there is a need to

388

further investigate sampling designs for other machine learning algorithms. While

389

most studies in our literature review (Table

1

) use a grid-based sampling or cLHS,

390

there is now evidence that most conventional sampling designs (e.g. spatial coverage

391

sampling) are not effective for the purpose of mapping with machine learning.

392

393

To discover what makes a good design for mapping with machine learning, one

394

should ideally derive optimal designs. More importantly, one should investigate the

395

characteristics of these designs, so that future research can generate simple designs

396

that resemble the optimal ones (

Wadoux

,

2019a

). It is likely that optimal designs

397

differ between machine learning algorithms. We speculate that a somewhat uniform

398

15

Page 17

Figures and page graphics, page 17

spread in the feature (i.e. covariate) space remains important for all ML algorithms

399

since they all link the covariates and the sample values in a non-linear way, but that

400

additional considerations might outweigh or overtake this uniform spread. An ex-

401

ample of optimal design is given by the studies of

Pozdnoukhov & Kanevski

(

2006

)

402

and

Tuia et al.

(

2013

) where the sampling configurations are optimized with active

403

learning for mapping with support vector machines. In the first study, the selected

404

sampling units are the most beneficial for the algorithm, avoiding mis-classification

405

between temperature below or above 20Cs (categorical mapping) by becoming sup-

406

port vectors. In

Tuia et al.

(

2013

), a similar methodology is adopted and tested in

407

three case studies to subsample an existing sample for quantitative mapping, to add

408

optimally new sampling units in a continuous map or to define suitable areas for

409

sampling. In all case studies, the authors obtained a design optimal for the purpose

410

of mapping with support vectors machine. They conclude that while a sampling

411

design can be representative of the geographical space, the latter can be judged un-

412

representative if other dimensions are considered. These results encourage the use

413

of new methods for sampling design optimization such as active learning. Active

414

learning is a model-based sequential re-design algorithm. In active learning, the

415

objective function (e.g. the spatially averaged prediction uncertainty) is explicitly

416

quantified and used to define the additional sampling units that are the most ben-

417

eficial for the model (e.g. the boundary between two classes). In this sense, active

418

learning is similar to optimization with spatial simulated annealing routinely used

419

in geostatistical sampling design optimization. Besides the optimization algorithms,

420

a set of objective functions needs to be tested.

MacKay

(

1992

) defined an objective

421

function that searches for the optimal units in the space spanned by the predictors

422

(i.e. covariates) for prediction using a neural network algorithm. Taking the latter

423

considerations and testing active learning for sampling design optimization would

424

certainly make a valuable contribution to digital soil mapping research.

425

3.2. Resampling

426

Regional and global scale studies almost invariably use legacy soil data (

Stumpf

427

et al.

,

2016

). Legacy soil samples provide valuable information on soil classes and

428

properties but are often highly clustered in areas of specific interest. In modelling

429

with machine learning, it is assumed that the sample is composed of independent

430

and identically distributed sampling units whereas soil observations within an area

431

typically exhibit spatial autocorrelation (i.e close observations are more similar than

432

remote ones) This has important implications in terms of sampling, resampling of

433

the observations and validation of the models. A ML algorithm calibrated with a

434

spatially clustered sample may lead to biased predictions over the area because of

435

16

Page 18

Figures and page graphics, page 18

the over-representation in the calibration process of regions of high sampling density.

436

Despite being critical, this has yet been disregarded in DSM studies. In geostatis-

437

tics, spatial declustering has been applied to reduce the effect of clustered data in the

438

calculation of experimental variogram (

Marchant et al.

,

2013

). One form, called cell

439

declustering involves overlaying a grid over the area and assigning a weight to the

440

sampling units based on the inverse of the number of units in the cell. In ecology, a

441

first attempt was made by

Bel et al.

(

2005

) and later

Bel et al.

(

2009

) to decluster the

442

sampling units used in the calibration of a CART model. In

Bel et al.

(

2005

), weights

443

are given to the sampling units, where the weights are obtained from a kriging of

444

the spatial mean.

Bel et al.

(

2009

) elaborate a more complex procedure in which

445

all quantities involved in the CART algorithm (e.g. the proportion of leaves) have

446

a spatial estimate. This has been further considered by

Stojanova et al.

(

2013

) for

447

both categorical and quantitative mapping of ecological variables.

Ill´

es et al.

(

2019

)

448

applied polygonal declustering technique to spatially clustered samples by assigning

449

weights on the units based on Voronoi’s area proportion.

450

451

We point out that the clustering may also occur in the feature (i.e. covariates)

452

space and speculate that this may also affect the prediction if most units are clustered

453

at some specific areas of the feature space. For example, a model trained to predict

454

organic carbon in a mountainous area will exhibit biased prediction if most sampling

455

units originate from valley, and that elevation is used as predictors. Similar to

Bel

456

et al.

(

2005

), weights can be assigned to the units so down-weight the importance of

457

over-sampled areas in the feature space. An example method is provided by

Carr´

e

458

et al.

(

2007

). The authors assume that a good sample have a uniform spread in the

459

feature space and thus covers all strata of a hypercube based on the covariates. A

460

weight is assigned to each unit in the sample based on the density of the units in each

461

stratum. The larger the density within the stratum, the smaller the weight assigned

462

to a single unit.

463

464

The nature of the legacy soil data in categorical mapping also poses additional

465

challenges. ML algorithms for categorical mapping rely on balanced sets of units.

466

In other words, all classes shall comprise a comparable number of sampling units.

467

Legacy soil samples are considered imbalanced in that all classes are not represented

468

equally. Most ML algorithms are calibrated by maximizing the average (classifica-

469

tion) accuracy on an independent validation sample. This often results in very low

470

predictive accuracy for under-sampled classes, and models biased toward the over-

471

sampled classes (

He & Garcia

,

2009

). In the ML literature, several approaches have

472

been developed to handle class imbalanced samples. At the higher level, one may

473

17

Page 19

Figures and page graphics, page 19

distinguish between cost function and resampling based approaches. In the first ap-

474

proach, the model is penalized for miss-classification to under-represented classes.

475

This stems from the calibration of ML algorithms, which minimize a loss function

476

to find optimal parameter values (e.g. in neural networks). In the second approach,

477

resampling of the sample is performed by either adding units in the under-sampled

478

class, removing units from the over-sampled class, or a mix of the two. The second

479

approach has been recently been applied in soil mapping studies, in particular by

480

Heung et al.

(

2016

) and

Sharififar et al.

(

2019

).

Taghizadeh-Mehrjardi et al.

(

2019b

)

481

tested eight resampling approaches and their effect on the prediction accuracy of five

482

ML algorithms in two large-scale case studies. However, to date resampling tech-

483

niques are applied the same way as in other disciplines while soil data often presents

484

spatial autocorrelation which may impact the resampling strategies. This has not yet

485

been investigated in the literature. The integration of resampling strategies within

486

a general framework for mapping with ML is provided in Fig.

3

.

487

3.3. Accounting for spatial information

488

Machine learning algorithms do not account for spatial autocorrelation contained

489

in the raw soil data, unless explicitly specified.

Sinha et al.

(

2019

) have tested ran-

490

dom forest for different scenarios of spatial autocorrelation in the observations and

491

confirmed that the presence of spatial autocorrelation leads to high variance of the

492

residuals. ML algorithms accounting for autocorrelated observations have recently

493

been formulated, such as geographical random forest (

Georganos et al.

,

2019

), or

494

spatial ensemble techniques (

Jiang et al.

,

2017

). The two methods boil down to

495

geographically weighted regression by fitting spatially local sub-models using only

496

neighbouring observations.

Jiang et al.

(

2017

) decomposed the area into geographic

497

disjoint sub-areas, and fitted a local model in each sub-area.

Georganos et al.

(

2019

)

498

fitted a sub-model to each observation using random forest, accounting for both non-

499

stationarity and spatial autocorrelation.

500

501

Applying a non-spatial model for digital soil mapping is not a problem in itself.

502

This is corroborated by the definition of DSM given in

Lagacherie & McBratney

503

(

2006

), which gives provision for mapping using “non-spatial soil inference systems”.

504

In theory, if one includes all relevant environmental variables to model the soil prop-

505

erty or class, there should be no spatial autocorrelation in the residuals of the fitted

506

models. If this happens, some important predictors are likely to be missing. More

507

importantly, this also means that predictions made by the ML algorithm might be

508

biased or the model underfitted because this is a violation of the assumption of inde-

509

pendence between data points that is implicitly assumed.

K¨

uhn & Dormann

(

2012

)

510

18

Page 20

Figures and page graphics, page 20

recommend mapping the spatial distribution of the residual autocorrelation to facili-

511

tate the identification of a missing spatial process. In some cases, a map of residuals

512

exhibits a clear pattern (e.g. increasing residuals with distance from the river) and

513

might help to generate a new hypothesis or to refine the existing model (see Fig.

3

).

514

515

Despite the availability of datasets and care made during modelling, residual au-

516

tocorrelation is still likely to occur. Several authors have advocated the use of spatial

517

surrogate covariates as an indicator of spatial position in the

scorpan

model of soil

518

variation or to account for spatial autocorrelation contained in the data. The most

519

common surrogate is the use of geographical coordinates (easting and northing) as

520

covariate in the model. This has led to maps with visible artefacts, in particular

521

when used in combination with tree-based algorithms. Alternatively, maps of dis-

522

tances from observation locations, or a group of locations, have been proposed by

523

Hengl et al.

(

2018

). They are categorized into Euclidean, downslopes or “resistance”

524

distances. Maps of distance to observation locations generally have no direct mean-

525

ing in terms of soil process over an area (e.g. distance from the river).

Behrens et al.

526

(

2018b

) propose to use Euclidean distance fields, which are maps of distance from

527

reference locations in the study area such as the corner or the centre. The studies

528

using distance maps as covariates have shown for several case studies an important

529

reduction of the residual autocorrelation, when compared to a model without dis-

530

tance maps in the set of covariates.

531

532

In the context of digital soil mapping, we infer that the current use of distance

533

maps is not satisfactory for several reasons. Including pseudo-covariates with the set

534

of pedologically relevant covariates can be harmful because it precludes analysis of the

535

residuals and the generation of new hypotheses from these residuals (

Hawkins

,

2012

).

536

It also hampers the interpretation of the most important predictors (

Meyer et al.

,

537

2019

), which is key in several studies on soil mapping. Finally, pseudo-covariates

538

of distance may well integrate over several pedologically relevant covariates, making

539

them better predictors or masking the effect of pedologically relevant covariates. In

540

spatial ecology, alternatives to distance maps are found in the use of spatial eigenvec-

541

tor maps, spatial filters or trend-surface regression computed on, or optimized for,

542

the residuals of a model calibrated using ecologically relevant covariates (

K¨

uhn et al.

,

543

2009

). The process is generally in three steps (Fig.

1

). In the first step, the variable

544

of interest is fitted using ecologically relevant covariates, and the (autocorrelated)

545

residuals are mapped to investigate whether there is an obvious missing spatial pro-

546

cess in the model. In the second step, spatial surrogate covariates are computed on,

547

or optimized for, the residuals. Finally, a model is calibrated using the covariates

548

19

Page 21

Figures and page graphics, page 21

from steps 1 and 2.

549

550

Step 1 [a + b]

Step 2 [b + c]

Step 3 [a + b + c]

y 

= f

(X) 

+

 

ε

y

 = f(

W

) + 

ε

y

 = f(

XW

) + 

ε

soil property 
of interest

regression 

f 

on 

pedologically relevant 
covariates 

X

residuals, 
possibly spatially 
autocorrelated 

soil property 
of interest

regression 

f 

on spatial 

covariates 

W

residuals, 
possibly spatially 
autocorrelated 

soil property 
of interest

uncorrelated 
residuals

regression 

f 

on 

pedologically relevant 
covariates 

X

 and spatial 

covariates 

W

variation of 

y = 

[a]

[c]

[b]

[d]

Variation explained by 

X

Variation explained by 

W

Unexplained 

variation

Figure 1: The three steps of variation partitioning between environmental

X

and spatial covariates

W

. The variation of

y

is partitioned into four fractions (

Peres-Neto et al.

,

2006

) which are [a] the

variation due to the environmental covariates, [b] the variation due to the spatial component of the
environmental variables, [c] the spatial component and [d] the unexplained residual variation. Each
component is estimated using the amount of variance explained. All [a + b + c + d] sum to 1.

The main advantage is to enable subsequent interpretation of the role of environ-

551

mental covariates, spatial covariates (most often in the form of Moran’s eigenvector

552

maps) and unexplained (uncorrelated) residuals (the “ignorance”) using variation

553

partitioning techniques (

Peres-Neto et al.

,

2006

). Figure

1

shows that [a + b] is the

554

relative influence of environmental variables to the model prediction while [b + c]

555

is the relative influence of spatial covariates. The component [b] is the shared vari-

556

ation of [a] and [c] because environmental covariates are spatially structured. The

557

remaining component [d] computed by 1 - [a + b + c] is the residual fraction of

558

the variation. Another benefit of this approach is to have spatial surrogate covari-

559

ates with little or no correlation with the meaningful environmental covariates. This

560

approach has not yet been tested in DSM, but it would certainly make a valuable

561

contribution to increase the interpretability of the ML models and their account of

562

the spatial autocorrelation contained in soil data.

563

3.4. Multivariate mapping

564

Several authors (e.g.

Hengl et al.

,

2018

;

Wadoux

,

2019b

;

Wadoux et al.

,

2019b

;

565

Padarian et al.

,

2019

) have shown that it is possible to calibrate a single ML model

566

20

Page 22

Figures and page graphics, page 22

to predict either multiple soil properties or a single soil property at multiple depths.

567

This reduces the risk of overfitting, computational resources that would be other-

568

wise required to calibrate several disjoint models (

Wadoux

,

2019b

), and increases

569

prediction accuracy if there is correlation between the variables to predict.

Padarian

570

et al.

(

2019

) use a multivariate CNN model to predict SOC at multiple soil depths

571

and report a significant increase of prediction accuracy for the deeper soil depths,

572

compared to predictions made for each depth separately by a cubist model.

Wadoux

573

(

2019b

) have shown that for a NN model, it was feasible to constrain the prediction

574

to avoid inconsistent prediction between compositional soil properties, in particular

575

soil texture. It was done by adding an additional layer to the model, but we spec-

576

ulate that this could also be realized by modifying the objective function used to

577

calibrate the model. Despite a few recent studies, there has been little interest in

578

multivariate soil mapping using ML algorithms. In the ML literature, it appears

579

that almost all conventional ML algorithms have a multivariate counterpart. Multi-

580

variate NNs have already been tested in soil mapping studies. An adaptation of the

581

RF algorithm for multivariate mapping is proposed by

Hengl et al.

(

2018

) but has

582

several limitations. For example, the calibrated model size increases dramatically

583

when the number of soil properties to predict also increases and it does not allow to

584

separate the contribution of the covariates to each predicted property separately. A

585

theoretical framework for multivariate RF is described by

Segal & Xiao

(

2011

) and

586

was further implemented in the R language by

Rahman et al.

(

2017

). For support

587

vector machines, a multivariate extension is described in

Xu et al.

(

2013

).

588

589

One objective when mapping soil properties or classes is to learn from the cal-

590

ibrated model. A calibrated multivariate model can provide insights on the soil

591

property and horizon interrelations. Regrettably, in a multivariate machine learning

592

model, the correlation between soil properties or depths is not modelled explicitly

593

(e.g. using a cross-covariance matrix between soil properties). As a result, the corre-

594

lation between properties or depths cannot be assessed internally and no pedological

595

interpretation can be derived from the calibrated model. More research is needed on

596

whether the correlation between original and predicted soil properties (or depths) is

597

preserved in a multivariate ML model. To model the correlation between properties

598

explicitly, two solutions are possible. The first is to calibrate additional stochastic

599

parameters together with the ML parameters (e.g. in a neural network algorithm).

600

This can take the form of an auto-regressive model between the predictions (

Uria

601

et al.

,

2016

). Another straightforward solution is to calibrate the model with a crite-

602

rion related to the absolute difference in correlation between the measured properties

603

and predicted properties. While this is easy to implement in ML calibration based

604

21

Page 23

Figures and page graphics, page 23

on an objective function (e.g. neural network), this is not straightforward for models

605

such as RF. Overall, including correlation between properties or depths when predict-

606

ing with a ML algorithm requires further investigation so as to build pedologically

607

realistic and interpretable models.

608

3.5. Uncertainty analysis

609

Uncertainty analysis in digital soil mapping is crucial to deciding whether the

610

predicted soil map is reliable to be used for agricultural production systems or de-

611

cision making. Uncertainty analysis is also about knowing better the limits of the

612

models and is therefore one step towards model interpretability. At the higher level,

613

the machine learning literature distinguishes two sources of uncertainty: aleatoric

614

and epistemic uncertainties (Fig.

2

). Aleatoric uncertainty is the data noise variance

615

(in other terms, the data error), and arises from noise in the data and measurement

616

error. Epistemic uncertainty refers to model and model parameter uncertainty and

617

represents our ignorance about a true model that generated the data. While epis-

618

temic uncertainty is easy to reduce (e.g. by collecting more data at areas of low

619

sampling density), aleatoric uncertainty is rather difficult to assess (one must repeat

620

the measurement several times) and even more to reduce. Methods to quantify epis-

621

temic uncertainty are bootstrapping, or Bayesian modelling. Quantifying epistemic

622

uncertainty enables to obtain confidence intervals of the prediction. Aleatoric uncer-

623

tainty is mainly quantified by quantile regression methods, but Monte-Carlo simu-

624

lation from the probability distribution of the observations might also be a possible

625

approach. The quantification of both aleatoric and epistemic uncertainty provides

626

prediction intervals with methods such as quantile regression forest (QRF), the Delta

627

or Bayesian methods and the mean plus variance estimate (MVE) for neural network

628

algorithms.

629

630

The recent development of conditional generative adversarial networks (cGAN)

631

(

Mirza & Osindero

,

2014

) to generate possible realizations of the observations with

632

specific conditions or characteristics seem to be of particular interest to include mea-

633

surement error in DSM. Including measurement error is considered by

Wadoux et al.

634

(

2019b

) for mapping soil organic carbon using uncertain measurement of the soil

635

property. However, the authors do not propose a method to quantify the uncer-

636

tainty of the measurements, nor propagate the measurement error to the predicted

637

map. With cGAN, a probability distribution of the observations is built, which might

638

be used for Monte Carlo simulations. Each Monte Carlo sample is used as input in

639

the ML algorithm, and the final map is the integration of all these simulations. This

640

would effectively tackle the aleatoric uncertainty of the ML model. More impor-

641

22

Page 24

Figures and page graphics, page 24

tantly, this would also quantify the uncertainty present in the measurements, which

642

is currently one of the most important challenges in DSM.

643

644

0

2

4

6

8

10

−

10

−

5

0

5

10

15

x

f(x)

aleatoric
epistemic

Figure 2: Transect with location of the sampling units in red, the true (solid line) and predicted
(dash line) value of the variable of interest, the aleatoric uncertainty (grey shade) and epistemic
uncertainty (blue shape). When no observations are present, the epistemic uncertainty increases.
The aleatoric uncertainty remains somewhat constant across the transect.

Most studies to date do not provide estimate of the uncertainty (Table

1

). Suc-

645

cessful attempts have been made by

Vaysse & Lagacherie

(

2017

) and

Wadoux

(

2019b

)

646

to report prediction intervals for random forest and neural networks models, respec-

647

tively. Confidence intervals are reported is several studies (e.g.

Hamzehpour et al.

,

648

2019

;

Gomes et al.

,

2019

) and are obtained by training multiple disjoint models

649

using bootstrapped samples of the original data. In a few studies, the variance ob-

650

tained by bootstrapping is averaged by kriging of the residuals (

Viscarra-Rossel et al.

,

651

2015

). From Fig.

2

it follows that if sampling units are selected from a small area

652

in the feature or geographic space, then there will be little uncertainty in this area.

653

Likewise the uncertainty dramatically increases when areas of the feature space are

654

under-sampled, or even worse, ignored. When sampling units are clustered, (spatial)

655

cross-validation might not be sufficient to define realistic prediction accuracy mea-

656

sures because the sampling units used for validation are taken from similar regions

657

of the feature space while the model is biased towards these same regions (

Gahe-

658

gan

,

2000

). While the (spatial) cross-validation results might show strong agreement

659

between predicted and measured soil property or class and therefore validate a ML

660

23

Page 25

Figures and page graphics, page 25

model with very high predictive abilities, an uncertainty quantification would show

661

unrealistic predictions characterized by a large uncertainty (see right-hand side of

662

Fig.

2

). This is the results of ML algorithm being very poor predictors for extrapo-

663

lating to areas of the covariate space that is not comprised in the calibration sample.

664

Uncertainty quantification that separates out data and model uncertainties is thus

665

recommended to complete the evaluation of the predicted maps.

666

667

We derive a complementary note about the generation of digital soil maps with

668

ML by the private sector. Companies and commercial software usually do not report

669

measures of the uncertainty associated to the maps and there is no transparency

670

requirement on the methods and quality of soil data. Reporting the uncertainty

671

associated to the prediction is essential to guide decision-making and political action.

672

The danger comes from the generated map which gives the appearance of scientific

673

knowledge where there is none. Making a decision made on maps which are presumed

674

correct but are in fact away from reality, is presumably worse than making a decision

675

made in full appreciation of the limits of the map.

676

3.6. Validation

677

Studies by

Roberts et al.

(

2017

) and

Ruß & Brenning

(

2010

) have found that the

678

estimated performance of the machine learning algorithms applied to spatial data

679

depends on the validation strategy. In DSM, model performance is usually assessed

680

using random

k

-fold cross-validation (CV) or single random split of a sample into

681

calibration and validation and/or test subsamples. These strategies give considerably

682

over-optimistic validation statistics estimates because of the presence of autocorre-

683

lation in the observations (

Micheletti et al.

,

2014

;

Gasch et al.

,

2015

;

Meyer et al.

,

684

2018

). Validation statistics estimated from a random split of the master sample as-

685

sess the ability of the model to reproduce the calibration sample but fail to assess the

686

model performance in terms of spatial mapping (

Meyer et al.

,

2019

). As an alterna-

687

tive, several methods (

Brenning

,

2012

;

Le Rest et al.

,

2014

;

Pohjankukka et al.

,

2017

;

688

Meyer et al.

,

2019

) for spatial cross-validation are proposed to account for spatial

689

autocorrelation of the observations. Two main strategies are adopted.

Roberts et al.

690

(

2017

);

Brenning

(

2012

);

Meyer et al.

(

2019

) use a spatial block approach for

k

-fold

691

CV where the master sample is divided into

k

spatially disjoint subsamples using

692

clustering algorithms on the coordinates or by dividing the spatial domain based on

693

k

cells. In

Le Rest et al.

(

2014

) and

Pohjankukka et al.

(

2017

), observations from

694

the calibration subsample that are within a given geographic distance of the valida-

695

tion subsample are omitted from the calibration subsample, after which the model is

696

fitted using the remaining observations from the calibration subsample. While these

697

24

Page 26

Figures and page graphics, page 26

two approaches account for spatial autocorrelation of the observation during valida-

698

tion, further research is required to provide guideline to select the realistic distance

699

from which a validation data point is statistically independent from the calibration

700

sample so as to avoid the opposite effect, i.e. extrapolation and subsequent underop-

701

timistic validation statistics estimates. Spatial-cross validation is integrated in the

702

framework presented in Fig.

3

.

703

704

Research on spatial cross-validation has drawn attention to the role of autocor-

705

relation on the calibration on the machine learning algorithms.

Schratz et al.

(

2019

)

706

show that hyperparameter tuning is also impacted by spatial autocorrelation, and

707

that overoptimistic results are reported when the same data are used for performance

708

assessment and parameter tuning. They proposed a nested (block) cross-validation

709

approach for hyperparameter tuning (

Schratz et al.

,

2019

) where spatial block are

710

split a second time into spatially disjoint geographic subsamples used to optimize the

711

hyperparameters. The major disadvantage of this method is the dramatic increase in

712

computing time, which is solved by distributed (parallel) computing solutions. Simi-

713

larly to the hyperparameter tuning using nested spatial cross-validation,

Meyer et al.

714

(

2018

) showed that autocorrelated covariates lead to overfitting and visible artefacts

715

in the predicted map. The study proposes an iterative procedure for variable se-

716

lection where a group of two variables is first selected based on the error computed

717

with spatial cross-validation, and new variables are iteratively added only if these

718

increase the model performance. The study of

Meyer et al.

(

2018

) gives another

719

argument against the use of covariates describing the spatial dependency as these

720

lead to misinterpretation of the model’s important contributors and impossibility for

721

the model to generalize.

722

723

Meyer et al.

(

2019

) emphasize the value of visual examination of the predicted

724

maps in addition to the statistical validation. In

Meyer et al.

(

2019

), two maps with

725

similar map validation accuracy statistics have a different spatial pattern. The study

726

shows that this is due to the selected covariates, some having strong spatial autocor-

727

relation leading to visible artefacts in the predicted map. This highlights the need

728

for research on the evaluation of predicted maps in terms of spatial pattern.

Poggio

729

et al.

(

2019

) compare the spatial structure of predicted versus observed values by

730

computing the area under the curve of variograms fitted on the validation locations

731

for both predicted and observed probability of having a peat soil. This relies, how-

732

ever, on the assumption that the variogram of the validation locations represent the

733

mapped area. More research in this direction will be valuable for future DSM stud-

734

ies. To date, visual assessment of the map to detect artefacts, and in consideration

735

25

Page 27

Figures and page graphics, page 27

Does a sampl

e 

already exist

?

yes 

(legacy data)

no

categorical

continuous

correct for class 

imbalanc

e

de-cluster in 

geographic or 

feature space

Feature space 

coverage sampl

e

Does an already 

calibrated M

L

 

algorithm exis

t?

yes

weight by 

covariate 

importance

Step 2. [b + c]: 

y

 = f(

W

) +

 

ε

X

map 

of correlated

residuals 

scorpan

 

covariates

W

spatial

 

covariates

Step 1. [a + b]: 

y

 = f(

X

) + 

ε

uncorrelated

residuals 

covariate se

lection us

ing 

spatial

 cross-validation

covariate se

lection us

ing 

spatial

 cross-validation on t

he 

residuals from Step 1

Step 3. [a + b + c]: 

y

 = f(

X

W

) + 

ε

 parameter tuning usi

ng spatial

 

cross-validation

uncertainty 

quantificati

on

prediction error 

variance map

prediction 

map

spatial

 cross 

validati

on

+

visual 

assess

ement 

model-agnostic

 

interpretation

model-dependent 

interpretation

conceptual

 V

enn

diagram

[a]

[b]

[c]

unexplained va

riation = [d]

= variation 

in 

y

validati

on of 

uncertainty 

estima

tes

Figure

3:

The

recommended

framew

ork

for

digital

soil

mappin

g

with

mac

hine

learning.

The

mo

deller

m

ust

first

decide

whether

a

legacy

soil

sample

or

a

new

sample

is

collected.

He

m

ust

also

decide

whether

the

ob

jectiv

e

is

a

categorical

or

quan

titativ

e

map.

The

recommended

framew

ork

enables

the

separation

b

et

w

een

the

v

ariation

explained

b

y

the

p

edologically

relev

an

t

co

v

ariates

and

b

y

the

spatial

co

v

ariates.

It

is

recommended

to

use

a

spatial

cross-v

alidation

strategy

for

v

alidation,

but

also

for

parameter

tuning

and

co

v

ariate

selection.

26

Page 28

Figures and page graphics, page 28

of our knowledge of soil forming processes, is the best option.

736

3.7. Machine learning and pedological knowledge

737

Accounting for existing expert soil knowledge in DSM with machine learning is a

738

challenging exercise (

Ma et al.

,

2019

). ML algorithms do not build on any existing a

739

priori conceptual model of the soil processes and only processes that are conveyed by

740

the input data are represented in the map (

Coveney et al.

,

2016

;

Koch et al.

,

2019

).

741

To prevent extrapolation,

Hengl et al.

(

2014

) do not provide soil maps in some under-

742

sampled areas of the globe such as deserts and glaciers for global mapping of several

743

soil properties. This stems from incomplete datasets of soil observations for these

744

areas, despite that extensive expert knowledge exists. In

Hengl et al.

(

2017a

) this is

745

solved by integrating the expert knowledge in the form of expert-based pseudo-points

746

to guide the ML model in areas of evident extrapolation. In

Koch et al.

(

2019

), 600

747

pseudo-points are also added in under-represented areas of the geographic space. The

748

study stresses the importance of consulting an expert when building a ML model.

749

In the same study, meaningful covariates are selected based on existing knowledge

750

on the soil process, and plausibility of the predicted soil map is made in consid-

751

eration of the knowledge of soil forming process. On many occasions, meaningful

752

covariates are selected for mapping soil properties or classes. For example,

Brungard

753

et al.

(

2015

) used a set of covariates selected a priori by an expert on the area under

754

study. In

Viscarra-Rossel & Chen

(

2011

) a set of

scorpan

covariates is selected for

755

mapping soil properties in Australia. These examples show that in the literature,

756

adding expert-based pseudo-points and selecting meaningful covariates are, to date,

757

two straightforward options to include existing knowledge into a ML algorithm for

758

DSM.

759

760

The above shows that little is known on how to account for existing knowledge

761

in ML models. Unfortunately, this is the same order in which the complexity of the

762

models increases and our understanding of the model functioning decreases. The

763

increasing caution in the use of predictions made by a complex ML model that one

764

should expect as a result is not evident. A ML model predicting a number based on

765

relationships between covariates that are unknown in the view of existing knowledge,

766

should not be taken with the same seriousness as a number predicted by mechanistic

767

steps or an established theory. Improvement in this situation is made by ensur-

768

ing that the calibrated ML algorithm matches the existing knowledge of the soil

769

processes, for example by reflecting or confirming the current hypothesis or prior

770

knowledge on the soil spatial variation for an area. If the model prediction does not

771

agree with existing maps, this means that the model has instead modelled a different

772

27

Page 29

Figures and page graphics, page 29

process and is thus likely to be invalid. A model is invalid until it is validated, not

773

only against data, but also against the researcher experience and validation of the

774

model creation process (

Gahegan

,

2019

). In short, pedological knowledge should be

775

integrated to enforce results consistent with the existing scientific principles. This

776

can be done at each step of the model building, calibration and validation. One

777

can incorporate additional knowledge by selecting appropriate covariates or adding

778

pseudo-points. In model building, knowledge takes the form of a hybrid model, a spe-

779

cific model architecture or objective function (in neural networks models) constrain-

780

ing the calibration process according to specific knowledge. For example,

Wadoux

781

(

2019b

) adds the constraint that the prediction of topsoil clay, silt and sand must

782

sum to 100% in a neural network model. Finally, pedological knowledge is used to

783

make

post-hoc

checks on the plausibility of the calibrated model and predicted maps.

784

785

Gahegan

(

2019

) stress that since ML models (the author used the term “predic-

786

tive process model” in the sense in which “machine learning models” is used in this

787

article) have no connection to established theory, one can never be sure that the

788

outcome is realistic given the real-world processes involved. The problem is that a

789

non-valid model is difficult to recognize and to reject since it is often not interpretable

790

by a human. To ensure that models fit the existing knowledge, they must be opened

791

and understood in their functioning. Opening the “black box” is then necessary but

792

not straightforward (see next section on interpretability), and is often reduced to the

793

analysis of which environmental covariates are the most often used by the model to

794

make a prediction (see for example

Mahmoudabadi et al.

(

2017

) or

McNicol et al.

795

(

2019

)).

796

797

Several authors, however, have warned against the use of accuracy metrics for

798

pedological interpretation (e.g.

Fourcade et al.

(

2018

) or

Wadoux et al.

(

2019c

)).

799

Wadoux et al.

(

2019c

) use meaningless, pseudo-covariates to map soil organic car-

800

bon over a hypothetical area. The authors obtain an accurate map, and conclude

801

that ML algorithm should not be used for obtaining new soil knowledge because the

802

ML algorithm aims at predicting a pattern rather than finding causal relationships.

803

Wadoux et al.

(

2019c

) suggest to use calibrated ML models as a “hypothesis dis-

804

covery” tool, in which the mechanisms conveyed by the calibrated ML model are

805

supplied to the researcher for possible explanations of the soil process, which can

806

then be confronted to experiments and principles of soil genesis. The challenge that

807

then arises, noticed by

Gahegan

(

2019

) is the conversion of the mechanisms of the

808

ML model (the model “knowledge”) from a data language to a human one. The data

809

language is typically parameters or metrics such as the “mean decrease of purity”

810

28

Page 30

Figures and page graphics, page 30

or “Gini importance index” of a covariate to assess its importance in the prediction

811

of a soil property or class. Such metrics are not interpretable in terms of human

812

explanation and they do not relate to soil processes. Translating the data language

813

to the domain (the human language) requires some attention and further research.

814

More discussion on this issue is found in

Gahegan et al.

(

2001

).

815

3.8. Interpretation of the models

816

Soil scientists rely on ML algorithms to gain insights into the modelled processes.

817

Despite providing higher prediction accuracy than other conventional models, ML

818

models are considered as a black box. Broadly speaking, we do not learn from the

819

model how the input covariates are related to the output soil property or classes,

820

and what are the underlying mechanisms behind the prediction. This is unfortunate

821

for soil science because in many cases the model itself is considered as a source of

822

knowledge in addition to the collected soil data. Scientific findings remain hidden

823

when the model only gives a prediction without explanations. In this case, the inter-

824

pretability of the model warrants the extraction of the knowledge captured by the

825

calibrated model.

Miller

(

2019

) defines intepretability as the degree to which human

826

can understand the cause of a decision. In general, the need for interpretability of a

827

machine learning algorithm stems from a deficiency in problem formalization (

Doshi-

828

Velez & Kim

,

2017

;

Molnar

,

2019

). This means that for a given task (i.e. mapping

829

the spatial distribution of soil organic carbon), the prediction itself does not fully

830

solve the original problem. We suggest three reasons which drive the demand for

831

interpretability in DSM (adapted from

Doshi-Velez & Kim

(

2017

)). The first and

832

most obvious reason is to increase our scientific understanding of the soil system by

833

extracting knowledge from the mechanisms captured by the model. Scientists wish

834

to know which are the drivers of a soil process and, more importantly, whether the

835

mechanisms captured by the model confirm our scientific understanding of the sys-

836

tem (see Section

3.7

). The second reason is to audit the calibrated ML algorithm. Is

837

the ML algorithm predicting for the right reasons? If a scientist makes a model for

838

mapping the topsoil nitrogen content of a field, the interpretation might reveal that

839

the model is actually predicting soil clay, that is, a proxy of the initial objective.

840

The third reason is to avoid financial loss or to prevent a safety issue. Take the

841

example of the remediation of the soil due to radioactive fallout after the Fukushima

842

nuclear accident. A map of contaminated soils made by a ML algorithm would typi-

843

cally predict the dominant soil type characteristics, i.e. forest soil (about 75% of the

844

area), for classification into contaminated or not contaminated areas. Interpretation

845

of the model might then reveal that the important features learned by the model are

846

unrealistic for agricultural landscapes and residential areas whose remediation is yet

847

29

Page 31

Figures and page graphics, page 31

critical to safely move back the population (

Evrard et al.

,

2019

).

848

849

30

Page 32

Figures and page graphics, page 32

?

Nature

Black-box 
model

Data

Interpretation

Humans

inform

extract

calibrate

sample

Figure 4: Summary framework for model-agnostic interpretable ML, adapted from

Molnar

(

2019

).

The lowest level is the reality, the unknown real-world soil that one wants to predict. The sec-
ond level is the dataset that is extracted from the reality. We collect a fraction of the reality, a
sample, and link it to exhaustively known environmental covariates. The relationships between the
covariates and the sample is learned by a black-box machine learning model (level 3), on top of
which comes the interpretation level to extract some knowledge from the structure of the calibrated
model. The structure of the model is converted to human understandable knowledge.

31

Page 33

Figures and page graphics, page 33

A straightforward way to increase interpretability is to decrease model complexity,

850

for example by building a single decision tree instead of a random forest composed

851

of several thousand trees. A simple model enables visualization of the important

852

mechanisms of the model and resultant explanations. For DT algorithms, it is possi-

853

ble to map the predicted values for specific rules (if the model is sufficiently simple).

854

Decreasing complexity, however, is done at the expense of model prediction accu-

855

racy. For more complex ML algorithms, built-in features allow the user to retrieve

856

the variable importance. In decision-tree like algorithms, the variable importance

857

is derived from the thresholds used for the splits. For neural networks, the output

858

weights associated with the input layer neurons provides an indication of the impor-

859

tant features (

Gahegan

,

2000

). One drawback of these techniques is their inability to

860

provide information on whether the covariates have a causal link to the modelled soil

861

property or class, which leads several authors to warn against their use for knowledge

862

discovery (e.g.

Fourcade et al.

,

2018

). More importantly, these variable importance

863

metrics are summary statistics not always meaningful and they are model-specific,

864

i.e. they preclude comparison between models or parts of the predicted map.

Molnar

865

(

2019

) reviews techniques to interpret ML algorithms and define two main categories

866

of interpretation techniques. The first are the model specific ones. They are rou-

867

tinely used in DSM activities (e.g. RF variable importance). The second category

868

falls into model-free techniques, also called model-agnostics (

Molnar

,

2019

). It en-

869

ables the users to use any model, thus not restraining themselves to simple models or

870

models with embedded features of interpretation. A summary of how model-agnostic

871

techniques are employed is shown in Fig.

4

. Examples of model-agnostic techniques

872

are the partial dependence plot (

Friedman

,

2001

) if the number of covariate is small

873

(two maximum), individual conditional expectation (

Goldstein et al.

,

2015

), and

874

global or local model-agnostic explanation (LIME,

Ribeiro et al.

,

2016

). Finally,

875

sensitivity analysis is also a straightforward means of

post-hoc

interpretation of how

876

the model output depends upon the different covariates.

877

4. The way forward

878

Machine learning algorithms are now extensively used in soil mapping for re-

879

gression and classification purposes, much in the same way as routinely employed

880

in other fields of science. There is no doubt that prediction accuracy benefits from

881

these data-driven models because ML algorithms are not constrained by a pre-defined

882

conceptual model of the soil spatial variation, in comparison to mechanistic or even

883

geostatistical models. The question now is how to increase our scientific understand-

884

ing of the soil and how to adapt and guide the use of ML to the challenges pertaining

885

32

Page 34

Figures and page graphics, page 34

to soil mapping and soil science in general. Future research on soil mapping with

886

machine learning should incorporate the three core elements proposed by

Roscher

887

et al.

(

2019

) and

Lipton

(

2018

) which we adapted, as follows:

888

889

Plausibility

: Models should not only be accurate but also valid in light of the

890

current knowledge and scientific theories. A model should predict for the right rea-

891

sons. The plausibility is the solution path taken by the ML algorithm to link the

892

input to the output, and does not depend directly on the data (

Lipton

,

2018

). In

893

practical terms, it starts with the model building step, by feeding the model with

894

credible covariates and by accounting for the spatial particularities of soil data. Spa-

895

tial or temporal correlation among data should be modelled, either by using a specific

896

model (e.g. a convolutional neural network), or by using a model architecture that

897

accounts for this particularity (see Section

3.3

). Plausibility also takes the form of

898

model constraints, to avoid the prediction of unrealistic proportions or ratios. The

899

plausibility can be further tested in terms of model simulatability (

Lipton

,

2018

).

900

Since ML algorithms can model arbitrary patterns, there should be some attempts

901

to test the model with synthetic data or data from a calibrated mechanistic model

902

representing a large range of dynamics (

Reichstein et al.

,

2019

). Increasing model

903

plausibility will facilitate the acceptance of ML to a large range of scenarios in soil

904

science.

905

906

Interpretability

: Interpretability is the translation of an abstract model or model

907

output into terms understandable by humans (

Montavon et al.

,

2018

). Model in-

908

terpretability pairs with model plausibility and hypothesis discovery. Complex and

909

arbitrary patterns extracted from the data by an algorithm can be understood only

910

by the transparency of the model. Interpretation is obtained by model-specific and

911

model-agnostic methods, described in Section

3.8

. Visual examination of the maps is

912

also a means of interpretability. While complex ML models are potentially harmful

913

because they often do not model any real-world process, there is an opportunity to

914

challenge existing knowledge by

post-hoc

comparison of existing maps produced by

915

expert knowledge with the maps predicted by a ML model, and by analysis of the

916

striking differences. This is possible only if the model is interpretable by humans

917

and the physical relationships between variables are realistic (the model is

plausible

).

918

Model interpretation is also an opportunity to generate new hypotheses, by inter-

919

preting the relationships found by the ML algorithm in the stores of soil data. The

920

new hypotheses derived by these interpretations may challenge existing knowledge

921

on the soil spatial variation and genesis.

922

923

33

Page 35

Figures and page graphics, page 35

Explainability

: Modellers should shy away from mindless model fitting and pre-

924

diction and intensify research on models that both predict and explain. Explanations

925

aim to answer the three questions:

what

is the modelled process?,

how

has it been

926

modelled?, and

why

has this process been modelled? (

Miller

,

2019

). In this sense,

927

explaining a process is an interpretation of a ML model plus expert knowledge and

928

contextual information. For example, a different explanation is warranted when one

929

wants to explain the pattern of a predicted soil map or the reason for two close

930

predicted soil classes to be different. To explain, the modeller uses the data, the

931

plausibility of the model and its interpretation using expert knowledge (see Fig.

5

).

932

Explainability is helped by model structure providing algorithmic explanations in

933

the form of graphs or equations.

934

935

An example of model structure providing algorithmic explanations in DSM is

936

found with the use of Bayesian belief networks (BBN,

Cooper

,

1990

) in

Mayr et al.

937

(

2010

) and later

Taalab et al.

(

2015

). BBN is a probabilistic graphical model pre-

938

dicting the likely value of a soil property or class given conditional dependencies

939

between covariates. Recent advances in ML have made a step further by discovering

940

the graph structure directly from the data. However, while BNN is an interpretable

941

ML model of conditional dependence between variables, the process that generated

942

these dependencies remains hidden. To discover new processes from data, inductive

943

process modelling (

Asgharbeygi et al.

,

2006

) and genetic algorithms (

Goldberg &

944

Holland

,

1988

) are the way forward. Both are automated model discovery process,

945

in which equations describing a process are inductively (i.e. using the data) assem-

946

bled into a single predictive model by heuristic search methods (

Bridewell et al.

,

2008

;

947

Gahegan

,

2019

). The calibrated model is a set of equations constrained by existing,

948

verified equations (e.g. differential equations of the water flow) representing causal

949

relationships between variables. The model can be refined using expert knowledge

950

and additional data (

Dale et al.

,

1989

). More importantly, these models produce

951

explanations, which can be refuted or approved in light of scientific principles.

952

34

Page 36

Figures and page graphics, page 36

input data

output

model

pedological 

knowledge

plausibility

interpretability

explainability

scientific 

outcome 

Figure 5: Conceptual framework for the derivation of a scientific outcome from a ML model, adapted
from

Roscher et al.

(

2019

). The light grey box represents the conventional use of ML algorithms

in digital soil mapping, in which an output is derived from a calibrated ML model given a set of
input data. A scientific outcome is obtained by explaining the output of a model using pedological
knowledge, but also by ensuring scientific consistency at each link of the chain. Alternatively, a
plausible and interpretable model can be explained using pedological knowledge.

Figure

5

illustrates the central role played by the three elements

plausibility

,

953

interpretability

and

explainability

in obtaining a scientific outcome from machine

954

learning. Fig.

5

shows that the three core elements are conditioned to the use of

955

pedological knowledge at each link of the chain. Enforcing pedological knowledge

956

during modelling restricts the solution space to scientifically consistent results and

957

may decrease the overall prediction accuracy. For digital soil mapping purposes,

958

it is not obvious whether an increase of predictive accuracy worth the substantial

959

decrease of model consistency. For this reason, recent studies (e.g.

Bennett et al.

,

960

2013

;

Lapuschkin et al.

,

2019

) advocate the use of other criteria to measure the

961

overall performance, such as model complexity or consistency (

Karpatne et al.

,

2017

).

962

Including other criteria to assess the overall performance of a ML model would

963

certainly make one step towards “conscious” digital soil mapping, and participate to

964

the uptake of knowledge discovery via machine learning in soil science.

965

35

Page 37

Figures and page graphics, page 37

5. Conclusion

966

In this contribution, we have reviewed the current and prospective use of ML al-

967

gorithms for digital soil mapping. From the existing use of ML in DSM, we identified

968

key challenges and provided partial solutions We draw the following conclusions.

969

•

There has been a large number of studies mapping soil properties or classes

970

using ML algorithms. A wide range of soil properties, attributes and types have

971

been predicted. Likewise, an increasing number of machine learning algorithms

972

have been tested. Case studies are dominated by the use of legacy samples for

973

local to regional scale (about 10

4

km

2

) areas. Ensemble of different algorithms

974

to improve prediction are gaining more attention. All studies reported at least

975

one validation statistics but few reported the uncertainty associated with the

976

prediction.

977

•

The configuration of a good sampling design for mapping with machine learning

978

is largely unknown. The impact of the sampling design on model calibration

979

and prediction has generally been disregarded. More research is needed in this

980

direction.

981

•

A large number of studies have focused solely on achieving a high mapping

982

accuracy. Comparison between models and other studies are made based on

983

validation statistics, while ignoring model complexity or consistency with re-

984

spect to the existing pedological knowledge.

985

•

The benefit of using a large number of covariates, or pseudo-covariates ac-

986

counting for residual spatial autocorrelation for mapping using ML algorithms

987

should be avoided. To build consistent models, we suggested to select a set of

988

pedologically relevant covariates, and to model the potential residual spatial

989

autocorrelation with

post-hoc

fitting of another model using spatial surrogate

990

covariates. This procedure also enables a separate analysis of the variation

991

explained by environmental or spatial covariates.

992

Overall, our review of the literature suggested that in recent studies inference is

993

relegated to the background with the emergence of the mapping accuracy as the sole

994

standard by which progress is measured. While the mapping accuracy is valuable, it

995

should not be the only objective one should pursue. To date, ML is applied to digital

996

soil mapping the same way as other fields such as image detection or pattern recog-

997

nition do. Any prediction can become a soil map, whether it contains soil knowledge

998

or not, and without any assessment on whether the fitted relationships relate to a

999

36

Page 38

Figures and page graphics, page 38

real-world soil process.

1000

1001

We also found, however, that there is opportunity to include pedological knowl-

1002

edge at each step of the modelling chain, to improve or correct the existing dataset,

1003

to design the model architecture, to constrain the model calibration, or to analyse

1004

the output using

post-hoc

checks on the predicted soil maps. Future studies on DSM

1005

should use

plausible

,

interpretable

and

explainable

ML models to extract novel sci-

1006

entific results from soil data. One step towards achieving this goal is to integrate

1007

model consistency in addition to model prediction accuracy to evaluate the overall

1008

performance of the mapping approach. This will ensure that future studies use mod-

1009

els that are not only accurate but also valid in light of the current knowledge and

1010

scientific theories.

1011

Acknowledgement

1012

Budiman Minasny is member of a consortium supported by LE STUDIUM Loire

1013

Valley Institute for Advanced Studies through its LE STUDIUM Research Consor-

1014

tium Programme.

1015

References

1016

Adhikari, K., Hartemink, A. E., Minasny, B., Kheir, R. B., Greve, M. B., & Greve,

1017

M. H. (2014). Digital mapping of soil organic carbon contents and stocks in den-

1018

mark.

PLOS ONE

,

9

, e105519.

1019

Aitkenhead, M. J., & Coull, M. C. (2016). Mapping soil carbon stocks across Scotland

1020

using a neural network model.

Geoderma

,

262

, 187–198.

1021

Akpa, S. I. C., Odeh, I. O. A., Bishop, T. F. A., & Hartemink, A. E. (2014). Digital

1022

mapping of soil particle-size fractions for Nigeria.

Soil Science Society of America

1023

Journal

,

78

, 1953–1966.

1024

Arrouays, D., McKenzie, N., Hempel, J., de Forges, A. R., & McBratney, A. B.

1025

(2014).

GlobalSoilMap: Basis of the Global Spatial Soil Information System

. CRC

1026

press, Boca Raton, USA.

1027

Asgharbeygi, N., Langley, P., Bay, S., & Arrigo, K. (2006). Inductive revision of

1028

quantitative process models.

Ecological Modelling

,

194

, 70–79.

1029

37

Page 39

Figures and page graphics, page 39

Batjes, N. H., Ribeiro, E., van Oostrum, A., Leenaars, J., Hengl, T., & Mendes de

1030

Jesus, J. (2017). WoSIS: providing standardised soil profile data for the world.

1031

Earth System Science Data

,

9

, 1–14.

1032

Beguin, J., Fuglstad, G.-A., Mansuy, N., & Par´

e, D. (2017). Predicting soil properties

1033

in the Canadian boreal forest with limited data: Comparison of spatial and non-

1034

spatial statistical approaches.

Geoderma

,

306

, 195–205.

1035

Behrens, T., F¨

orster, H., Scholten, T., Steinr¨

ucken, U., Spies, E.-D., & Goldschmitt,

1036

M. (2005). Digital soil mapping using artificial neural networks.

Journal of Plant

1037

Nutrition and Soil Science

,

168

, 21–33.

1038

Behrens, T., Schmidt, K., MacMillan, R. A., & Viscarra-Rossel, R. A. (2018a).

1039

Multi-scale digital soil mapping with deep learning.

Scientific Reports

,

8

, 15244.

1040

Behrens, T., Schmidt, K., Viscarra-Rossel, R. A., Gries, P., Scholten, T., & MacMil-

1041

lan, R. A. (2018b). Spatial modelling with Euclidean distance fields and machine

1042

learning.

European Journal of Soil Science

,

69

, 757–770.

1043

Behrens, T., Zhu, A.-X., Schmidt, K., & Scholten, T. (2010). Multi-scale digital

1044

terrain analysis and feature selection for digital soil mapping.

Geoderma

,

155

,

1045

175–185.

1046

Bel, L., Allard, D., Laurent, J. M., Cheddadi, R., & Bar-Hen, A. (2009). CART al-

1047

gorithm for spatial data: Application to environmental and ecological data.

Com-

1048

putational Statistics & Data Analysis

,

53

, 3082–3093.

1049

Bel, L., Laurent, J. M., Bar-Hen, A., Allard, D., & Cheddadi, R. (2005). A spatial

1050

extension of CART: application to classification of ecological data. In P. Renard,

1051

H. Demougeot-Renard, & R. Froidevaux (Eds.),

Geostatistics for Environmental

1052

Applications

(pp. 99–109). Springer, Berlin, Heidelberg.

1053

Bennett, N. D., Croke, B. F. W., Guariso, G., Guillaume, J. H. A., Hamilton, S. H.,

1054

Jakeman, A. J., Marsili-Libelli, S., Newham, L. T. H., Norton, J. P., Perrin, C.

1055

et al. (2013). Characterising performance of environmental models.

Environmental

1056

Modelling & Software

,

40

, 1–20.

1057

Blanco, C. M. G., Gomez, V. M. B., Crespo, P., & Ließ, M. (2018). Spatial prediction

1058

of soil water retention in a P´

aramo landscape: Methodological insight into machine

1059

learning using random forest.

Geoderma

,

316

, 100–114.

1060

Braben, D. W. (1985). Innovation and academic research.

Nature

,

316

, 401–402.

1061

38

Page 40

Figures and page graphics, page 40

Breiman, L. (2017).

Classification and Regression Trees

. Routledge, New York, USA.

1062

Brenning, A. (2012). Spatial cross-validation and bootstrap for the assessment of

1063

prediction rules in remote sensing: The R package sperrorest. In

2012 International

1064

Geoscience and Remote Sensing Symposium

(pp. 5372–5375). IEEE.

1065

Bridewell, W., Langley, P., Todorovski, L., & Dˇ

zeroski, S. (2008). Inductive process

1066

modeling.

Machine learning

,

71

, 1–32.

1067

Brungard, C. W., Boettinger, J. L., Duniway, M. C., Wills, S. A., & Edwards Jr, T. C.

1068

(2015). Machine learning for predicting soil classes in three semi-arid landscapes.

1069

Geoderma

,

239

, 68–83.

1070

Brus, D. J. (2019). Sampling for digital soil mapping: A tutorial supported by R

1071

scripts.

Geoderma

,

338

, 464–480.

1072

Bui, E., Henderson, B., & Viergever, K. (2009). Using knowledge discovery with data

1073

mining from the Australian Soil Resource Information System database to inform

1074

soil carbon mapping in Australia.

Global Biogeochemical Cycles

,

23

, GB4033.

1075

Bui, E. N., Loughhead, A., & Corner, R. (1999). Extracting soil-landscape rules

1076

from previous soil surveys.

Soil Research

,

37

, 495–508.

1077

Carr´

e, F., McBratney, A. B., & Minasny, B. (2007). Estimation and potential im-

1078

provement of the quality of legacy soil samples for digital soil mapping.

Geoderma

,

1079

141

, 1–14.

1080

Chen, S., Mulder, V. L., Martin, M. P., Walter, C., Lacoste, M., Richer-de Forges,

1081

A. C., Saby, N. P. A., Loiseau, T., Hu, B., & Arrouays, D. (2019). Probability

1082

mapping of soil thickness by random survival forest at a national scale.

Geoderma

,

1083

344

, 184–194.

1084

Cialella, A. T., Dubayah, R., Lawrence, W., & Levine, E. (1997). Predicting soil

1085

drainage class using remotely sensed and digital elevation data.

Photogrammetric

1086

Engineering and Remote Sensing

,

63

, 171–177.

1087

Cooper, G. F. (1990). The computational complexity of probabilistic inference using

1088

bayesian belief networks.

Artificial intelligence

,

42

, 393–405.

1089

Coveney, P. V., Dougherty, E. R., & Highfield, R. R. (2016). Big data need big theory

1090

too.

Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and

1091

Engineering Sciences

,

374

, 20160153.

1092

39

Page 41

Figures and page graphics, page 41

Cressie, N., & Johannesson, G. (2008). Fixed rank kriging for very large spatial data

1093

sets.

Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Statistical Methodology)

,

1094

70

, 209–226.

1095

Dai, F., Zhou, Q., Lv, Z., Wang, X., & Liu, G. (2014). Spatial prediction of soil

1096

organic matter content integrating artificial neural network and ordinary kriging

1097

in Tibetan Plateau.

Ecological Indicators

,

45

, 184–194.

1098

Dale, M. B., McBratney, A. B., & Russell, J. S. (1989). On the role of expert systems

1099

and numerical taxonomy in soil classification.

Journal of Soil Science

,

40

, 223–234.

1100

De Gruijter, J. J., Brus, D. J., Bierkens, M. F. P., & Knotters, M. (2006).

Sampling

1101

for Natural Resource Monitoring

. Springer Science & Business Media, Dordrecht,

1102

NL.

1103

Dharumarajan, S., Hegde, R., & Singh, S. K. (2017). Spatial prediction of major

1104

soil properties using Random Forest techniques-A case study in semi-arid tropics

1105

of South India.

Geoderma Regional

,

10

, 154–162.

1106

Doshi-Velez, F., & Kim, B. (2017).

Towards a rigorous science of interpretable

1107

machine learning.

arXiv:1702.08608

.

1108

Ellili, Y., Malone, B. P., Michot, D., Minasny, B., Vincent, S., Walter, C., &

1109

Lemercier, B. (2019). Comparing three approaches of spatial disaggregation of

1110

legacy soil maps based on DSMART algorithm.

SOIL Discussions

, .

1111

Evrard, O., Laceby, J. P., & Nakao, A. (2019). Effectiveness of landscape decontam-

1112

ination following the Fukushima nuclear accident: a review.

SOIL

,

5

, 333–350.

1113

Fick, S. E., & Hijmans, R. J. (2017). Worldclim 2: new 1-km spatial resolution

1114

climate surfaces for global land areas.

International Journal of Climatology

,

37

,

1115

4302–4315.

1116

Forkuor, G., Hounkpatin, O. K. L., Welp, G., & Thiel, M. (2017). High resolution

1117

mapping of soil properties using remote sensing variables in south-western Burkina

1118

Faso: a comparison of machine learning and multiple linear regression models.

1119

PLOS ONE

,

12

, e0170478.

1120

Fourcade, Y., Besnard, A. G., & Secondi, J. (2018). Paintings predict the distribution

1121

of species, or the challenge of selecting environmental predictors and evaluation

1122

statistics.

Global Ecology and Biogeography

,

27

, 245–256.

1123

40

Page 42

Figures and page graphics, page 42

Friedman, J. H. (2001). Greedy function approximation: a gradient boosting ma-

1124

chine.

Annals of statistics

,

25

, 1189–1232.

1125

Gahegan, M. (2000). On the application of inductive machine learning tools to

1126

geographical analysis.

Geographical Analysis

,

32

, 113–139.

1127

Gahegan, M. (2019). Fourth paradigm GIScience? prospects for automated discovery

1128

and explanation from data.

International Journal of Geographical Information

1129

Science

,

34

, 1–21.

1130

Gahegan, M., Wachowicz, M., Harrower, M., & Rhyne, T.-M. (2001). The integration

1131

of geographic visualization with knowledge discovery in databases and geocompu-

1132

tation.

Cartography and Geographic Information Science

,

28

, 29–44.

1133

Gasch, C. K., Hengl, T., Gr¨

aler, B., Meyer, H., Magney, T. S., & Brown, D. J.

1134

(2015). Spatio-temporal interpolation of soil water, temperature, and electrical

1135

conductivity in 3D+ T: The Cook Agronomy Farm data set.

Spatial Statistics

,

1136

14

, 70–90.

1137

Gascon, F., Bouzinac, C., Th´

epaut, O., Jung, M., Francesconi, B., Louis, J., Lonjou,

1138

V., Lafrance, B., Massera, S., Gaudel-Vacaresse, A. et al. (2017). Copernicus

1139

Sentinel-2A calibration and products validation status.

Remote Sensing

,

9

, 584.

1140

Georganos, S., Grippa, T., Gadiaga, A. N., Linard, C., Lennert, M., Vanhuysse, S.,

1141

Mboga, N. O., Wolff, E., & Kalogirou, S. (2019). Geographical random forests: A

1142

spatial extension of the random forest algorithm to address spatial heterogeneity

1143

in remote sensing and population modelling.

Geocarto International

,

1

, 1–12.

1144

Goldberg, D. E., & Holland, J. H. (1988).

Genetic algorithms and machine learning

.

1145

Kluwer Academic Publishers-Plenum Publishers. Kluwer Academic Publishers.

1146

Goldstein, A., Kapelner, A., Bleich, J., & Pitkin, E. (2015). Peeking inside the black

1147

box: Visualizing statistical learning with plots of individual conditional expecta-

1148

tion.

Journal of Computational and Graphical Statistics

,

24

, 44–65.

1149

Gomes, L. C., Faria, R. M., de Souza, E., Veloso, G. V., Schaefer, C. E. G. R., &

1150

Fernandes Filho, E. I. (2019). Modelling and mapping soil organic carbon stocks

1151

in Brazil.

Geoderma

,

340

, 337–350.

1152

Grimm, R., Behrens, T., M¨

arker, M., & Elsenbeer, H. (2008). Soil organic carbon

1153

concentrations and stocks on Barro Colorado Island—Digital soil mapping using

1154

Random Forests analysis.

Geoderma

,

146

, 102–113.

1155

41

Page 43

Figures and page graphics, page 43

Guevara, M., Olmedo, G. F., Stell, E., Yigini, Y., Aguilar Duarte, Y., Arel-

1156

lano Hern´

andez, C., Ar´

evalo, G. E., Arroyo-Cruz, C. E., Bolivar, A., Bunning,

1157

S. et al. (2018). No silver bullet for digital soil mapping: country-specific soil

1158

organic carbon estimates across Latin America.

SOIL

,

4

, 173–193.

1159

Hamzehpour, N., Shafizadeh-Moghadam, H., & Valavi, R. (2019). Exploring the

1160

driving forces and digital mapping of soil organic carbon using remote sensing and

1161

soil texture.

CATENA

,

182

, 104141.

1162

Hansen, M. K., Brown, D. J., Dennison, P. E., Graves, S. A., & Bricklemyer, R. S.

1163

(2009). Inductively mapping expert-derived soil-landscape units within dambo

1164

wetland catenae using multispectral and topographic data.

Geoderma

,

150

, 72–

1165

84.

1166

H¨

aring, T., Dietz, E., Osenstetter, S., Koschitzki, T., & Schr¨

oder, B. (2012). Spa-

1167

tial disaggregation of complex soil map units: A decision-tree based approach in

1168

Bavarian forest soils.

Geoderma

,

185

, 37–47.

1169

Hartmann, J., & Moosdorf, N. (2012). The new global lithological map database

1170

GLiM: A representation of rock properties at the Earth surface.

Geochemistry,

1171

Geophysics, Geosystems

,

13

, 1–37.

1172

Hawkins, B. A. (2012). Eight (and a half) deadly sins of spatial analysis.

Journal of

1173

Biogeography

,

39

, 1–9.

1174

He, H., & Garcia, E. A. (2009). Learning from imbalanced data.

IEEE Transactions

1175

on Knowledge and Data Engineering

,

21

, 1263–1284.

1176

Henderson, B. L., Bui, E. N., Moran, C. J., & Simon, D. A. P. (2005). Australia-wide

1177

predictions of soil properties using decision trees.

Geoderma

,

124

, 383–398.

1178

Hengl, T., de Jesus, J. M., Heuvelink, G. B. M., Gonzalez, M. R., Kilibarda, M.,

1179

Blagoti´

c, A., Shangguan, W., Wright, M. N., Geng, X., Bauer-Marschallinger, B.

1180

et al. (2017a). SoilGrids250m: Global gridded soil information based on machine

1181

learning.

PLOS ONE

,

12

, e0169748.

1182

Hengl, T., de Jesus, J. M., MacMillan, R. A., Batjes, N. H., Heuvelink, G. B. M.,

1183

Ribeiro, E., Samuel-Rosa, A., Kempen, B., Leenaars, J. G., Walsh, M. G. et al.

1184

(2014).

SoilGrids1km—global soil information based on automated mapping.

1185

PLOS ONE

,

9

, e105992.

1186

42

Page 44

Figures and page graphics, page 44

Hengl, T., Leenaars, J. G. B., Shepherd, K. D., Walsh, M. G., Heuvelink, G. B. M.,

1187

Mamo, T., Tilahun, H., Berkhout, E., Cooper, M., Fegraus, E. et al. (2017b). Soil

1188

nutrient maps of Sub-Saharan Africa: assessment of soil nutrient content at 250

1189

m spatial resolution using machine learning.

Nutrient Cycling in Agroecosystems

,

1190

109

, 77–102.

1191

Hengl, T., Nussbaum, M., Wright, M. N., Heuvelink, G. B. M., & Gr¨

aler, B. (2018).

1192

Random forest as a generic framework for predictive modeling of spatial and spatio-

1193

temporal variables.

PeerJ

,

6

, e5518.

1194

Heung, B., Ho, H. C., Zhang, J., Knudby, A., Bulmer, C. E., & Schmidt, M. G.

1195

(2016). An overview and comparison of machine-learning techniques for classifica-

1196

tion purposes in digital soil mapping.

Geoderma

,

265

, 62–77.

1197

Heuvelink, G. B. M., & Webster, R. (2001). Modelling soil variation: past, present,

1198

and future.

Geoderma

,

100

, 269–301.

1199

Holmes, K. W., Odgers, N. P., Griffin, E. A., & van Gool, D. (2014). Spatial disag-

1200

gregation of conventional soil mapping across Western Australia using DSMART.

1201

In D. Arrouays, N. McKenzie, J. Hempel, A. Richer de Forges, & A. B. McBratney

1202

(Eds.),

GlobalSoilMap: Basis of the Global Spatial Soil Information System

(pp.

1203

273–279). Taylor & Francis, London, UK.

1204

Hounkpatin, K. O. L., Schmidt, K., Stumpf, F., Forkuor, G., Behrens, T., Scholten,

1205

T., Amelung, W., & Welp, G. (2018). Predicting reference soil groups using legacy

1206

data: A data pruning and Random Forest approach for tropical environment (Dano

1207

catchment, Burkina Faso).

Scientific Reports

,

8

, 9959.

1208

Ill´

es, G., Sutikno, S., Szatm´

ari, G., Sandhyavitri, A., P´

asztor, L., Kristijono, A.,

1209

Moln´

ar, G., Yusa, M., & Sz´

ekely, B. (2019). Facing the peat co

2

threat: digital

1210

mapping of Indonesian peatlands—a proposed methodology and its application.

1211

Journal of Soils and Sediments

, (pp. 1–16).

1212

Jenny, H. (1941).

Factors of Soil Formation: A System of Quantitative Pedology

.

1213

McGrawHill, New York, USA.

1214

Jiang, Z., Li, Y., Shekhar, S., Rampi, L., & Knight, J. (2017). Spatial ensemble

1215

learning for heterogeneous geographic data with class ambiguity: A summary of

1216

results. In

Proceedings of the 25th ACM SIGSPATIAL International Conference

1217

on Advances in Geographic Information Systems

23 (pp. 1–10). ACM.

1218

43

Page 45

Figures and page graphics, page 45

Kalambukattu, J. G., Kumar, S., & Raj, R. A. (2018). Digital soil mapping in

1219

a Himalayan watershed using remote sensing and terrain parameters employing

1220

artificial neural network model.

Environmental Earth Sciences

,

77

, 203.

1221

Karpatne, A., Atluri, G., Faghmous, J. H., Steinbach, M., Banerjee, A., Ganguly, A.,

1222

Shekhar, S., Samatova, N., & Kumar, V. (2017). Theory-guided data science: A

1223

new paradigm for scientific discovery from data.

IEEE Transactions on Knowledge

1224

and Data Engineering

,

29

, 2318–2331.

1225

Keskin, H., Grunwald, S., & Harris, W. G. (2019). Digital mapping of soil carbon

1226

fractions with machine learning.

Geoderma

,

339

, 40–58.

1227

Kheir, R. B., Greve, M. H., Abdallah, C., & Dalgaard, T. (2010a). Spatial soil zinc

1228

content distribution from terrain parameters: A GIS-based decision-tree model in

1229

Lebanon.

Environmental Pollution

,

158

, 520–528.

1230

Kheir, R. B., Greve, M. H., Bøcher, P. K., Greve, M. B., Larsen, R., & McCloy,

1231

K. (2010b). Predictive mapping of soil organic carbon in wet cultivated lands

1232

using classification-tree based models: The case study of Denmark.

Journal of

1233

Environmental Management

,

91

, 1150–1160.

1234

Kirkwood, C., Cave, M., Beamish, D., Grebby, S., & Ferreira, A. (2016). A machine

1235

learning approach to geochemical mapping.

Journal of Geochemical Exploration

,

1236

167

, 49–61.

1237

Koch, J., Stisen, S., Refsgaard, J. C., Ernstsen, V., Jakobsen, P. R., & Højberg, A. L.

1238

(2019). Modeling Depth of the Redox Interface at High Resolution at National

1239

Scale Using Random Forest and Residual Gaussian Simulation.

Water Resources

1240

Research

,

55

, 1451–1469.

1241

Kovaˇ

cevi´

c, M., Bajat, B., & Gaji´

c, B. (2010). Soil type classification and estimation

1242

of soil properties using support vector machines.

Geoderma

,

154

, 340–347.

1243

K¨

uhn, I., & Dormann, C. F. (2012). Less than eight (and a half) misconceptions of

1244

spatial analysis.

Journal of Biogeography

,

39

, 995–998.

1245

K¨

uhn, I., Nobis, M. P., & Durka, W. (2009). Combining spatial and phylogenetic

1246

eigenvector filtering in trait analysis.

Global Ecology and Biogeography

,

18

, 745–

1247

758.

1248

44

Page 46

Figures and page graphics, page 46

Lacoste, M., Minasny, B., McBratney, A., Michot, D., Viaud, V., & Walter, C.

1249

(2014). High resolution 3d mapping of soil organic carbon in a heterogeneous

1250

agricultural landscape.

Geoderma

,

213

, 296–311.

1251

Lagacherie, P. (2008). Digital soil mapping: a state of the art. In A. E. Hartemink,

1252

A. McBratney, & M. de Lourdes Mendon¸ca-Santos (Eds.),

Digital Soil Mapping

1253

with Limited Data

(pp. 3–14). Springer, Dordrecht, Netherlands.

1254

Lagacherie, P., & Holmes, S. (1997). Addressing geographical data errors in a classi-

1255

fication tree for soil unit prediction.

International Journal of Geographical Infor-

1256

mation Science

,

11

, 183–198.

1257

Lagacherie, P., & McBratney, A. (2006). Spatial soil information systems and spatial

1258

soil inference systems: perspectives for digital soil mapping.

Developments in Soil

1259

Science

,

31

, 3–22.

1260

Lamichhane, S., Kumar, L., & Wilson, B. (2019). Digital soil mapping algorithms

1261

and covariates for soil organic carbon mapping and their implications: A review.

1262

Geoderma

, (pp. 395–413).

1263

Lapuschkin, S., W¨

aldchen, S., Binder, A., Montavon, G., Samek, W., & M¨

uller, K.-

1264

R. (2019). Unmasking Clever Hans predictors and assessing what machines really

1265

learn.

Nature Communications

,

10

, 1096.

1266

Le Rest, K., Pinaud, D., Monestiez, P., Chadoeuf, J., & Bretagnolle, V. (2014). Spa-

1267

tial leave-one-out cross-validation for variable selection in the presence of spatial

1268

autocorrelation.

Global Ecology and Biogeography

,

23

, 811–820.

1269

Ließ, M., Glaser, B., & Huwe, B. (2012). Uncertainty in the spatial prediction of

1270

soil texture: comparison of regression tree and random forest models.

Geoderma

,

1271

170

, 70–79.

1272

Ließ, M., Schmidt, J., & Glaser, B. (2016). Improving the spatial prediction of soil

1273

organic carbon stocks in a complex tropical mountain landscape by methodological

1274

specifications in machine learning approaches.

PLOS ONE

,

11

, e0153673.

1275

Lipton, Z. C. (2018). The mythos of model interpretability.

Queue

,

16

, 31–57.

1276

Liu, F., Zhang, G.-L., Song, X., Li, D., Zhao, Y., Yang, J., Wu, H., & Yang, F.

1277

(2019). High-resolution and three-dimensional mapping of soil texture of China.

1278

Geoderma

,

361

, 114061.

1279

45

Page 47

Figures and page graphics, page 47

Lorenzetti, R., Barbetti, R., Fantappi`

e, M., L’Abate, G., & Costantini, E. A. (2015).

1280

Comparing data mining and deterministic pedology to assess the frequency of wrb

1281

reference soil groups in the legend of small scale maps.

Geoderma

,

237

, 237–245.

1282

Ma, Y., Minasny, B., Malone, B. P., & Mcbratney, A. B. (2019). Pedology and digital

1283

soil mapping (DSM).

European Journal of Soil Science

,

70

, 216–235.

1284

MacKay, D. J. C. (1992). Information-based objective functions for active data

1285

selection.

Neural Computation

,

4

, 590–604.

1286

Mahmoudabadi, E., Karimi, A., Haghnia, G. H., & Sepehr, A. (2017). Digital soil

1287

mapping using remote sensing indices, terrain attributes, and vegetation features in

1288

the rangelands of northeastern Iran.

Environmental Monitoring and Assessment

,

1289

189

, 500.

1290

Malone, B. P., McBratney, A. B., Minasny, B., & Laslett, G. M. (2009). Mapping

1291

continuous depth functions of soil carbon storage and available water capacity.

1292

Geoderma

,

154

, 138–152.

1293

Mansuy, N., Thiffault, E., Par´

e, D., Bernier, P., Guindon, L., Villemaire, P., Poirier,

1294

V., & Beaudoin, A. (2014). Digital mapping of soil properties in Canadian managed

1295

forests at 250 m of resolution using the k-nearest neighbor method.

Geoderma

,

1296

235

, 59–73.

1297

Marchant, B. P., Viscarra Rossel, R. A., & Webster, R. (2013). Fluctuations in

1298

method-of-moments variograms caused by clustered sampling and their elimination

1299

by declustering and residual maximum likelihood estimation.

European Journal of

1300

Soil Science

,

64

, 401–409.

1301

Massawe, B. H. J., Subburayalu, S. K., Kaaya, A. K., Winowiecki, L., & Slater, B. K.

1302

(2018). Mapping numerically classified soil taxa in Kilombero valley, Tanzania

1303

using machine learning.

Geoderma

,

311

, 143–148.

1304

Mayr, T., Rivas-Casado, M., Bellamy, P., Palmer, R., Zawadzka, J., & Corstanje, R.

1305

(2010). Two methods for using legacy data in digital soil mapping. In M. A. H. A.

1306

K.-B. S. Boettinger J.L., Howell D.W. (Ed.),

Digital Soil Mapping

(pp. 191–202).

1307

Springer, Dordrecht, NL.

1308

McBratney, A. B., Santos, M. M., & Minasny, B. (2003). On digital soil mapping.

1309

Geoderma

,

117

, 3–52.

1310

46

Page 48

Figures and page graphics, page 48

McNicol, G., Bulmer, C., D’Amore, D., Sanborn, P., Saunders, S., Giesbrecht, I.,

1311

Arriola, S. G., Bidlack, A., Butman, D., & Buma, B. (2019). Large, climate-

1312

sensitive soil carbon stocks mapped with pedology-informed machine learning in

1313

the North Pacific coastal temperate rainforest.

Environmental Research Letters

,

1314

14

, 014004.

1315

Meyer, H., Reudenbach, C., Hengl, T., Katurji, M., & Nauss, T. (2018). Improving

1316

performance of spatio-temporal machine learning models using forward feature

1317

selection and target-oriented validation.

Environmental Modelling & Software

,

1318

101

, 1–9.

1319

Meyer, H., Reudenbach, C., W¨

ollauer, S., & Nauss, T. (2019). Importance of spatial

1320

predictor variable selection in machine learning applications–moving from data

1321

reproduction to spatial prediction.

Ecological Modelling

,

411

, 108815.

1322

Micheletti, N., Foresti, L., Robert, S., Leuenberger, M., Pedrazzini, A., Jaboyed-

1323

off, M., & Kanevski, M. (2014). Machine learning feature selection methods for

1324

landslide susceptibility mapping.

Mathematical Geosciences

,

46

, 33–57.

1325

Miller, B. A., Koszinski, S., Wehrhan, M., & Sommer, M. (2015a). Comparison of

1326

spatial association approaches for landscape mapping of soil organic carbon stocks.

1327

Soil

,

1

, 217––233.

1328

Miller, B. A., Koszinski, S., Wehrhan, M., & Sommer, M. (2015b). Impact of multi-

1329

scale predictor selection for modeling soil properties.

Geoderma

,

239

, 97–106.

1330

Miller, T. (2019). Explanation in artificial intelligence: Insights from the social

1331

sciences.

Artificial Intelligence

,

267

, 1–38.

1332

Mira, M., Weiss, M., Baret, F., Courault, D., Hagolle, O., Gallego-Elvira, B., &

1333

Olioso, A. (2015). The MODIS (collection V006) BRDF/albedo product MCD43D:

1334

Temporal course evaluated over agricultural landscape.

Remote Sensing of Envi-

1335

ronment

,

170

, 216–228.

1336

Mirza, M., & Osindero, S. (2014). Conditional generative adversarial nets.

arXiv:

1337

1411.1784

.

1338

Molnar, C. (2019).

Interpretable machine learning

. Lulu, Morrisville, USA.

1339

Montavon, G., Samek, W., & M¨

uller, K.-R. (2018). Methods for interpreting and

1340

understanding deep neural networks.

Digital Signal Processing

,

73

, 1–15.

1341

47

Page 49

Figures and page graphics, page 49

Moran, C. J., & Bui, E. N. (2002). Spatial data mining for enhanced soil map

1342

modelling.

International Journal of Geographical Information Science

,

16

, 533–

1343

549.

1344

Mosleh, Z., Salehi, M. H., Jafari, A., Borujeni, I. E., & Mehnatkesh, A. (2016). The

1345

effectiveness of digital soil mapping to predict soil properties over low-relief areas.

1346

Environmental Monitoring and Assessment

,

188

, 195.

1347

Mulder, V. L., Lacoste, M., Richer-de Forges, A. C., Martin, M. P., & Arrouays, D.

1348

(2016). National versus global modelling the 3D distribution of soil organic carbon

1349

in mainland France.

Geoderma

,

263

, 16–34.

1350

Nauman, T. W., & Duniway, M. C. (2019). Relative prediction intervals reveal larger

1351

uncertainty in 3D approaches to predictive digital soil mapping of soil properties

1352

with legacy data.

Geoderma

,

347

, 170–184.

1353

Nussbaum, M., Spiess, K., Baltensweiler, A., Grob, U., Keller, A., Greiner, L.,

1354

Schaepman, M. E., & Papritz, A. (2018). Evaluation of digital soil mapping ap-

1355

proaches with large sets of environmental covariates.

Soil

,

4

, 1–22.

1356

Odgers, N. P., Sun, W., McBratney, A. B., Minasny, B., & Clifford, D. (2014).

1357

Disaggregating and harmonising soil map units through resampled classification

1358

trees.

Geoderma

,

214

, 91–100.

1359

Oldeman, L. R., & Van Engelen, V. W. P. (1993). A world soils and terrain digital

1360

database (SOTER)—An improved assessment of land resources.

Geoderma

,

60

,

1361

309–325.

1362

Oliver, M. A. (1987). Geostatistics and its application to soil science.

Soil Use and

1363

Management

,

3

, 8–20.

1364

Ottoy, S., De Vos, B., Sindayihebura, A., Hermy, M., & Van Orshoven, J. (2017).

1365

Assessing soil organic carbon stocks under current and potential forest cover using

1366

digital soil mapping and spatial generalisation.

Ecological Indicators

,

77

, 139–150.

1367

Padarian, J., Minasny, B., & McBratney, A. B. (2019). Using deep learning for

1368

digital soil mapping.

Soil

,

5

, 79–89.

1369

Pahlavan-Rad, M. R., & Akbarimoghaddam, A. (2018). Spatial variability of soil

1370

texture fractions and pH in a flood plain (case study from eastern Iran).

CATENA

,

1371

160

, 275–281.

1372

48

Page 50

Figures and page graphics, page 50

Peres-Neto, P. R., Legendre, P., Dray, S., & Borcard, D. (2006). Variation partition-

1373

ing of species data matrices: estimation and comparison of fractions.

Ecology

,

87

,

1374

2614–2625.

1375

Poggio, L., Lassauce, A., & Gimona, A. (2019). Modelling the extent of northern

1376

peat soil and its uncertainty with sentinel: Scotland as example of highly cloudy

1377

region.

Geoderma

,

346

, 63–74.

1378

Pohjankukka, J., Pahikkala, T., Nevalainen, P., & Heikkonen, J. (2017). Estimating

1379

the prediction performance of spatial models via spatial k-fold cross validation.

1380

International Journal of Geographical Information Science

,

31

, 2001–2019.

1381

Pouladi, N., Møller, A. B., Tabatabai, S., & Greve, M. H. (2019). Mapping soil

1382

organic matter contents at field level with cubist, random forest and kriging.

Geo-

1383

derma

,

342

, 85–92.

1384

Pozdnoukhov, A., & Kanevski, M. (2006). Monitoring network optimisation for

1385

spatial data classification using support vector machines.

International Journal of

1386

Environment and Pollution

,

28

, 465–484.

1387

Rahman, R., Otridge, J., & Pal, R. (2017). IntegratedMRF: random forest-based

1388

framework for integrating prediction from different data types.

Bioinformatics

,

1389

33

, 1407–1410.

1390

Ramcharan, A., Hengl, T., Nauman, T., Brungard, C., Waltman, S., Wills, S., &

1391

Thompson, J. (2018). Soil property and class maps of the conterminous United

1392

States at 100-meter spatial resolution.

Soil Science Society of America Journal

,

1393

82

, 186–201.

1394

Reichstein, M., Camps-Valls, G., Stevens, B., Jung, M., Denzler, J., Carvalhais,

1395

N. et al. (2019). Deep learning and process understanding for data-driven earth

1396

system science.

Nature

,

566

, 195–204.

1397

Ribeiro, M. T., Singh, S., & Guestrin, C. (2016). Why should I trust you?: Explain-

1398

ing the predictions of any classifier. In

Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD

1399

International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining

(pp. 1135–

1400

1144). ACM.

1401

Roberts, D. R., Bahn, V., Ciuti, S., Boyce, M. S., Elith, J., Guillera-Arroita, G.,

1402

Hauenstein, S., Lahoz-Monfort, J. J., Schr¨

oder, B., Thuiller, W. et al. (2017).

1403

Cross-validation strategies for data with temporal, spatial, hierarchical, or phylo-

1404

genetic structure.

Ecography

,

40

, 913–929.

1405

49

Page 51

Figures and page graphics, page 51

Roscher, R., Bohn, B., Duarte, M. F., & Garcke, J. (2019). Explainable machine

1406

learning for scientific insights and discoveries.

arXiv:1905.08883

.

1407

Rudiyanto, B., Minasny, Setiawan, B. I., Saptomo, S. K., McBratney, A. B. et al.

1408

(2018). Open digital mapping as a cost-effective method for mapping peat thickness

1409

and assessing the carbon stock of tropical peatlands.

Geoderma

,

313

, 25–40.

1410

Ruß, G., & Brenning, A. (2010). Data mining in precision agriculture: management

1411

of spatial information. In

International Conference on Information Processing and

1412

Management of Uncertainty in Knowledge-Based Systems

(pp. 350–359). Springer.

1413

Schratz, P., Muenchow, J., Iturritxa, E., Richter, J., & Brenning, A. (2019). Hyper-

1414

parameter tuning and performance assessment of statistical and machine-learning

1415

algorithms using spatial data.

Ecological Modelling

,

406

, 109–120.

1416

Scull, P., Franklin, J., & Chadwick, O. A. (2005). The application of classification

1417

tree analysis to soil type prediction in a desert landscape.

Ecological Modelling

,

1418

181

, 1–15.

1419

Segal, M., & Xiao, Y. (2011). Multivariate random forests.

Wiley Interdisciplinary

1420

Reviews: Data Mining and Knowledge Discovery

,

1

, 80–87.

1421

Sergeev, A., Buevich, A., Baglaeva, E., & Shichkin, A. (2019). Combining spatial

1422

autocorrelation with machine learning increases prediction accuracy of soil heavy

1423

metals.

CATENA

,

174

, 425–435.

1424

Sharififar, A., Sarmadian, F., Malone, B. P., & Minasny, B. (2019). Addressing

1425

the issue of digital mapping of soil classes with imbalanced class observations.

1426

Geoderma

,

350

, 84–92.

1427

Shi, J., Yang, L., Zhu, A., Qin, C., Liang, P., Zeng, C., Pei, T. et al. (2018). Machine-

1428

learning variables at different scales vs. knowledge-based variables for mapping

1429

multiple soil properties.

Soil Science Society of America Journal

,

82

, 645–656.

1430

Siewert, M. B. (2018). High-resolution digital mapping of soil organic carbon in

1431

permafrost terrain using machine learning: a case study in a sub-Arctic peatland

1432

environment.

Biogeosciences

,

15

, 1663–1682.

1433

da Silva Chagas, C., de Carvalho Junior, W., Bhering, S. B., & Calderano Filho, B.

1434

(2016). Spatial prediction of soil surface texture in a semiarid region using random

1435

forest and multiple linear regressions.

CATENA

,

139

, 232–240.

1436

50

Page 52

Figures and page graphics, page 52

Sinha, P., Gaughan, A. E., Stevens, F. R., Nieves, J. J., Sorichetta, A., & Tatem, A. J.

1437

(2019). Assessing the spatial sensitivity of a random forest model: Application in

1438

gridded population modeling.

Computers, Environment and Urban Systems

,

75

,

1439

132–145.

1440

Somarathna, P. D. S. N., Malone, B. P., & Minasny, B. (2016). Mapping soil organic

1441

carbon content over New South Wales, Australia using local regression kriging.

1442

Geoderma regional

,

7

, 38–48.

1443

Somarathna, P. D. S. N., Minasny, B., & Malone, B. P. (2017). More data or a better

1444

model? figuring out what matters most for the spatial prediction of soil carbon.

1445

Soil Science Society of America Journal

,

81

, 1413–1426.

1446

Song, X.-D., Wu, H.-Y., Ju, B., Liu, F., Yang, F., Li, D.-C., Zhao, Y.-G., Yang, J.-

1447

L., & Zhang, G.-L. (2020). Pedoclimatic zone-based three-dimensional soil organic

1448

carbon mapping in China.

Geoderma

,

363

, 114145.

1449

Song, Y.-Q., Zhao, X., Su, H.-Y., Li, B., Hu, Y.-M., & Cui, X.-S. (2018). Predicting

1450

spatial variations in soil nutrients with hyperspectral remote sensing at regional

1451

scale.

Sensors

,

18

, 3086.

1452

Stojanova, D., Ceci, M., Appice, A., Malerba, D., & Dˇ

zeroski, S. (2013). Dealing

1453

with spatial autocorrelation when learning predictive clustering trees.

Ecological

1454

Informatics

,

13

, 22–39.

1455

Stumpf, F., Schmidt, K., Behrens, T., Sch¨

onbrodt-Stitt, S., Buzzo, G., Dumperth,

1456

C., Wadoux, A., Xiang, W., & Scholten, T. (2016). Incorporating limited field

1457

operability and legacy soil samples in a hypercube sampling design for digital soil

1458

mapping.

Journal of Plant Nutrition and Soil Science

,

179

, 499–509.

1459

Subburayalu, S. K., & Slater, B. K. (2013). Soil series mapping by knowledge dis-

1460

covery from an Ohio county soil map.

Soil Science Society of America Journal

,

1461

77

, 1254–1268.

1462

Szatm´

ari, G., & P´

asztor, L. (2019). Comparison of various uncertainty modelling

1463

approaches based on geostatistics and machine learning algorithms.

Geoderma

,

1464

337

, 1329–1340.

1465

Szatm´

ari, G., Pirk´

o, B., Ko´

os, S., Laborczi, A., Bakacsi, Z., Szab´

o, J., & P´

asztor,

1466

L. (2019). Spatio-temporal assessment of topsoil organic carbon stock change in

1467

Hungary.

Soil and Tillage Research

,

195

, 104410.

1468

51

Page 53

Figures and page graphics, page 53

Taalab, K., Corstanje, R., Mayr, T., Whelan, M., & Creamer, R. (2015).

The

1469

application of expert knowledge in bayesian networks to predict soil bulk density

1470

at the landscape scale.

European Journal of Soil Science

,

66

, 930–941.

1471

Taghizadeh-Mehrjardi, R., Minasny, B., Sarmadian, F., & Malone, B. P. (2014).

1472

Digital mapping of soil salinity in Ardakan region, central Iran.

Geoderma

,

213

,

1473

15–28.

1474

Taghizadeh-Mehrjardi, R., Minasny, B., Toomanian, N., Zeraatpisheh, M., Amirian-

1475

Chakan, A., & Triantafilis, J. (2019a). Digital mapping of soil classes using en-

1476

semble of models in Isfahan region, Iran.

Soil Systems

,

3

, 37.

1477

Taghizadeh-Mehrjardi, R., Nabiollahi, K., & Kerry, R. (2016). Digital mapping of

1478

soil organic carbon at multiple depths using different data mining techniques in

1479

Baneh region, Iran.

Geoderma

,

266

, 98–110.

1480

Taghizadeh-Mehrjardi, R., Schmidt, K., Eftekhari, K., Behrens, T., Jamshidi, M.,

1481

Davatgaar, N., Toomanian, N., & Scholten, T. (2019b). Synthetic resampling

1482

strategies and machine learning for digital soil mapping in Iran.

European Journal

1483

of Soil Science

, .

1484

Taghizadeh-mehrjardi, R., Toomanian, N., Khavaninzadeh, A. R., Jafari, A., & Tri-

1485

antafilis, J. (2016). Predicting and mapping of soil particle-size fractions with

1486

adaptive neuro-fuzzy inference and ant colony optimization in central Iran.

Euro-

1487

pean Journal of Soil Science

,

67

, 707–725.

1488

Tajik, S., Ayoubi, S., Shirani, H., & Zeraatpisheh, M. (2019). Digital mapping of

1489

soil invertebrates using environmental attributes in a deciduous forest ecosystem.

1490

Geoderma

,

353

, 252–263.

1491

Tuia, D., Pozdnoukhov, A., Foresti, L., & Kanevski, M. (2013). Active learning for

1492

monitoring network optimization. In J. Mateu, & W. G. M¨

uller (Eds.),

Spatio-

1493

Temporal Design: Advances in Efficient Data Acquisition

(pp. 285–318). Wiley

1494

Online Library, Chichester, UK.

1495

Tziachris, P., Aschonitis, V., Chatzistathis, T., & Papadopoulou, M. (2019). As-

1496

sessment of spatial hybrid methods for predicting soil organic matter using DEM

1497

derivatives and soil parameters.

CATENA

,

174

, 206–216.

1498

Uria, B., Cˆ

ot´

e, M.-A., Gregor, K., Murray, I., & Larochelle, H. (2016). Neural

1499

autoregressive distribution estimation.

The Journal of Machine Learning Research

,

1500

17

, 7184–7220.

1501

52

Page 54

Figures and page graphics, page 54

Vaysse, K., & Lagacherie, P. (2015). Evaluating digital soil mapping approaches for

1502

mapping GlobalSoilMap soil properties from legacy data in Languedoc-Roussillon

1503

(France).

Geoderma Regional

,

4

, 20–30.

1504

Vaysse, K., & Lagacherie, P. (2017). Using quantile regression forest to estimate

1505

uncertainty of digital soil mapping products.

Geoderma

,

291

, 55–64.

1506

Vermeulen, D., & Van Niekerk, A. (2017). Machine learning performance for pre-

1507

dicting soil salinity using different combinations of geomorphometric covariates.

1508

Geoderma

,

299

, 1–12.

1509

Vincent, S., Lemercier, B., Berthier, L., & Walter, C. (2018). Spatial disaggregation

1510

of complex soil map units at the regional scale based on soil-landscape relation-

1511

ships.

Geoderma

,

311

, 130–142.

1512

Viscarra-Rossel, R. A., & Chen, C. (2011). Digitally mapping the information content

1513

of visible–near infrared spectra of surficial Australian soils.

Remote Sensing of

1514

Environment

,

115

, 1443–1455.

1515

Viscarra-Rossel, R. A., Chen, C., Grundy, M. J., Searle, R., Clifford, D., & Campbell,

1516

P. H. (2015). The Australian three-dimensional soil grid: Australia’s contribution

1517

to the GlobalSoilMap project.

Soil Research

,

53

, 845–864.

1518

Wadoux, A. M. J.-C. (2019a).

Sampling design optimization for geostatistical mod-

1519

elling and prediction

. Ph.D. thesis Wageningen University & Research.

1520

Wadoux, A. M. J.-C. (2019b). Using deep learning for multivariate mapping of soil

1521

with quantified uncertainty.

Geoderma

,

351

, 59–70.

1522

Wadoux, A. M. J.-C., Brus, D. J., & Heuvelink, G. B. M. (2019a). Sampling design

1523

optimization for soil mapping with random forest.

Geoderma

,

355

, 113913.

1524

Wadoux, A. M. J.-C., Padarian, J., & Minasny, B. (2019b).

Multi-source data

1525

integration for soil mapping using deep learning.

Soil

,

5

, 107–119.

1526

Wadoux, A. M. J.-C., Samuel-Rosa, A., Poggio, L., & Mulder, V. L. (2019c). A note

1527

on knowledge discovery and machine learning in digital soil mapping.

European

1528

Journal of Soil Science

, .

1529

Wang, B., Waters, C., Orgill, S., Gray, J., Cowie, A., Clark, A., & Li Liu, D.

1530

(2018). High resolution mapping of soil organic carbon stocks using remote sensing

1531

variables in the semi-arid rangelands of eastern Australia.

Science of The Total

1532

Environment

,

630

, 367–378.

1533

53

Page 55

Figures and page graphics, page 55

Wang, S., Zhuang, Q., Wang, Q., Jin, X., & Han, C. (2017). Mapping stocks of soil

1534

organic carbon and soil total nitrogen in Liaoning Province of China.

Geoderma

,

1535

305

, 250–263.

1536

Were, K., Bui, D. T., Dick, Ø. B., & Singh, B. R. (2015). A comparative assessment

1537

of support vector regression, artificial neural networks, and random forests for pre-

1538

dicting and mapping soil organic carbon stocks across an Afromontane landscape.

1539

Ecological Indicators

,

52

, 394–403.

1540

Wiesmeier, M., Barthold, F., Blank, B., & K¨

ogel-Knabner, I. (2011). Digital mapping

1541

of soil organic matter stocks using random forest modeling in a semi-arid steppe

1542

ecosystem.

Plant and Soil

,

340

, 7–24.

1543

Wu, J., Teng, Y., Chen, H., & Li, J. (2016). Machine-learning models for on-site

1544

estimation of background concentrations of arsenic in soils using soil formation

1545

factors.

Journal of Soils and Sediments

,

16

, 1787–1797.

1546

Xu, S., An, X., Qiao, X., Zhu, L., & Li, L. (2013). Multi-output least-squares support

1547

vector regression machines.

Pattern Recognition Letters

,

34

, 1078–1084.

1548

Yamazaki, D., Ikeshima, D., Tawatari, R., Yamaguchi, T., O’Loughlin, F., Neal,

1549

J. C., Sampson, C. C., Kanae, S., & Bates, P. D. (2017). A high-accuracy map of

1550

global terrain elevations.

Geophysical Research Letters

,

44

, 5844–5853.

1551

Yang, R.-M., Zhang, G.-L., Liu, F., Lu, Y.-Y., Yang, F., Yang, F., Yang, M., Zhao,

1552

Y.-G., & Li, D.-C. (2016). Comparison of boosted regression tree and random forest

1553

models for mapping topsoil organic carbon concentration in an alpine ecosystem.

1554

Ecological Indicators

,

60

, 870–878.

1555

Zeraatpisheh, M., Ayoubi, S., Jafari, A., & Finke, P. (2017). Comparing the efficiency

1556

of digital and conventional soil mapping to predict soil types in a semi-arid region

1557

in Iran.

Geomorphology

,

285

, 186–204.

1558

Zeraatpisheh, M., Ayoubi, S., Jafari, A., Tajik, S., & Finke, P. (2019). Digital

1559

mapping of soil properties using multiple machine learning in a semi-arid region,

1560

central Iran.

Geoderma

,

338

, 445–452.

1561

Zhu, M., Feng, Q., Zhang, M., Liu, W., Deo, R. C., Zhang, C., & Yang, L. (2019).

1562

Soil organic carbon in semiarid alpine regions: the spatial distribution, stock esti-

1563

mation, and environmental controls.

Journal of Soils and Sediments

,

19

, 1–15.

1564

54


Document Outline