Monitoring projevů vodní eroze na zemědělských půdách

Abstract

Disertační práce se zabývá využitím bezkontaktních metod pro dlouhodobý monitoring erozních projevů, a pro objemové hodnocení erozního poškození po aktuální erozní události. Cílem je zhodnotit, otestovat a navrhnout možné postupy tak, aby bylo dosaženo co nejpřesnějších výsledků a zároveň bylo možné postupy použít opakovaně a efektivně. Obsahem práce je zejména testování fotogrammetrické metody Structure from motion (SfM) pro monitoring, respektive modelování reálného erozního poškození pomocí softwaru Agisoft PhotoScan. Provedené experimenty zahrnují testování nastavení softwaru a jeho vlivu na přesnost výsledků, dále testování vlivu počtu použitých vlícovacích bodů, které jsou používány pro referencování výsledků, a v neposlední řadě testování vlivu výšky snímkování zkoumané lokality. Testování je prováděno jak na UAV datech, tak také pomocí dat z pozemního snímkování. Výsledky ukazují zejména na důležitost primárního vytyčení cíle využití získaných dat, respektive na definici potřebného výsledného rozlišení a přesnosti. Od těchto požadavků se potom odvíjí příprava celého experimentu a volba parametrů výpočtů. Další část práce je potom věnována popisu nově vyvinuté metody výpočtu objemu erozních rýh či jiných (nejen) erozních útvarů na podkladu podrobných 3D modelů, získaných pomocí výše uvedených metod. Pro výpočet byl vytvořen automatizovaný nástroj pro ArcGIS, který využívá ArcPy Python knihovnu, vstupními daty jsou model povrchu rýhy a polygon hrany rýhy. Pro výpočet není nutná znalost předchozího stavu původního povrchu před erozní událostí, který je pomocí nástroje při výpočtu rekonstruován. Pomocí metody je poměrně přesně možné určit objem jednotlivých útvarů za předpokladu, že povrch před erozní událostí byl bez větších nerovností či terénních změn. V neposlední řadě jsou v práci uvedeny případové studie kvantifikace erozního poškození na zemědělských pozemcích, za použití popisovaných a testovaných metod. Erozní poškození po extrémní události lze při určitém zjednodušení a za využití extrapolace kvantifikovat, respektive odhadnout pro poměrně rozsáhlá území. V práci je uveden podrobný metodický postup výpočtu včetně dalších doporučení a námětů vzniklých na základě provedených experimentů.

The thesis deals with using UAV and close range photogrammetry for long-term monitoring of soil erosion occurrences and for volumetric assessments of soil degradation right after the rainfall events. The aim of the work is to evaluate, test and propose potential approaches in order to achieve the most accurate results together with effectivity and possibility to reproduce the methods. The thesis mainly presents testing the Structure from motion (SfM) method for monitoring or modelling of real erosion damage using Agisoft PhotoScan software. Experiments included testing of software configuration and its impact on accuracy, the influence of the number of ground control points, and the effect of different flight altitudes. Experiments were performed using UAV data as well as terrestrial images. The results show, in particular, the importance of the primary definition of the utilization of acquired data, respectively the definition of required resolution and accuracy of resulted orthophotos or 3D models. These requirements directly influence the preparation of the experiments and calculation parameters. The second part of the thesis is dedicated to the description of a newly developed method of calculating the volume of erosion rills on the basis of detailed 3D models. The Python algorithm, implemented in ArcGIS software, provides automatic calculations of the rill volumes, based on rill edge polygons and 3D model of the target area. The main advantage of the method is, that there is no need for information about the surface prior to erosion, as the original surface is reconstructed by the tool. Using this method, it is possible to estimate the volume of in-depth erosion objects provided that the natural surface before the erosion event was nearly plane. In the last part, the case studies present the methodology of soil erosion damage assessment on entire agricultural fields, using described and tested methods. The volume of erosion occurrences after the extreme rainfall event can be quantified or estimated for relatively large areas, with some simplification and using extrapolation. The thesis offers a detailed description of rill erosion calculation method, including additional recommendations and suggestions resulting from the experiments.