Modelování eroze půdy s využitím dat podrobného monitoringu

Abstract

Vodní eroze půdy je v současné době stále aktuální problém, který negativním způsobem ohrožuje jak zemědělské pozemky a jejich produkční schopnost, tak i široké okolí od vodních zdrojů až po intravilán. V dnešní době existuje mnoho způsobů určení erozní ohroženosti, přímého měření a monitoringu ztráty půdy, avšak stále je zde velký potenciál pro jejich ověřování, zpřesňování či vyvíjení metod nových. Tato studie se zabývá problematikou sběru erozních dat pomocí přímých a nepřímých metod s cílem ověření jejich vzájemné korelace a odvozením jednoduchého vztahu pro rychlý odhad množství eroze půdy na základě vytvořených rozdílových digitálních modelů terénu. Pro tyto účely byly v rámci disertační práce provedeny různé typy experimentů, které testovaly a ověřovaly tyto metody v několika měřítcích experimentálních ploch od malých (< 1 m2) po středně velké (< 10 m2). Tyto experimenty byly založeny na sledování erozních procesů s využitím přirozených i umělých srážek a při kombinaci přímého a nepřímého měření erozních jevů a procesů. Z hlediska přirozených srážek se jednalo o venkovní experimenty pod širým nebem při zkoumání kapkové eroze půdy. V případě využití umělých srážek se jednalo o dva různé dešťové simulátory při testování kapkové eroze a zároveň i při standardních erozních experimentech doprovázených povrchovým odtokem. Přímé metody monitoringu eroze zahrnovaly měření erozního procesu za pomoci odběru vzorků povrchového odtoku či přímo půdních částic u kapkové eroze, s následnou laboratorní analýzou množství erodovaných půdních částic. Tyto hodnoty byly považovány za referenční hodnoty. Nepřímé metody se zaměřily na využití fotogrammetrické metody „Structure from Motion – Multi-View Stereo“ (SfM-MVS), pomocí níž byly analyzovány následně vzniklé projevy zkoumaných erozních procesů pomocí digitálních modelů terénu a vytvořených rozdílových modelů. Zpracování dat zahrnovalo využití částečně automatizovaného procesu pomocí hromadných příkazů v prostředí Agisoft Metashape a pomocí výpočtového skriptu v prostředí ArcGIS. Oba tyto přístupy byly porovnávány a byl zkoumán jejich vzájemný vztah. Na základě získaných a analyzovaných dat byly odvozeny lineární regresní rovnice pro odhad množství eroze na základě výškového rozdílu digitálních modelů terénu s výsledným koeficientem determinace (p < 0,05) v rozmezí od 0,63 do 0,72 v závislosti na testované půdě a lokalitě. V případě experimentu zkoumající kapkovou erozi bylo možné díky velkému počtu provedených experimentů na třech různých půdních vzorcích analyzovat i vliv odlišného zrnitostního složení.

Water erosion of soil is a current problem, which negatively threatens both agricultural land and its productive capacity, as well as the wider environment from water sources to urban areas. Today, there are many ways to identify erosion risk, directly measure and monitor soil loss, but there is still great potential for verifying, refining or developing new methods. This study deals with the issue of erosion data collection using direct and indirect methods in order to verify their mutual correlation and derive a simple relationship for rapid estimation of soil erosion based on the created differential digital elevation models. For this purpose, various types of experiments were performed within the dissertation, which tested and verified these methods in several scales of experimental plots from small (< 1 m2) to medium-sized scales (< 10 m2). These experiments were based on the monitoring of erosion processes using natural and artificial precipitation and a combination of direct and indirect measurements of erosion phenomena. In terms of natural precipitation, these were outdoor experiments in the open air to study droplet erosion of the soil. In the case of the use of artificial precipitation, there were used two different rainfall simulators in the testing of droplet erosion and at the same time in standard erosion experiments accompanied by surface runoff. Direct methods of erosion monitoring included measurement of the erosion process by sampling surface runoff or directly soil particles in droplet erosion, followed by laboratory analysis of the amount of dried soil particles. These values were taken as reference values. Indirect methods included the use of the contactless remote sensing method, namely the terrestrial photogrammetric method "Structure from Motion - Multi-View Stereo" (SfM-MVS), which was used to analyze the subsequent manifestations of the investigated erosion processes using digital elevation models and subsequent digital elevation models of difference. Data processing included the use of a partially automated process using batch commands in the Agisoft Metashape and a computational script in the ArcGIS. Both of these methods were compared and their relationship was examined. Based on the obtained and analyzed data, linear regression equations were derived to estimate the amount of erosion based on the height difference of digital elevation models with the resulting coefficient of determinace (p < 0,05) ranging from 0,63 to 0,72 depending on the tested soil and locality. In the case of an experiment investigating splash erosion, it was possible to analyze the effect of different grain size distribution due to the large number of experiments performed on three different soil samples.