Detekce zvýšeného erozního poškození za využití neuronových sítí na kombinaci obrazových dat DPZ a erozně hydrologického modelování


Hlavní řešitel projektu:	Ing. Adam Tejkl
Hlavní řešitel za katedru:	Ing. Adam Tejkl,
Spolupracující organizace:	Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy v. v. i. (Ing. Jiří Kapička) ATLAS spol. s r.o. (Ing. Petr Křížek)
Začátek řešení:	2024-01-01
Konec řešení:	2026-12-31
Cíl projektu:	Cílem projektu je vytvoření softwarového nástroje pro detekci a predikci výskytu vyšší (rýhové) formy vodní eroze na zemědělsky obhospodařovaných pozemcích. Inovačním potenciálem navrhovaného nástroje je užití neuronových sítí za účelem detekce projevů této formy eroze na datech dálkového průzkumu Země kombinovaných s výstupy hydrologicko-erozních fyzikálních modelů využívaných pro posuzování dopadů erozních událostí. Standardní stupy pro semantickou segmentaci obrazových dat neuronovými sítěmi tak budou obohaceny o morfologické parametry a o hydrologicko erozní odezvu příčinné události. Takto vytvořený nástroj umožní přesnější vymezení ploch zvýšeného erozního rizika z pohledu formování chytrého zemědělství a predikoce změn klimatu, a jeho aplikace bude ověřena na případové studii.

Projekt za katedru řeší:

Další řešitelé:

Ing. Barbora Jáchymová Ph.D.
Ing. Markéta Vláčilová Ph.D.

Katedra Geomatiky

Ing. Ondřej Pešek

Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy v. v. i.

Ing. Jiří Kapička
Mgr. Václav Vít

ATLAS spol. s r.o.

Ing. Petr Křížek
Ing. Jakub Šimek

Metodika projektu

V projektu bude využita kombinace několika přístupů k hodnocení a detekci různých forem eroze.

a) Z hlediska analýzy obrazových dat bude základním krokem tvorba trénovacího datasetu. V tomto kroku se předpokládají tři typy datasetů. Satelitní scény s prostorovým rozlišením několika desítek metrů pro určení základní masky, letecké ortofoto snímky s prostorovým rozlišením desítek cm a dataset snímků UAV s prostorovým rozlišením jednotek cm pro identifikaci rýh a morfologických vlastnosti pro jejich zpřesnění. Jedním z úkolů bude doplňování dat do těchto datasetů zautomatizovat, aby byla trénovací i testovací data vytvářená strojově z nově sebraných dat. Zároveň s tvorbou trénovacího datasetu bude vznikat i kódová báze založená na neuronových sítích. Kódová základna bude sestávat z architektur několika neuronových sítí připravených k použití na různých vstupních datech.

b) V rámci projektu bude na zájmových lokalitách provedeno místní ověření validity fyzikálního modelu. Výsledky těchto ověřovacích analýz budou konfrontovány s trénovaným modelem neuronových sítí. Na základě takto vzniklých srovnávacích dat budou upraveny vnitřní parametry modelu 2D tak, aby jeho výsledky lépe odpovídaly reálným erozním projevům.

c) Kombinací výstupů z hydrologicko erozního modelu a morfologických charakteristik bude rozšířen dataset snímků DPZ. Bude provedeno nové trénování neuronové sítě se zřetelem kladeným na vliv erozního modelu na výsledky neuronové sítě.

d) Validace a ověření funkčnosti modelu s reálnými událostmi vzniklými v době řešení, které budou součástí rozšiřující se datové základny evidovaných erozních událostí. Detekce bude prováděna v návaznosti na erozní události evidované v Monitoringu eroze zemědělské půdy provozovaným SPÚ (primární uživatel) včetně využití Modelu eroze a jeho pravidelných výstupů. Tyto výstupy budou využity jako iniciace k výjezdu do terénu tak, aby byly erozní události evidovány a zmapovány v co nejkratším termínu po jejich vzniku

Výsledky projektu

Cílová skupina uživatelů vzniklého SW je z řad projektantů vodohospodářských úprav v krajině, sloužících ke zmírnění dopadů změny klimatu, ochrany vodních zdrojů, protierozních opatření a pozemkových úprav. Současné metody založené na empirických metodách nedostatečně reflektují nové poznatky o variabilitě návrhových dešťů. S výhledem do budoucna, kdy je trend navrhovat úpravy v krajině na budoucí scénáře vývoje klimatu, je celospolečensky relevantní začít využívat fyzikálně založené modely. Lokalizace a verifikace modelu pro české podmínky umožní jeho snadné využití na datové základně pro ČR.

Mimo projekční praxi je předpokládaným hlavním uživatelem výsledků Stání pozemkový úřad, který zájem o výsledek deklaroval téké formou LoI (příloha návrhu projektu) pro potřeby zpřesnění Monitoringu eroze a detekci výskytu zvýšené (rýhové) formy eroze. Možnými dalšími uživateli jsou veřejné instituce jako Ministerstvo životního prostředí nebo Ministerstvo zemědělství. V neposlední řadě je možné využívat modelu jako ukázkového prostředí pro výukové účely. Synergickým efektem projektu bude přenos praktických dovedností a osvědčených postupů mezi spolupracujícími partnery. Pro odbornou veřejnost pak snadnější přístup k novým technologiím formou otevřeného přístupu k výsledkům projektu.