Souhrn

Článek představuje dvě rozdílné metody měření rýhové eroze, která patří k častým důsledkům extrémních srážkových úhrnů. Na vybrané lokalitě, postižené výraznou rýhovou erozí, byly pomocí volumetrické kvantifikace a blízké fotogrammetrie zdokumentovány projevy eroze způsobené přívalovými srážkami. Volumetrická kvantifikace je metodou přímého měření terénu. Pomocí speciálního zařízení – erodoměru – jsou ve vybraných místech zaměřeny příčné profily průběhu terénu, na základě kterých je pak vypočítána celková hodnota rýhové eroze. Metody blízké fotogrammetrie jsou založeny na snímkování zájmové lokality pomocí bezpilotního letadla. Pořízené fotografie následně slouží k vytvoření digitálního modelu terénu (DMT), jeho analýzou je poté zjištěn objem erodovaného materiálu. Srovnání těchto postupů pak proběhlo s využitím příčných řezů terénem vyneseným fotogrammetrií v místech fyzického měření erodoměrem.

Úvod

Rýhová eroze patří v našich podmínkách k rozšířenému typu poškození půdy. Tento typ vodní výmolové eroze ohrožuje zejména svažité zemědělské pozemky. Míra ohrožení stoupá, pokud je povrch půdy bez vegetačního pokryvu, případně s výsadbou širokořádkových plodin (kukuřice, řepa, brambory apod.). Spouštěčem rýhové eroze bývá nejčastěji přívalový déšť. Srážky nejprve odtékají po povrchu, následně se soustřeďují do jednotlivých rýh a celá situace může vyústit v soustředěný odtok vody. Při tomto jevu dochází k odnosu nejúrodnější části půdy a poškození daného zemědělského pozemku, případně i odnosu sadby.

Kvantifikace odnesené půdy slouží ke stanovení přímých škod způsobených na pozemku, kdy vlivem eroze dochází k odstraňování úrodné orniční vrstvy a tím ke snižování produkční schopnosti půdy. Zhoršují se její fyzikální, biologické ale i chemické vlastnosti půdy [1].

Měření eroze půdy je možné provádět pomocí volumetrické kvantifikace s využitím tzv. erodoměru – přístroje pro záznam průběhu povrchu půdy ve vybraném profilu. Toto zařízení bylo nejprve využito pro stanovení ztráty půdy, ke které došlo při těžbě dřeva [2]. Dále byl erodoměr používán v různých modifikacích. Například v hornatých oblastech Blaney a Warrington [3] pracovali s erodoměrem, který zaměřoval pouze deset bodů pro jeden příčný profil. V České republice začal erodoměr pro stanovení objemu odnesené půdy využívat tým v Ústavu vodního hospodářství krajiny Fakulty stavební VUT v Brně pod vedením profesora Dumbrovského [4, 5], kde stále probíhá vývoj přístroje i postupů zaznamenávání a vyhodnocení erozních odnosů půdy při rýhové erozi.

Obr. 1. Snímkování erozní rýhy pomocí bezpilotního letadla
Fig. 1. Photographing of the erosion rill with unmanned aircraft

Nepřímou metodu stanovení objemu eroze představují bezpilotní letecké prostředky (UAV), které mohou být používány k dálkovému průzkumu Země (DPZ) a umožňují sledování objektů a zemského povrchu bez přímého fyzického kontaktu [6]. UAV v dnešní době umožňují přesné, rychlé a relativně levné podklady pro vyhodnocení eroze na zemědělských plochách. Díky metodám fotogrammetrie a SfM (Structure from Motion) je možné zpracovat sadu neuspořádaných a různě se překrývajících snímků a rekonstruovat tak trojrozměrné modely, ze kterých lze následně měřit parametry erozních rýh (hloubka, šířka, délka) a stanovit objem odnesené půdy či vytvářet 3D modely současného i původního terénu. Metodami SfM se podrobně ve své práci zabývá například Westoby a kol. [7].

UAV byly pro monitoring časových změn půdního povrchu a intenzity eroze půdy využity např. v letech 2012 a 2013 Eltnerovou a kol. [8]. Další studie od Pierzchala [9] využila snímkování pomocí bezpilotních letadel ke sledování objemu přemístěné zeminy při těžbě dřeva. V České republice se pak na výzkum erozního poškození půd pomocí metod DPZ zaměřuje ve své práci Vláčilová a Krása [10]. V současnosti se pak optimalizací monitoringu eroze zemědělské půdy a postupy kvantifikace erodovaného materiálu s využitím bezpilotních letadel zabývá například Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství ČVUT v Praze ve spolupráci s Výzkumným ústavem meliorací a ochrany půdy, v. v. i., a Českým hydrometeorologickým ústavem v projektu s názvem Vývoj automatizovaného nástroje pro optimalizaci monitoringu eroze zemědělské půdy pomocí distančních metod.

Brněnské pracoviště Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka, v. v. i., provádí výzkum v oblasti možného stanovení míry odnosu erodovaného materiálu ze zemědělsky využívaných ploch pomocí metod digitální fotogrammetrie a volumetrické kvantifikace s následným porovnáním získaných výsledků. Tento příspěvek popisuje první výsledky záznamu rýhové eroze a jejího vyhodnocení pomocí výstupů dvou výše uvedených metod na vybrané pilotní lokalitě.

Materiály a metody hodnocení

Metody digitální fotogrammetrie

K měření rýhové eroze pomocí bezpilotního letadla se využívá metody blízké fotogrammetrie. Vlastní postup se skládá ze snímkování povrchu terénu, následného zpracování pořízených snímků a vytvoření podrobného digitálního modelu terénu, ze kterého se provede výpočet objemu odnesené půdy [11].

Snímkovaná zájmová oblast musí být před vlastním vzletem bezpilotního letadla (obr. 1) vyznačena vlícovacími body (obr. 2), které je nezbytné přesně polohově zaměřit pomocí geodetických přístrojů. Naměřené souřadnice vlícovacích bodů a jejich nadmořské výšky slouží k případné korekci nepřesností vlastních snímků a ke georeferencování vytvářeného modelu terénu. U pořízených snímků terénu je nezbytný překryv z 60–80 %. Jen tak je zabezpečeno bezproblémové spojení získaných fotografií, které usnadní další dílčí zpracování dat a zvýší přesnost konečného výsledku.

Po práci v terénu následuje již vlastní zpracování snímků metodou SfM pomocí specializovaného softwaru (např. Agisoft PhotoScan Professional). Program je schopen identifikovat polohy, směry a náklony fotoaparátu umístěného na bezpilotním letadle [12]. Výstupem jsou data ve formátu ASCII nebo bodová vrstva s XYZ souřadnicemi, které je možné dále zpracovávat v prostředích GIS. Zde lze zvolit ideální velikost rozlišení modelu, který se pro samotné zpracování může stát zásadním. Samotný výpočet objemu erozních rýh je pak založen na stanovení objemu prostoru mezi teoretickým původním terénem a terénem po odnosu půdy, který byl zaměřen bezpilotním letadlem a následně vymodelován. Podobnými postupy a využitím UAV při kvantifikaci objemů erodovaného materiálu se věnuje ve své publikaci Glendell a kol. [13].

Metoda přímé volumetrické kvantifikace

Volumetrická kvantifikace rýhové eroze na ploše pozemku představuje metodu přímého měření průběhu terénu. Pro jeho zaznamenání je využíván erodoměr – zařízení umožňující zaměření příčného profilu průběhu terénu. Použitý typ měřicího zařízení byl vyvinut v Ústavu vodního hospodářství krajiny Fakulty stavební VUT v Brně [4]. Při kvantifikaci rýhové eroze se záznam průběhu terénu provádí ve čtvercovém rámu o rozměru 2 × 2 m (obr. 3), v němž je vyneseno pět profilů v celé šířce čtvercového pole v pravidelných vzdálenostech (cca 0,33 m). Čtvercový rám s erodoměrem je umísťován na erozí zasažený svah. Povrch půdy vyznačují jehlice v celé šířce erodoměru (1 m), jejichž horní části po spuštění na terén kopírují průběh povrchu půdy. Ten je zdokumentován pomocí fotoaparátu a převeden do digitální podoby ve formě grafu, který dále slouží ke stanovení objemu erozních rýh [5].

Vyhodnocení erozního odnosu na pilotní lokalitě Šardice

Katastr obce Šardice (okres Hodonín) byl v únoru 2017 postižen erozí z náhlého tání sněhu, kdy vznikly poměrně výrazné souběžné erozní rýhy. Lokalita se nacházela jižně od intravilánu obce nad Šardickým potokem s půdami o hlavní půdní jednotce (HPJ) 08, popsané jako černozemě modální a černozemě pelické, hnědozemě, luvizemě, popř. i kambizemě luvické, smyté. Následky eroze byly dokumentovány jak přímou metodou volumetrické kvantifikace (erodoměr), tak i s využitím blízké fotogrammetrie (UAV).

Obr. 2. Zájmová lokalita s vyznačenými vlícovacími body
Fig. 2. The location of interest with marked ground control points

Nejprve bylo metodou přímého měření zaznamenáno 25 příčných profilů erozních rýh – v pěti čtvercích (2 × 2 m) rozmístěných tak, aby zachytily výrazné projevy rýhové eroze. Vlícovacími body pro snímkování pomocí UAV byla jednak vymezena zájmová oblast, ale také i vrcholy jednotlivých měřících čtverců pro volumetrickou metodu (obr. 4). Na základě terénního průzkumu, velikosti snímaného území a požadované přesnosti výsledků byla pro pilotní lokalitu optimální výška letu stanovena na 10 m nad terénem. Z pořízených snímků byl vytvořen DMT povrchu půdy a v místech, kde probíhalo přímé měření pomocí erodoměru, byly vytvořeny příčné řezy DMT pro následné porovnání. V případě pilotní lokality byla velikost pixelu modelu DMT určena na velikost 1 cm, tato vzdálenost odpovídá rozlišení při metodě volumetrické kvantifikace.

Obr. 3. Záznam průběhu terénu pomocí erodoměru s využitím čtvercového pole
Fig. 3. Record the terrain course using the soil erosion bridge with the use of a square field

Výsledky a diskuse

Základním výstupem volumetrické metody je záznam jednotlivých příčných profilů erozních rýh (obr. 5). Pro srovnání obou metod bylo nezbytné vynést z fotogrammetrických výstupů shodné příčné profily (umístění, rozsah). Srovnání výstupů získaných oběma metodami ukazuje dobrou shodu v průběhu těchto linií (obr. 6). Z jednotlivých příčných profilů je zřejmé, že výsledky získané metodou blízké fotogrammetrie shlazují do určité míry tvar terénu, a to především v případě kolmých stěn erozních zářezů.

Obr. 4. Ortofoto snímek a DMT erozních rýh s vlícovacími body pro jeden ze čtverců měřených erodoměrem
Fig. 4. Ortofoto image and DMT erosion rill with ground control points for one of the squares measured by a soil erosion bridge

Dosavadní zkušenosti uváděné v literatuře předpokládaly, že odhad objemu erodovaného materiálu měřeného přímou metodou pomocí erodoměru bude až dvojnásobný ve srovnání s postupy blízké fotogrammetrie (bezpilotní letadlo) [10]. První srovnání výstupů z pilotní lokality v Šardicích tyto předpoklady nepotvrzují, průběh příčných profilů ve čtyřech z pěti měřených čtverců vykazují dobrou shodu. K vyneseným řezům byl pro prvotní stanovení odnosu ze čtverců při hodnocení volumetrické kvantifikace vynesen řez z digitálního modelu reliéfu ČR 5. generace [14]. Následný odnos ze čtverce byl stanoven rozdílem ploch v profilech přepočtených na plochu. Odhad objemu erodovaného materiálu při blízké fotogrammetrii byl stanoven přímo pro plochu každého čtverce, jako rozdíl dvou DMT. První výpočty odnosu uvádí tabulka 1. Z tabulky vyplývají u 4 z 5 čtverců minimální rozdíly při srovnání výsledků stanoveného odnosu půdy. Významnost shody obou metod bude následně stanovena obvyklými statistickými metodami a další kroky výzkumu povedou k hledání postupů ke zpřesnění vyčíslení objemu odneseného materiálu oběma metodami.

Obr. 5. Příčné profily erozních rýh získané pomocí erodoměru
Fig. 5. Cross profile of erosion rills obtained by using a soil erosion bridge

 

Obr. 6. Srovnání příčných profilů erozních rýh získaných pomocí volumetrické kvantifikace (erodoměr) a bezpilotního letadla (blízká fotogrammetrie)
Fig. 6. Comparison of transverse profiles of erosion rills obtained by volumetric quantification (soil erosion bridge) and unmanned aircraft (close-up photogrammetry)

První srovnání výstupů obou metodik tak ukazuje, že postupy založené na leteckém snímkování mohou být považovány za rovnocenné přímým metodám. Pro jejich širší uplatnění hovoří také, že poskytují spojitý obraz erozní rýhy v celém jejím průběhu. Je třeba mít na paměti shlazování kolmých stěn erozních zářezů při tvorbě digitálního modelu terénu z orotofoto snímků. Nicméně i metoda volumetrické kvantifikace má svá omezení, kdy může docházet ke zkreslení reálných hodnot při zaznamenávání průběhu terénu pomocí fotoaparátu a jeho následnou interpretaci. Navíc její pracnost a časová náročnost omezuje počet prováděných měření. Podrobné srovnání pozitiv a negativ obou metod je uvedeno v tabulce 2. Další práce v této oblasti budou zaměřeny na možnosti stanovení celkového objemu erodované půdy. Pro obě metody je třeba vyřešit stanovení základní roviny povrchu výchozího terénu před erozní událostí, a to jak její celkový průběh, tak také její vertikální umístění v získaných řezech terénu s projevem eroze.

Tabulka 1. Hodnoty průměrné ztráty půdy z profilů vynesených terénem v absolutních hodnotách v m3 pro jednotlivé čtverce
Table 1. Average soil loss values ​​from terrain profiles in absolute values ​​in m3

V současné době jsou za účelem stanovení průběhu původního terénu ověřovány možnosti využití digitálního modelu reliéfu ČR 5. generace [14], a to jak v jednotlivých příčných profilech, tak i na celkové ploše pozemku. Další možností, jak stanovit průběh původního povrchu terénu, je zaměření pozemku po zapravení erozních projevů zemědělskou technikou pomocí digitální fotogrammetrie.

Tabulka 2. Srovnání výhod a nevýhod jednotlivých stanovení
Table 2. Comparison of advantages and disadvantages of individual determinations

Závěr

Erozní procesy mají za následek odstraňování úrodné orniční vrstvy a tím i snižování produkční schopnosti půdy. Stanovení objemu odneseného materiálu představuje jednu z možností vyčíslení přímých škod způsobených na pozemku. Pro stanovení objemu odnesené půdy je možné využít jak přímou volumetrickou metodu pomocí erodoměru, tak také i metody blízké fotogrammetrie pomocí bezpilotního letadla (UAV).

Na pilotní lokalitě v katastrálním území obce Šardice (okres Hodonín) byly pomocí obou uvedených metod zaznamenány projevy eroze z tání sněhu v roce 2017. Hlavním cílem bylo posouzení přesnosti výstupů získaných metodou blízké fotogrammetrie ve srovnání s výstupy z měření erodoměrem. Srovnání prvních výsledků ukázalo, že metody blízké fotogrammetrie poskytují srovnatelné výstupy (průběh příčných profilů terénu) jako záznam erodoměrem. V dalších krocích budou hledány postupy pro zpřesnění stanovení objemu odneseného materiálu pomocí obou metod. Pokud by se prokázalo, že metody blízké fotogrammetrie poskytují dostatečně spolehlivé a přesné výsledky, umožnilo by to širší využití těchto postupů. Jedná se o efektivní, flexibilní, ekonomický i ekologický způsob sběru dat s vysokou přesností. Určitou nevýhodou bezpilotních letadel je v současné době slabá výdrž baterií a s tím spojený omezený dolet stroje a také značná závislost na vhodných povětrnostních podmínkách pro provoz UAV.

Kombinace metod blízké fotogrammetrie a volumetrické kvantifikace tak jak jsou prezentovány, může přispět k lepšímu poznání míry poškození zemědělské půdy erozními jevy. Bezkontaktní postupy navíc umožní získání spojité informace o následcích eroze na velkých plochách v relativně krátkém čase.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory projektu CZ.07.1.02/0.0/0.0/16_023/0000118 Voda pro Prahu řešeného v rámci operačního programu Praha – Pól růstu ČR.