Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Разрабатывалась методика оценки эрозионного потенциала осадков (фактор R) для территории Европейской части России с использованием статистической системы байесовского моделирования INLA. Полученные научные результаты: - Построены биномиальные модели вероятности факта выпадения осадков на метеостанциях (в зависимости от дня в году и срока наблюдения). - Построена вероятностная модель распределения «минутной» интенсивности дождевых осадков, учитывающая зависимость от суммы осадков, местоположения, даты выпадения осадков. - С использованием стохастических симуляций получена оценка эрозионного потенциала осадков (фактора R) в окрестностях 189 метеостанций Европейской части России, обеспеченных данными срочных наблюдений за осадками; оценка представлена как в виде среднемноголетнего значения фактора R на метеостанции, так и в виде статистического распределения R. Разрабатывалась методика оценки фактора растительности (фактор C) для территории Европейской части России на основе анализа временных рядов вегетационных индексов, полученных по ДДЗЗ MODIS. Полученные научные результаты: - Разработан и реализован алгоритм построения обучающих выборок по данным с территорий-аналогов с целью последующего анализа и построения непараметрических моделей для оценки фактора C по временным рядам вегетационных индексов для исследуемой территории. - Построены непараметрические модели (первые версии), оценивающие фактор C (растительности, агрофона) в зависимости от сезонной динамики вегетационных индексов для незалесенных территорий. - Получены оценки фактора С за несколько стадий вегетационных периодов 2015-2017 гг. для тестовой территории (Республика Татарстан) на основе анализа данных дистанционного зондирования Земли из космоса. - Получена оценка пространственного распределения фактора K (эродируемость, смываемость почвы) для территории Европейской части России. Результат представлен на векторном и на растровом слоях в составе ГИС проекта. Создано картографическое отображение распределения фактора K для территории исследования. Карты построены для двух систем единиц измерения фактора (в СИ и в принятой в отечественных исследованиях) для возможности сопоставления как с картами оценки фактора K на смежных территориях по результатам зарубежных работ, так и с результатами отечественных региональных. - Получена оценка пространственного распределения фактора рельефа (LS) для территории исследования на основе ЦМР GMTED2010 (версия «Mean»). Результат представлен в виде растрового слоя. Построены электронные карты, отображающие распределение фактора LS для исследуемой территории с использованием разных легенд. - Создана электронная карта допустимых потерь почвы от эрозии для территории Европейской части России. - Впервые получен векторный слой тальвегов современных оврагов и база геоданных для территории Республики Татарстан. Общая протяженность овражной сети (по модели) составила 676 км. Преобладающее большинство оврагов – склоновые (90%). На долю береговых оврагов приходится 7%, донных – 3%. Часть оврагов (склоновых и донных) имеют техногенное происхождение, на территории исследования на их долю приходится всего 0.3%. - Впервые составлены электронные тематические карты густоты и плотности современной овражной сети в бассейнах малых рек РТ. Значение густоты оврагов в бассейнах в среднем составляет 0.01 км/кв.км, и колеблется от 0 и до 0.4 км/кв.км. Наиболее оврагопораженными территориями являются Предволжье и Предкамье. Слабое овражное расчленение характерно для Закамья РТ. Изменение плотности оврагов по территории исследования в основном совпадает с распределением густоты, составляя в среднем 0.2 ед/кв.км. - Получена оценка динамики овражной сети в бассейнах малых рек РТ за период 1960-2017 гг. и построена соответствующая электронная тематическая карта. Сравнение карт густоты овражного расчленения за этот временной период свидетельствует о значительном сокращении овражной сети. Происходит заметное затухание оврагообразования. Причин, обуславливающих это, на наш взгляд, несколько: гидроклиматические изменения (повышение зимних температур, уменьшение глубины промерзания почвы, уменьшение поверхностного стока весной); сокращение площади пахотных земель, особенно на крутосклонных участках водосборов, происходившее с середины 1990-х годов; эволюция оврагов, т.е. завершение большинством овражных форм активной стадии своего развития и переходом в балочную стадию. В настоящее время тренд развития оврагов на территории Республики Татарстан - нисходящий. - С использованием пилотной версии разрабатываемой методики оценки изменений землепользования по ДДЗЗ, оценена динамика землепользования на тестовом участке территории востока Русской равнины (Пестречинский район РТ) за период 1985-2018 гг. Выявлено сокращение пахотных земель за счет перехода пахотных угодий в категорию естественных сенокосов и пастбищ, зарастания кустарниками и лесом. Произошло увеличение площади лесных массивов за счет земель сенокосов/пастбищ и восстановления леса на вырубках. Результаты первого года исследований, а также разрабатываемые методические подходы отражены в 9-ти публикациях, из них 5 статей в рецензируемых изданиях, индексируемых в Web of Science Core Collection и/или Scopus, одно из которых входит в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition. Результаты проекта представлены научному сообществу на 3-х научных российских и международных конференциях. В общей сложности было сделано 5 устных и 2 стендовых доклада.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработана методика оценки эрозионного потенциала дождевых осадков (R-фактора) для Европейской территории России с использованием статистической системы байесовского моделирования INLA на основе анализа данных многолетних наблюдений за осадками на метеостанциях Росгидромета. В рамках разработки методики: • Разработаны и реализованы методы оценки пространственных трендов R-фактора на заданный временной интервал (месяц, год) и его оперативных полей за заданный диапазон лет на основе срочных данных об осадках на метеостанциях ЕТР и построенных статистических моделей средствами статистической системы Байесовского моделирования INLA. • Для ЕТР получены современные (по данным 2014-2019 гг.) оценки пространственного распределения R-фактора дождевой эрозии с учетом сезонных изменений (помесячные и годовые оценки R-фактора для 2014-2019 гг.; среднемноголетние помесячные оценки R-фактора, среднемноголетняя годовая оценка R-фактора). Результаты представлены на растровых слоях в составе ГИС проекта. Построены картографические отображения распределения R-фактора для ЕТР. Разработана методика оценки фактора растительности (C-фактора) на основе анализа ДДЗЗ для территории Европейской России. В рамках разработки методики: • Обучен и применен LSTM алгоритм распознавания с/х культур (или групп культур) на пахотных землях ЕТР для 2014-2019 гг. Алгоритм обрабатывает и анализирует наборы получаемых по ДДЗЗ растров NDVI, EVI за вегетационный сезон каждого года, обеспечивая приемлемое качество распознавания. • Разработана и реализована модель оценки С-фактора в i-й месяц j-го года в пикселях пахотных земель на основе растра распознанных c/х культур и получаемых по ДДЗЗ растров фенологических метрик VNP22Q2, а также растров биофизического параметра растительности Fcover. Реализована модель оценки С-фактора в i-й месяц j-го года в пикселях непахотных земель на основе получаемого по ДДЗЗ биофизического параметра Fcover. • Для ЕТР получены современные (по данным 2014-2019 гг.) оценки пространственного распределения С-фактора при дождевой эрозии (помесячные и годовые оценки C-фактора для 2014-2019 гг.; среднемноголетние помесячные оценки С-фактора, среднемноголетняя годовая оценка С-фактора) с высокой пространственной детальностью (250 м). Результаты представлены на растровых слоях в составе ГИС проекта. Созданы картографические отображения распределения С-фактора для ЕТР. Отработана методика учета аккумулятивных процессов на склонах бассейнов рек при расчетах пространственных моделей потенциальных потерь почвы от водной эрозии. Получены пилотные пространственные модели эрозии-аккумуляции на тестовых водосборах в пределах ЕТР с оценкой точности предложенной методики. Впервые для территорий Чувашии и Ульяновской области получены векторные слои современной овражной сети, отображенной тальвегами оврагов. Впервые составлены электронные тематические карты густоты и плотности современной овражной сети в бассейнах малых рек Чувашии и Ульяновской области. Выполнена оценка динамики овражной сети в бассейнах малых рек Чувашии и Ульяновской области за период с 1960-1970-х гг. по 2020 гг., которая свидетельствует о значительном сокращении густоты овражной сети. По результатам автоматизированной интерпретации ДДЗЗ Landsat оценена динамика структуры землепользования за 1985-2019 гг. на заданной территории востока Русской равнины, рассчитаны площади и доли различных типов землепользования за три периода (1985-1992 гг., 1999-2003 гг. и 2013-2019 гг.). Анализ показал отсутствие значимой корреляционной зависимости между изменением за 30 лет густоты оврагов в бассейнах малых рек и изменениями распаханности, залесенности и залуженности бассейнов за этот же период. Разработан и реализован алгоритм построения обучающих выборок по ДДЗЗ сверхвысокого разрешения для обучения сверточной нейронной сети. Значительно усовершенствован алгоритм автоматизированного поиска и идентификации овражных форм. Получены оценки точности распознавания контуров оврагов на тестовой территории Республики Татарстан и сопоставление с результатами оценки модели предыдущей реализации. Результаты этого года исследований, а также разрабатываемые методические подходы отражены в 10-ти публикациях, из них 6 статей в рецензируемых изданиях, индексируемых в Web of Science Core Collection и/или Scopus, два из которых входят в Q1, два – в Q2 (по импакт-фактору JCR Science Edition). По результатам исследований сделано 5 докладов на 4-х конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
- Впервые выполнена оценка изменения эрозионного потенциала дождевых осадков (R-фактора) на Европейской территории России за последние ~50 лет (с 1966 г. по 2019 г.). В рамках оценки и анализа изменений эрозионного потенциала дождевых осадков: • На 189-ти метеостанциях ЕТР со срочными данными об осадках получены помесячные и годовые модельные оценки R-фактора за года наблюдений с 1966 г. по 2019 г., позволяющие анализировать межгодовую и сезонную динамику эрозионного потенциала дождевых осадков. Выполнены обобщения (среднемноголетние значения R-фактора и их относительное изменение, в %) для двух временных периодов: за 1966 1990 гг. и за 1991-2019 гг. • Разработан и применен метод моделирования пространственного распределения среднемноголетнего R-фактора на ЕТР за два периода, позволяющий анализировать динамику R-фактора с учетом двух ее составляющих - изменчивости суммы жидких осадков и изменения их энергетических характеристик. Получены оценки пространственного распределения среднемноголетнего годового R-фактора на ЕТР для двух периодов (1966-1990 гг. и 1991-2019 гг.) с построением соответствующих карт. • Построены карты, отражающие величину и направленность произошедших изменений, их статистическую значимость. Анализ изменчивости эрозионного потенциала осадков во времени и пространстве выявил статистически значимое увеличение годового R-фактора за период 1966–2019 гг. в трех природно-климатических зонах ЕТР: тундра, лесная зона, лесостепь. Анализ вклада сезонной составляющей в тренд годового R-фактора показал, что относительно наибольшим увеличением ЭП0 характеризуются майские осадки. • По результатам полученных модельных оценок эрозионности дождевых осадков показано, что глобальные изменения в климатической системе на территории исследования, приводящие к временному тренду годового ЭПО за последние 50 лет, отражаются не столько в изменении количества выпадающих дождевых осадков, сколько в изменении общей энергии, свойственной этим дождям. - Разработана и реализована методика оценки эрозионных потерь почвы для ЕТР с использованием современных оценок пространственных распределений ЭПО и фактора растительности. • Методика использует в качестве операционно-территориальных единиц анализа ячейки (250×250 м) растровой сетки, покрывающей ЕТР, в качестве метода оценки интенсивности смыва почвы за период ливневого стока применяется модель, даваемая универсальным уравнением потерь почвы (USLE/RUSLE), а для оценки интенсивности потерь почвы от стока талых вод - методика НИЛЭПиРП МГУ (ГГИ). Разработанная методика определяет набор исходных данных, необходимых для оценок факторов почвенной эрозии от стока дождевых и талых вод, порядок, методы и процедуры проведения расчетов для оценки факторов и итоговых показателей смыва, интерпретации получаемых результатов, построения карт для отображения результатов. Методика реализуется средствами авторского программного обеспечения, созданного с использованием языков R и Python. • Основными научными результатами, содержащимися в методике, являются разработанные методы и результаты оценки (помесячные, годовые, среднемноголетние) пространственного распределения R-фактора (на основе срочных данных об осадках на метеостанциях ЕТР и построенных статистических моделей) и С-фактора (на основе обработки и анализа получаемых по ДДЗЗ растров вегетационных индексов NDVI, EVI, фенологических метрик VNP22Q2, биофизического параметра растительности Fcover). • Научным результатом являются полученные современные (по данным 2014-2019 гг.) оценки пространственного распределения на ЕТР интенсивности ливневого и тало-ливневого смыва почвы (т/га в год) с высокой пространственной детальностью (250 м), отражающие в масштабе исследования основные пространственные закономерности этих процессов. Впервые для ЕТР с использованием разработанной методики получена оценка эрозионных потерь почвы с учетом аккумулятивных процессов. • Результаты представлены на растровых слоях в составе ГИС проекта. Созданы соответствующие картографические отображения для ЕТР. - Впервые для Европейской территории России выполнена оценка эрозионных потерь почвы (в том числе с учетом аккумулятивных процессов) с обобщением на бассейны малых рек (53865 бассейнов) как по всей территории бассейна, так и отдельно для пахотных земель в пределах бассейна. - Создан комплект тематических электронных карт по эрозии почв в речных бассейнах ЕТР: 1. Карта эрозионного потенциала дождевых осадков (R-фактор) в бассейнах 2. Карта эрозионного потенциала рельефа (LS-фактор) в бассейнах 3. Карта эрозионного потенциала рельефа (LS-фактор) на пахотных землях в бассейнах 4. Карта фактора растительности (С-фактор) в бассейнах 5. Карта фактора растительности (С-фактор) на пахотных землях в бассейнах 6. Карта эродируемости (смываемости) почв (K-фактор) в бассейнах 7. Карта эродируемости (смываемости) почв (K-фактор) на пахотных землях в бассейнах 8. Карта потенциально допустимых потерь почвы от эрозии в бассейнах 9. Карта интенсивности ливневого смыва почвы в бассейнах 10. Карта интенсивности ливневого смыва почвы с пахотных земель в бассейнах 11. Карта интенсивности талого смыва почвы в бассейнах 12. Карта интенсивности талого смыва почвы с пахотных земель в бассейнах 13. Карта интенсивности тало-ливневого смыва почвы в бассейнах 14. Карта интенсивности тало-ливневого смыва почвы с пахотных земель в бассейнах 15. Карта оценки эрозионного риска для почвенного покрова в речных бассейнах 16. Карта интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов в бассейнах 17. Карта антропогенной нагрузки на речные бассейны с учетом эрозионных потерь почвы - Hа геопортале «Речные бассейны Европейской части России» (http://bassepr.kpfu.ru) опубликована новая геоинформация, полученная по результатам проведенных исследований. Базовый слой «Бассейны» (53865 объектов информацией о природно-антропогенных характеристиках бассейнов) дополнен показателями эрозии почв и факторов водной эрозии в бассейнах. На геопортале размещены новые тематические карты (кэшированные растровые слои) по эрозии почв в бассейнах, обновлены карта антропогенной нагрузки на бассейновые геосистемы (с учетом эрозионных потерь почвы) и 9 климатических карт (по современным данным о температуре воздуха и осадках). К геопорталу предоставлен публичный (открытый) доступ. Основные геоданные доступны для скачивания и использования под лицензией, непротиворечащей CC-BY (Creative Commons) и ODC-BY (Open KnowledgeFoundation). - Впервые за историю тематического картографирования овражной сети в России получен векторный слой тальвегов современных оврагов для территории Саратовской области. Идентифицировано 17628 овражных форм, суммарная протяженность овражной сети на территории области - 1570 км. В морфолого-генетических типах преобладают склоновые овраги (88%), на береговые приходится 9%, на донные - 3%. - Составлены электронные тематические карты густоты и плотности современной овражной сети в бассейнах малых рек Саратовской области. - Проведено районирование современной овражной эрозии востока Русской равнины в регионе Среднего Поволжья (Татарстан, Чувашия, Ульяновская и Саратовская области) по показателю густоты расчленения в речных бассейнах. - Впервые для крупного региона России (Ульяновская обл., Чувашия и Татарстан) оценена пространственно-временная динамика густоты овражного расчленения за последние 50-60 лет с построением соответствующей тематической карты. Карта динамики наглядно демонстрирует основную закономерность в пространственном развитии оврагов – значительное редуцирование овражной сети за последние полвека. - Разработаны математико-статистические модели современной овражной эрозии на востоке Русской равнины - территория Республики Татарстан, Чувашии и Ульяновской области (общая площадь около 123000 кв.км): • На основе уникальных результатов визуального дешифрирования оврагов по спутниковым снимкам сверхвысокого разрешения изучены статистические зависимости овражной эрозии от природно-антропогенных условий территории (характеристик рельефа, литогенной основы, гидроклиматических параметров, структуры землепользования). • Научным результатом стали статистические модели этих зависимостей, построенные для двух типов единиц территориального анализа (бассейнов малых рек и пикселей) с использованием методов обобщенных аддитивных моделей и нейронных сетей. Результаты валидации, основанные на ROC-анализе, свидетельствуют о хорошей точности моделей. Точность правильного прогноза отсутствия/присутствия оврагов в пределах ОТЕ (бассейнов или ячеек) достигает 76% для бассейнов и 79% для ячеек растра. • Построенные на основе моделей карты вероятностей оврагов отображают предрасположенность природно-антропогенных условий территории к образованию овражной эрозии в масштабе исследований. - В Федеральной службе по интеллектуальной собственности получено свидетельство о государственной регистрации базы данных (№2021621211 от 04.06.2021) «Геоинформационная база данных современного овражного расчленения на востоке Русской равнины». В базе представлены данные о густоте и плотности овражной сети в 2844 речных бассейнах. - Впервые в РФ разработана методика автоматизированного распознавания овражной сети по ДДЗЗ высокого и сверхвысокого разрешения (на примере территории Республики Татарстан) на основе использования сверточных нейронных сетей. Разработана и реализована процедура подбора обучающего и верификационного наборов данных, комбинаций снимок-маска, эффективного размера пакета обучения на итерацию. Оценены погрешности распознавания оврагов на независимом наборе данных – точность распознавания составила 98.3%. Можно отметить общий высокий уровень автоматизированного дешифрирования, отсутствие артефактных выделений на лесополосах и грунтовых дорогах, а также высокую скорость распознавания. Результаты отчетного года исследований, а также разработанные методические подходы отражены в 10-ти публикациях, из них 8 статей в рецензируемых изданиях, индексируемых в Web of Science Core Collection и/или Scopus, из которых 3 издания входят в Q1 (по импакт-фактору JCR Science Edition). По результатам исследований сделано 5 докладов на 2-х конференциях (международной и российской).