КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-17-00064

НазваниеПриродно-антропогенная эрозия в бассейновых геосистемах Европейской части России

РуководительЕрмолаев Олег Петрович, Доктор географических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Года выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-702 - Геоморфология

Ключевые словаэрозия почвы, овражная эрозия, бассейновые геосистемы, геоинформатика, дистанционное зондирование Земли, статистическое моделирование

Код ГРНТИ39.03.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В пределах макрорегиона России – ее Европейской части проводятся фундаментальные и поисковые научные исследования по изучению закономерностей пространственного развития и количественной оценке современной природно-антропогенной эрозии (почвенной и овражной) в бассейновых геосистемах малых рек средствами современных информационных технологий. Проблема количественной оценки темпов почвенной и овражной эрозии является одной из ключевых в плане сохранения продуктивности земель и обеспечения населения продовольствием. Подзоны смешанных и широколиственных лесов, а также лесостепные и степные равнинные ландшафты Европейской части России (ЕЧР) – основная сельскохозяйственная житница России, где широко развиты плодородные почвы. Этот фактор во многом исторически обусловил высокую земледельческую освоенность региона. Бассейны многих малых рек распаханы более чем на 70-80%. Пашнями заняты все более или менее удобные участки. Длительное и интенсивное сельскохозяйственное воздействие привело к значительной по интенсивности и площадному охвату почвенной эрозии природно-антропогенного характера, когда смыв превышает допустимые потери почвы. Именно эрозия является одним из ведущих факторов современной деградации почвенного покрова. Кроме того, эрозионные процессы являются и основным механизмом латеральной миграции загрязняющих веществ со склонов в речные русла и водоёмы. Руководством страны поставлена задача по обеспечению населения собственной продукцией сельского хозяйства. Это предполагает интенсификацию землепользования на фоне и без того высокой распаханности в традиционных земледельческих регионах Европейской части России. Процессы почвенной и овражной эрозии на территории бывшего СССР довольно хорошо изучены. В то же время отсутствуют крупные обобщения о темпах развития данных процессов за постсоветский период, а также их оценка на фоне происходящих серьезных климатических изменений, наблюдающихся с начала восьмидесятых годов прошлого века. В последние годы географам стали доступны современные технологии сбора, обработки и анализа пространственных данных, включающие материалы дистанционного зондирования Земли из космоса, геоинформационные технологии, продвинутые методы математико-статистического анализа. Научная новизна запланированных исследований состоит в том, что впервые для столь большой территории с высоким уровнем пространственной детальности устанавливаются закономерности пространственного развития современной почвенной и овражной эрозии и дается их количественная оценка. Разрабатывается методика оценки эрозионных потерь почвы на основе получения новых современных оценок факторов эрозии: эрозионного потенциала осадков, почвозащитной роли растительности и с учетом эрозионно-аккумулятивного баланса на склонах. Новизна исследования состоит также в том, что решение поставленных задач будет опираться на самые современные методы исследований в области Наук о Земле: картографо-геоинформационный, математического моделирования, использования данных дистанционного зондирования Земли из космоса. Планируется получить для всей территории оценки эрозионных потерь почвы для разных временных периодов, отражающих глобальные изменения в климатической системе. Такого рода задачи в заявленном масштабе и по охвату территории ранее никем не решались. Кроме того, как поисковая исследовательская задача проекта, направленная на получение новых знаний, проводятся работы по сплошному крупномасштабному картографированию современной овражной сети на востоке Русской равнины (250000 кв.км) по ДДЗЗ высокого разрешения. Научная новизна ожидаемого результата заключается в том, что впервые для крупного региона России будет получен геоинформационный "слой" тальвегов современных оврагов, классифицированных по типам (склоновые, береговые, донные). Это позволит оценить плотность и густоту овражной сети в речных бассейнах. А привлечение информации из созданной на бассейновые геосистемы базы данных, позволит изучить математико-статистическими методами пространственно-временные закономерности развития овражной сети. В ходе исследования впервые для России будет разработана новая методика автоматизированного детектирования овражной сети по ДДЗЗ высокого разрешения с использованием алгоритмов компьютерного зрения. Предмет исследования: склоновая природно-антропогенная эрозия. Регион исследования: Европейская часть России. Масштаб исследований (уровень пространственной детальности): региональный (1:1000000) для оценки эрозии почв и детальный (1:10000) для овражной эрозии. Методология исследования: геосистемный подход (бассейновые геосистемы).

Ожидаемые результаты
Основной ожидаемый результат исследований – установленные закономерности пространственного развития и функционирования склоновой (почвенной и овражной) природно-антропогенной эрозии в бассейновых геосистемах Европейской части России. Научная значимость определяется ожидаемыми в процессе исследований результатами: - Количественная оценка эрозии почвы за различные периоды поверхностного стока (талый, ливневой) на склонах речных бассейнов Европейской части России, полученная на основе новых данных о факторах смыва почв. - Методика и результаты оценки эрозионного потенциала осадков (ЭПО) для территории ЕЧР с использованием статистической системы Байесовского моделирования INLA. Картографическое представление распределения ЭПО для территории ЕЧР. Разработка и реализация подходов к оценке изменения интенсивности осадков за разные временные интервалы (до и после 1980-х гг.), отражающего глобальные изменения в климатической системе на территории исследования. - Методика и результаты оценки фактора растительности в эрозии почв для территории ЕЧР на основе анализа временных рядов вегетационных индексов, полученных по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. Картографическое представление распределения фактора растительности для территории ЕЧР. - Методика и результаты расчета для территории ЕЧР эрозионных потерь почвы с учетом аккумулятивных процессов. - Результаты крупномасштабного картографирования современной овражной сети по ДДЗЗ на территорию востока Русской равнины. Оценка динамики густоты овражной сети за последние 50 лет. Закономерности пространственного развития и функционирования овражной сети. - Методика автоматизированного детектирования овражной сети по ДДЗЗ сверхвысокого разрешения для региона востока Русской равнины. - Методика и результаты оценки изменений землепользования (как фактора овражной эрозии) на территориях востока Русской равнины за последние 25 лет на основе автоматизированной интерпретации данных многолетних спутниковых наблюдений. - Оценка геоэкологического состояния бассейнов рек ЕЧР с учетом антропогенной нагрузки и полученных оценок эрозионных потерь почвы. - Карты оценки эрозионного риска для речных бассейнов ЕЧР. Общественная значимость определяется, на наш взгляд, представлением результатов исследований по проекту на нашем геопортале открытого доступа «Речные бассейны Европейской части России» (http://bassepr.kpfu.ru). Будет размещено не менее 10 новых тематических карт (оценка факторов эрозии почв, оценка потенциального смыва почвы со склонов речных бассейнов ЕЧР, овражное расчленение речных бассейнов востока Русской равнины и др.). Эти материалы могут быть использованы в образовательном процессе учителями географии на уроках краеведения и географии России, вузовскими преподавателями и студентами по большому спектру учебных курсов (картография, геоинформатика, страноведение и др.), а также для формирования информационной среды в сфере программы Правительства РФ «Цифровая экономика» (направление «Природопользование») и формирования национальной цифровой платформы «Большие данные». Практическое использование результатов проекта может быть реализовано в рамках правительственной программы пространственного развития страны. В частности, при разработке схем территориального развития крупных регионов, министерствами сельского хозяйства и природных ресурсов. В первую очередь в аспекте создания технологий, продуктов и услуг, отвечающих национальным интересам Российской Федерации, – сохранению почвы как ценнейшего ресурса, обеспечивающего продовольственную безопасность страны и повышение качества жизни населения. Важная сфера использования результатов исследования в социальной сфере – образовательная: формирование научных и научно-педагогических кадров современной России в области наук о Земле (гидрологии, географии, геоморфологии, геоэкологии, природопользовании и др.). На основе проведенных исследований будет разработан целый ряд специализированных учебных курсов для бакалавров и магистров по направлениям «Экология и природопользование», «География», «Гидрометеорология», «Картография и геоинформатика». На основе полученных результатов планируется подготовить диссертации на соискание ученой степени кандидата (1) и доктора (1) географических наук. Для Европейской части России, по своей площади сопоставимой с государствами Евросоюза, подобного рода исследования с единых методических позиций за новейшую историю России не проводились. Предлагаемый в проекте набор современных методов исследования, а также размеры территории, позволяют утверждать, что запланированные результаты соответствуют мировому уровню исследований, а по ряду позиций обеспечивают наш приоритет.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. - Ученые КФУ определят темпы и закономерности эрозии почв на территории Европейской части России. Новостной портал КФУ https://media.kpfu.ru/, - (год публикации - ).

2. Гафуров А., Шарифуллин А. Modern patterns of spatial distribution of the main soil parameters: case study of the Republic of Tatarstan, Russia Proceedings of the International Association of Hydrological Science, Vol.381. - P.25-29. (год публикации - 2019).

3. Гафуров А., Шарифуллин А., Медведева Р., Голосов В., Двинских А., Гусаров А., Эссуман-Куэйну Б. Contemporary gully erosion trend in the northern part of the forest-steppe zone of the Russian Plain: a case study from the Republic of Tatarstan, European Russia Proceedings of the International Association of Hydrological Science, Vol.381. - P.21-24. (год публикации - 2019).

4. Ермолаев О.П., Веденеева Е.А., Мухарамова C.С. Пространственные закономерности речного стока в бассейнах малых рек Европейской части России Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях: Материалы V Всеросс. научной конф. с междунар. (г. Москва, 3-6 сентября 2019 г.). – М.: ЛЕНАНД, С. 199-200. (год публикации - 2019).

5. Ермолаев О.П., Мальцев К.А., Мухарамова С.С. Геоинформационная система «Бассейны малых рек России» в решении задач по оценке интенсивности эрозии Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях: Материалы V Всеросс. научной конф. с междунар. (г. Москва, 3-6 сентября 2019 г.). – М.: ЛЕНАНД, С. 201-202. (год публикации - 2019).

6. Ермолаев О.П., Медведева Р.А. Развитие оврагов в разных физико-географических районах Республики Татарстан Проблемы региональной экологии и географии: Материалы междунар. научно-практ. конф. (г. Ижевск, 7-10 октября 2019 г.). - Ижевск: Издательский центр «Удмуртский университет», С.289-292 (год публикации - 2019).

7. Мальцев К.А., Ермолаев О.П. Оценка потенциальных потерь почвы на сельскохозяйственных землях Европейской части России Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях: Материалы V Всеросс. научной конф. с междунар. (г. Москва, 3-6 сентября 2019 г.). – М.: ЛЕНАНД, С. 294-296. (год публикации - 2019).

8. Мальцев К.А., Ермолаев О.П. Potential Soil Loss from Erosion on Arable Lands in the European Part of Russia Eurasian Soil Science, Vol.52, No.12, pp.1571-1580 (год публикации - 2019).

9. Медведева Р.А., Ермолаев О.П. Изменение густоты овражной сети на территории Республики Татарстан Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях: Материалы V Всеросс. научной конф. с междунар. (г. Москва, 3-6 сентября 2019 г.). – М.: ЛЕНАНД, С. 301-302. (год публикации - 2019).

10. Шиерхорн Ф., Кастнер Т., Кюеммерле Т., Мейфройдт П., Курганова И., Прищепов А., Ерб К.Х., Хоугтон Р.А, Мюллер Д. Large greenhouse gas savings due to changes in the post-Soviet food systems Environmental Research Letters, Volume 14, Issue 6, no.065009 (год публикации - 2019).


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.

 

Публикации

1. Гафуров А.М., Ермолаев О.П. Automatic Gully Detection: Neural Networks and Computer Vision Remote Sensing, Том 12, Выпуск 11, №1743, С.1-13 (год публикации - 2020).

2. Ермолаев О.П. , Мухарамова С.С. Цифровая география России в мозаике речных бассейнов: оценка антропогенной нагрузки Цифровая география : материалы Всерос. науч.-практ. конфе- ренции с междунар. участием (г. Пермь, 16–18 сентября 2020 г.) : в 2 т. Т. 1 : Цифровые и геоинформационные технологии в изучении природных процессов, Т. 1, С. 64-66 (год публикации - 2020).

3. Ермолаев О.П., Платончева Е.В., Эссуман-Куэйну Б. Spatial-Temporal Dynamics of the Ephemeral Gully Belt on the Plowed Slopes of River Basins in Natural and Anthropogenic Landscapes of the East of the Russian Plain Geosciences (Switzerland), Том 10, Выпуск 5, № 167, С.1-17 (год публикации - 2020).

4. Иванов М.А., Мухарамова С.С., Ермолаев О.П. Оценка антропогенной нагрузки на территорию Приволжского федерального округа с применением бассейнового подхода Цифровая география : материалы Всерос. науч.-практ. конференции с междунар. участием (г. Пермь, 16–18 сентября 2020 г.) : в 2 т. Т. 1 : Цифровые и геоинформационные технологии в изучении природных процессов, Т. 1, С. 73-76 (год публикации - 2020).

5. Иванов М.А., Мухарамова С.С., Ермолаев О.П., Эссуман-Куэйну Б. Mapping croplands with a long history of crop cultivation using time series of MODIS vegetation indices Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, - (год публикации - 2020).

6. Мальцев К.А., Ермолаев О.П. Assessment of soil loss by water erosion in small river basins in Russia Catena, Том 195, С.104726 (год публикации - 2020).

7. Мухарамова С.С., Иванов М.А., Ермолаев О.П. Assessment of Anthropogenic Pressure on the Volga Federal District Territory Using River Basin Approach Geosciences (Switzerland), Том 10, выпуск 4, №139, С.1-14 (год публикации - 2020).

8. Р.А. Медведева, О.П. Ермолаев Современная овражная сеть в пределах Ульяновской области Тридцать пятое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Курск, 6-8 октября 2020 г.): Доклады и краткие сообщения., С. 118-119. (год публикации - 2020).

9. Чижикова Н.А., Голосов В.Н., Ермолаев О.П., Мухарамова С.С. Тренды эрозионно-опасных дождей на территории Европейской части России за период 1966-2019 гг. Современные тенденции и перспективы развития гидрометеорологии в России: материалы III Всероссийской научно-практической конференции. Иркутск, 25-27 ноября 2020 г. ФГБУ ВО "ИГУ". - Иркутск: Издательство ИГУ,, Стр. 316-322 (год публикации - 2020).

10. Шарифуллин А.Г., Гафуров А.М., Голосов В.Н., Двинских А.П., Медведева Р.А. Динамика современной овражной эрозии на пахотных землях Западного Предкамья Республики Татарстан География и природные ресурсы (Geography and Natural Resources), No 3, С. 55–63 (год публикации - 2020).


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).

 

Публикации

1. Ашаткин И.А., Мальцев К.А., Гайнутдинова Г.Ф., Усманов Б.М., Гафуров А.М., Ганиева А.Ф., Мальцева Т.С., Гиззатуллина Э.Р. Analysis of Relief Morphometry by Global DEM in the Southern Part of the European Territory of Russia Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, vol.162, no.4, pp.612–628 (год публикации - 2020).

2. Гафуров А. The methodological aspects of constructing a high-resolution DEM of large territories using low-cost UAVs on the example of the Sarycum Aeolian complex, Dagestan, Russia Drones, Drones, 2021, Vol.5, Is.1. - P.1-17. (год публикации - 2021).

3. Гафуров А.М., Ермолаев О.П., Усманов Б.М., Хомяков П.В. Creation of high-precision digital elevation models using the GNSS UAV InterCarto. InterGIS, GI support of sustainable development of territories: Proceedings of the International conference. Moscow: MSU, Faculty of Geography, 2021. V. 27. Part 2. P. 327–339. (год публикации - 2021).

4. Гафуров А.М., Усманов Б.М., Ермолаев О.П., Губайдуллин А.М., Хомяков П.В., Гайнуллин И.И. The "Country of cities" web-GIS: development experience and approaches used in creating a history-oriented geoportal InterCarto. InterGIS, GI support of sustainable development of territories: Proceedings of the International conference. Moscow: MSU, Faculty of Geography, 2021. V. 27. Part 4. P. 482–494. (год публикации - 2021).

5. Ермолаев О.П., Медведева Р.А., Иванов М.А. Modern gully erosion in forest and forest-steppe landscapes of the east of the Russian Plain Geomorfologiya, vol. 52, no. 4, pp. 28-41 (год публикации - 2021).

6. Ермолаев О.П., Медведева Р.А., Мухарамова С.С., Шарифуллин А.Г. Геоинформационная база данных современного овражного расчленения на востоке Русской равнины -, № 2021621211, дата регистрации 04.06.2021, Федеральная служба по интеллектуальной собственности. (год публикации - ).

7. Ермолаев О.П., Усманов Б.М., Гафуров А.М., Пузен Ж., Веденеева Е.А., Лисецкий Ф.Н., Нику Ю.К. Assessment of Shoreline Transformation Rates and Landslide Monitoring on the Bank of Kuibyshev Reservoir (Russia) Using Multi-Source Data Remote Sensing, Remote Sens. 2021, 13, 4214. (год публикации - 2021).

8. Мальцев К.А., Иванов М.А. Картографирование потерь почвы на территории Европейской части России с использованием эрозионно-аккумуляционных моделей Тридцать шестое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Ижевск, 11-15 октября 2021 г.): Доклады и краткие сообщения. – Ижевск: Издательский центр «Удмуртский университет», С. 124-126 (год публикации - 2021).

9. Мухарамова С.С., Ермолаев О.П., Савельев А.А., Гафуров А.М., Иванов М.А., Ишмухаметов В.М. Оценка почвозащитного коэффициента растительности на европейской территории России Тридцать шестое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Ижевск, 11-15 октября 2021 г.): Доклады и краткие сообщения. – Ижевск: Издательский центр «Удмуртский университет», С. 130-131 (год публикации - 2021).

10. Мухарамова С.С., Савельев А.А., Иванов М.А., Гафуров А.М., Ермолаев О.П. Estimating the Soil Erosion Cover-Management Factor at the European Part of Russia ISPRS International Journal of Geo-Information, ISPRS Int. J. Geo-Inf. 2021, 10, 645. (год публикации - 2021).

11. Шарифуллин А.Г., Гусаров А.В. Features of Modern Erosion and Sedimentation on Forest-Steppe Gray Forest Soils Within Hollows of a Small Catchment in the Republic of Tatarstan (European Russia) Eurasian Soil Science (Почвоведение), - (год публикации - 2022).