Příloha žádosti - podrobný popis projektového námětu

Příjemce grantu:           		Beleco, z.s.
Název projektu:            		Zvýšení retence vody v krajině - implementace počítačově generovaných návrhů přírodě blízkých opatření v procesu plánování a realizace Živé krajiny (LIVING LANDSCAPE)
Období realizace projektu:         	1. 5. 2022 – 30. 4. 2024
Program:                		 	Výzva “Rago”, program “Životní prostředí, ekosystémy a změna klimatu” financováno z Norských fondů 2014-	2021”
Osoba odpovědná za komunikaci:	Jana Moravcová, Beleco, z.s.
Kontakty:                			xxxx
Odkaz na web projektu:            	xxxx 
Odkaz na FB/Twitter:            		FB beleco, FB živá voda, FB Machaon International
Projektový partner:            		Živá voda, z.s., VŠCHT Praha, ČVUT v Praze, Biologické centrum AV ČR, Slezská univerzita Opava Fyzikální ústav, Machaon International (SR).

OBSAH:

1. Informace o žadateli a případných partnerech projektu	1
1.1. Základní informace o žadateli	2
1.2. Základní informace o partnerech projektu	2
1.3. Popis partnerské spolupráce a přínos zapojení partnera do projektu	3
2. Charakteristika projektového záměru	5
2.1. Základní popis projektového záměru	5
2.2. Řešená oblast, identifikace problému (vč. zdůvodnění potřebnosti projektu)	6
2.3. Stručný popis výchozího stavu, dosavadních způsobů řešení	6
2.4. Stručný popis navrhovaných řešení	7
2.5. Popis očekávaných cílů projektu, vč. jeho výsledků a výstupů (viz Seznam závazných indikátorů, dále kap. 3 výzvy)	7
3. Předpokládaný harmonogram projektu, popis etap a milníků	8
4. Popis organizačního zajištění (struktura) projektu a jeho řízení (vč. partnerské spolupráce)	10
5. Podrobný popis inovativního řešení	10
5.1. Specifický popis inovativního řešení a inovativního přínosu projektu	10
5.2. Technická proveditelnost a související rizika	14
5.3. Vazba na ukončené a běžící vědecko-výzkumné projekty	14
6. Udržitelnost projektu	15
6.1. Popis udržitelnosti projektu a podmínky pro její zajištění	15
6.2. Potenciál dalšího rozvoje projektu	15
7. Popis hlavních rizik projektu a stanovení míry jejich závažnosti	16

1. Informace o žadateli a partnerech projektu
1.1. Základní informace o žadateli

Beleco, z.s. - je odborná organizace působící dlouhodobě v oblasti ochrany přírody. Nabízíme profesionální a odpovědný přístup, rozsáhlý tým specialistů. Zajišťujeme odbornou činnost, popularizaci a osvětu v oblasti ochrany přírody. Přispíváme ke spolupráci mezi vědeckými, vzdělávacími a dalšími odbornými institucemi, orgány státní správy a veřejností. Toto poslání naplňuje tým odborníků se znalostmi aplikované ekologie, krajinného inženýrství, ochranářské biologie, zoologie, botaniky, zemědělství a mnoha dalších oborů. Zpracovává studie, výzkumné projekty a hodnocení, provádí návrhy a realizace péče o lokality, vzdělává odbornou i laickou veřejnost a propaguje ochranu přírody. Jsme členem Zeleného kruhu  a Koalice nevládních organizací pro Naturu 2000.

1.2. Základní informace o partnerech projektu

Živá voda, z.s. (ŽV) - Spolek Živá voda od roku 2005 vyvíjí koncept “Živá krajina” - komplexní způsob obnovy krajiny, který je univerzálně použitelným nástrojem k nápravě české krajiny a její adaptaci na klimatickou změnu. Tato metodika je unikátní tím, že se do procesu mapování, plánování, návrhu i projednávání a prosazování komplexů opatření může vedle odborníků zapojit i jakýkoliv dobrovolník z řad veřejnosti. Nabízí jednotné řešení pro celou ČR, do kterého se mohou zapojit aktivní občané v jakékoli lokalitě, a to jak na úrovni jednotlivců, tak celých obcí. Metoda řeší problém z pohledu vodního hospodářství, ochrany přírody, životního prostředí i zemědělství. Je komplexní a logicky strukturovaná, systémově řeší všechny důležité prvky krajiny a jejich obnovu v ploše. Implementace Modelu Živá krajina naplňuje potřebu adaptace krajiny a zemědělského hospodaření na klimatickou změnu. Model je v souladu se Státní politikou životního prostředí České republiky 2030 s výhledem do 2050 a Strategií přizpůsobení se změně klimatu v podmínkách ČR. 

České vysoké učení  v Praze (ČVUT) - do projektu budou zapojeny dvě katedry Fakulty stavební. Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství, která se dlouhodobě zabývá hydrologickým procesy v krajině, zejména pak retencí vody v zemědělské krajině a udržitelným hospodařením s vodními zdroji, včetně závlah. Katedra má zkušenosti s dlouhodobým monitoringem a provozuje dvě experimentální povodí. Dále disponuje mobilním dešťovým simulátorem, kterým je možné doplňovat chybějící srážkové scénáře a sledovat odtokovou odezvu v lokálním měřítku elementárních odtokových ploch. Pracoviště je vybaveno labolatoří půdní fyziky pro případnou nutnou analýzu dat. Mimo to se dlouhodobě zabývá modelováním srážkoodtokových vztahů a popisem procesů, který tento odtok způsobují. Katedra Geomatiky se dlouhodobě zabývá dálkovým průzkumem Země (DPZ), vývojem kartografických metod, využitím a implementací geografických informačních systémů (GIS) a poskytováním geoprostorových dat.

Ústav chemického inženýrství, Vysoká škola chemicko-technologická  v Praze (VŠCHT) je jedním z předních chemicko-inženýrských pracovišť ve střední Evropě, a to jak z hlediska výzkumného, tak pedagogického. Do projektu bude zapojena výzkumná skupina Procesního a systémového inženýrství, která má bohaté zkušenosti s vývojem software pro simulaci reálných procesů, jejich validací experimentálními daty a konečnou integrací v rámci existujících průmyslových rozhraní (historická či aktuálně probíhající spolupráce např. s BASF, NIST, Synthos, LyondellBasell, Alfa Laval, MemBrain, Contipro aj.). Výzkumný tým má široké pole působnosti daleko přesahující tradiční portfolio komoditních chemických výrob, a tak se může pochlubit úspěšně implementovanými matematickými modely vícefázových polymeračních reaktorů, jednotek pro extrakci esenciálních biogenních složek ze směsí rostlinných olejů, amperometrických biosenzorů či například automatizovanými systémy pro inovativní design čistíren odpadních vod a kritické vyhodnocení naměřených termodynamických dat. Právě v oblasti dvou posledně jmenovaných automatizovaných systémů byly uplatněny metody strojového učení (“machine learning”), které budou tvořit hlavní pracovní náplň pracoviště i v rámci tohoto projektu.

Akademie věd ČR, Biologické centrum (AV ČR) - Biologické centrum AV ČR, v. v. i., je veřejná výzkumná instituce, založená v roce 2006 Akademií věd České republiky. Hlavním zaměřením Biologického centra je výzkum v biologických a biologicko-ekologických oborech. Hlavním cílem je získávat, zpracovávat a rozšiřovat poznatky o organismech, jejich vzájemných vztazích i jejich vlivu na ekosystémy a další organismy včetně člověka, a to na úrovni molekul, buněk, organismů i ekosystémů. Získané poznatky přispívají k lepšímu pochopení biologických jevů v přírodě a mají dopad na zemědělství, lesnictví, rybářství, lidské zdraví, veterinární medicínu a další oblasti života. Biologické centrum též poskytuje posudky, stanoviska a doporučení ve všech oborech své činnosti a usiluje o využití výsledků vědeckého výzkumu v praxi včetně vývoje technologií. Součástí BC je SoWa výzkumná infrastruktura zabývající se interakcemi půdy a vody, která se zejména bude podílet na řešení projektu.

Slezská univerzita v Opavě - Fyzikální ústav (SUO) (nefinanční partner - mentorská pozice)  - mezinárodně respektované vědecké pracoviště, zaměřené na výzkum v oblasti teoretické fyziky a astrofyziky a dále počítačové fyziky a zpracování dat. Významnou součástí vědeckých aktivit jsou počítačové simulace fyzikálních procesů, implementace numerických metod, zpracování a analýza rozsáhlých datových souborů. Mnohé metody ověřené v rámci základního výzkumu jsou na ústavu přednášeny i do výzkumu v rámci aplikované fyziky zaměřené na monitorování životního prostředí a na diagnostické metody a zpracování dat.

Machaon International - zahraniční partner - Slovenská organizace působící v ochraně přírody, krajiny a ochraně kulturního dědictví od roku 2008. Má bohaté zkušenosti s mezinárodními projekty. Věnuje se ochraně biodiverzity, chráněných území, ale i kulturní krajině, pořádá kulturní a vzdělávací akce, disponuje odborníky na krajinné plánování, https://machaon.eu/.

1.3. Podrobný popis partnerské spolupráce a přínos zapojení partnerů do projektu

Beleco, z.s. - bude koordinátorem a administrátorem projektu, bude zajišťovat finanční vedení. Dále bude plnit funkci odborného garanta v oblasti krajinného plánování a přímo se podílet na zpracování studií proveditelnosti zádrže vody v krajině a protipovodňových opatření a korekci strojově automaticky generovaných návrhů. Bude se podílet na koordinaci a přímé realizaci odstavení/využití odvodňovacího systému v pilotním území a zajišťovat monitoring jeho vlivu na hladinu podzemní vody dotčeného území. Bude se podílet na zpracování modelové studie proveditelnosti na území partnerského státu.
Živá voda, z.s. - bude hlavním zpracovatelem dvou pilotních studií proveditelnosti návrhu opatření pro zádrž vody v krajině a protipovodňových opatření v k.ú. obce Velvary (okres Kladno) a k.ú. obcí Němčice, Radovesnice II, Polní Chrčice, Ohaře a Dománovice (okres Kolín) za využití automatizovaného návrhu krajinných úprav s využitím strojového učení (“machine learning”). Na základě podrobného terénního průzkumu, mapových a dalších podkladů a vlastních realizačních zkušeností bude provádět korekci strojově automaticky generovaných návrhů a poskytovat zpětnou vazbu partnerům. Bude zajišťovat realizaci odstavení/využití odvodňovacího systému v modelovém území. Bude hlavním zpracovatelem metodiky na zpracování studie proveditelnosti opatření k zádrži vody v krajině podle Modelu Živá krajina s inovativním využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav. Bude se podílet na zpracování modelové studie proveditelnosti na území partnerského státu.
ČVUT - Aktivity pracoviště ČVUT v Praze se budou primárně zabývat hydrologickým modelováním, které do projektu Živé krajiny vnese kvantitativní hodnocení dopadů navrhovaných opatření. Aktivity v rámci řešeného projektu navazují na dlouhodobé zkušenosti v oblasti hydrologie a GIS. Zapojené pracoviště Katedry hydromeliorací a krajinného inženýrství je autorem základního řešení modelu SMODERP. Ve spolupráci s Katedrou geomatiky pak o jeho implementaci do GIS prostředí. Navazující aktivity v rámci navrhovaného projektu je možné rozdělit do dvou směrů. Zrychlení výpočtu pomocí paralelizace, integraci dalších procesů do současné podoby modelu, plnou funkcionalitu pro prostředí QGIS. Partner se bude podílet na vypracování metodiky na zpracování studie proveditelnosti opatření k zádrži vody v krajině s využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav.
VŠCHT - V rámci projektu se bude zabývat využitím algoritmů pro automatizovaný návrh krajinných úprav s využitím strojového učení (“machine learning”) za účelem (i) optimalizace dosavadních návrhů terénních úprav generovaných čistě na základě podkladů a odborné lidské zkušenosti a (ii) automatické lokalizaci meliorací z ortografických leteckých snímků krajiny. Vyhodnocování kvality strojově generovaných návrhů terénních úprav (tj. “samo-učení” počítače) bude probíhat prostřednictvím odtokového modelu SMODERP umožňujícího bezplatně a v krátkém čase simulovat dopady navržených opatření na distribuci srážkových vod v krajině. Pracoviště se také bude podílet na vektorizaci a georeferencování historických map a na vypracování metodiky ke zpracování studie proveditelnosti opatření k zádrži vody v krajině s využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav.
Slezská univerzita v Opavě - Fyzikální ústav - bude v projektu plnit roli supervizora a konzultanta v oblasti (i) využití algoritmů a metod pro automatický návrh krajinných úprav s využitím strojového učení a (ii) paralelizace (urychlení) časově náročných výpočtů, zejména srážkově odtokového epizodního modelu SMODERP. Nefinanční partner projektu.
Biologické centrum Akademie věd ČR - Biologické centrum vnese do projektu dlouhodobé zkušeností s narušením funkce melioračních zařízení s cílem obnovy vodního režimu krajiny. Na základě těchto zkušeností se bude podílet na návrhu konkrétních opatření s cílem odstavení/využití melioračního systému na modelovém území a následné obnovy vodního režimu krajiny poškozené podzemní trubkovou drenáží.  Bude dozorovat jejich provedení. Naplánuje a založí monitoring klíčových půdních vlastností s důrazem na akumulaci uhlíku a biodiverzitu půdy, provede odběr a vyhodnocení vzorků klíčových  půdních parametrů před a po provedení revitalizačních opatření.
Machaon International - Slovenský partner projevil již v minulosti zájem o spolupráci a přenos zkušeností s realizací studií proveditelnosti podle metodiky Živá krajina na Slovensko. V rámci tohoto projektu budou 2 jeho zástupci proškoleni v metodice, podrobně seznámeni s inovativním využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav a ve spolupráci s partnerem Živá voda, z.s. zpracují malou pilotní studii proveditelnosti na území Slovenska.

2. Charakteristika projektového záměru

2.1. Základní popis projektového záměru

Základní myšlenkou projektu je využít automatizované softwarové nástroje vzešlé z vědecko-výzkumných projektů partnerů, rozšířit je a integrovat za účelem usnadnění návrhu a realizace opatření vedoucích ke zvýšení retence vody v krajině a vyšší odolnosti území proti povodním. 

Hlavním cílem projektu je využít inovativního přístupu - strojového učení a automatizovaných softwarových nástrojů k zrychlení, zkvalitnění a zefektivnění práce při zpracování studií proveditelnosti, studií odtokových poměrů nebo územních studií zpracovávaných primárně za účelem zvýšení adaptace krajiny na klimatickou změnu. Součástí studií bude modelování změny odtokových poměrů, která nastane po realizaci opatření v konkrétních lokalitách. 

Hlavním výstupem projektu budou 3 inovativně zpracované studie proveditelnosti - 1. Kolínsko (k.ú. Němčice, Radovesnice II, Polní Chrčice, Ohaře a Dománovice), 2. kú Velvary. Obě lokality jsou postižené intenzivním průmyslovým zemědělstvím a masivním odvodněním, celkem se bude jednat o cca 35 km2 a 3. na území zahraničního projektového partnera o velikosti do 5km2. Další částí projektu bude fyzická realizace odstavení/využití odvodňovacího systému na celkové ploše cca 6 ha (3 plochy s různým typem zásahů a 3 referenční plochy, každá o velikosti cca 1 ha), a to na základě návrhů již zpracované studie proveditelnosti metodou Živá krajina na Broumovsku a nastavení a zahájení monitoringu vlivu této realizace na hladinu podzemní vody, půdní biodiverzitu a další ukazatele kvality půdy a ekosystému okolí. Na základě zkušeností z dosavadní činnosti a poznatků získaných v rámci projektu bude vytvořena  metodika a zpracování studie proveditelnosti opatření k zádrži vody v krajině podle Modelu Živá krajina s inovativním využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav. Metodika bude následně předložena k certifikaci a bude dostupná k volnému využití.

Zpracování studií proveditelnosti je nezbytným podkladem pro systematickou realizaci komplexů opatření k adaptaci na klimatickou změnu na uceleném území. Realizací navržených opatření dojde v konečném důsledku ke zvýšení zádrže vody v krajině a tím i ke zlepšení stavu ekosystémů a posílení biodiverzity. 

2.2. Řešená oblast, identifikace problému (vč. zdůvodnění potřebnosti projektu)

Klimatická změna, která se projevuje zvýšeným výskytem bleskových povodní, delšími bezdeštnými obdobími a na tyto projevy navázanou vodní a větrnou erozí se stává v podmínkách České republiky čím dál tím závažnějším tématem. Problémy plynoucí ze současného stavu a způsobu zemědělství, vlastnické struktury a hospodařících subjektů bez výrazného zájmu péče o krajinu v kombinaci s dopady klimatické změny mají přímý dopad na život obyvatel, životní prostředí a způsobují rozsáhlé majetkové škody.  Jedním z cílů adaptace na klimatickou změnu je zvýšení schopnosti zadržování vody v krajině ve formě ochrany před extrémními projevy, jako jsou povodně, nebo jako zdroj pro bezdeštná období. Tuto komplexní problematiku je nutné řešit systematicky, což nelze bez procesu krajinného plánování.
Česká republika se ratifikací Evropské úmluvy o krajině již v roce 2004 zavázala zavést  a  provádět  krajinnou  politiku  zaměřenou  na  ochranu,  správu  a  plánování  krajiny, zavést postupy pro účast veřejnosti a samospráv, začlenit krajinu do své kulturní, environmentální,  zemědělské,  sociální  a  hospodářské  politiky. Bohužel, reálná implementace tohoto závazku stále není aktivně naplňována. Navrhovaný projekt v sobě integruje několik přístupů, jejichž cílem je využití inovativního přístupu v procesu plánování krajiny pomocí kombinace strojového návrhu opatření, terénního průzkumu na dobrovolnické i profesionální bázi a hydrologického modelování pro vypracování metodiky zpracování studií proveditelnosti, jež bude mít za očekávaný následek výrazné zrychlení celého procesu návrhu a v konečném důsledku tedy i realizace nezbytných opatření, které povedou k vyšší odolnosti krajiny ke klimatické změně a zároveň budou mít pozitivní vliv na stav ekosystémů a biodiverzitu v řešených lokalitách.
2.3. Stručný popis výchozího stavu, dosavadních způsobů řešení

V současnosti existuje řada procesů, jejichž výstupem jsou dokumenty řešící využití území, například zásady územního rozvoje, územní plány, územní studie krajiny, plány oblastí povodí, studie odtokových poměrů. Tyto podklady však v naprosté většině postrádají detail a podrobnosti potřebné pro návrh a vyhodnocení efektu jednotlivých konkrétních opatření i jejich komplexů z pohledu zadržení vody v celé ploše krajiny a protipovodňových efektů. Pozornost státní správy se zatím soustředí zejména na zastavěná území, volná krajina je řešena bodově, nesystémově a velmi pomalu. Proto je podle našeho názoru nezbytné začít zpracovávat kvalitní a jednotnou metodikou zpracované  komplexní studie proveditelnosti zádrže vody v krajině a protipovodňových opatření na ucelených územích tak, aby byl nastartován systematický přístup a maximální efekt všech navrhovaných opatření včetně jejich kumulativních a synergických vlivů. Studie proveditelnosti nenahrazují projektovou přípravu, ale jsou dostatečně konkrétním podkladem pro veřejnou debatu, diskusi s vlastníky a hospodařícími subjekty. Po souhlasném projednání s vlastníky a municipalitami poslouží jako zcela nezbytný podklad pro územní plánování, plány oblastí povodí i  komplexní pozemkové úpravy. Jsou podkladem pro vlastní projektovou přípravu a povolovací řízení. 
Z hlediska návrhů a vyhodnocení vlivu opatření určených k retenci vody a adaptaci na klimatickou změnu zůstávají dosud nevyužité technické možnosti v oblasti plánování a rychlosti realizace opatření, které vzešly z vědecko výzkumných projektů a nebyly dosud implementovány do praxe. Proto přichází kolektiv s projektem který inovativně využívá strojového návrhu krajiny, kdy pomocí automaticky generovaného návrhu přírodě blízkých opatření v krajině a následného ověření jejich předpokládané funkce odtokovým modelem se výrazně zpřesní a zrychlí tvorba studie proveditelnosti.

2.4. Stručný popis navrhovaných řešení

Vlastní inovace - využití strojového návrhu krajiny v procesu tvorby studie proveditelnosti je postavena na pěti klíčových krocích, a to:

1.	Sběru terénních dat ve spojení s automatizovaným rozpoznáním vybraných geologických útvarů v krajině.
2.	Automatický návrh umístění elementů umožňujících zlepšení retenčních vlastností krajiny a zvýšení schopnosti odolávat přívalovým povodním a erozním vlivům.
3.	Korekce strojově generovaných návrhů odborníkem na model Živé krajiny a krajinným inženýrem.
4.	Hydrologická analýza a srážko-odtokový model aplikovaný na terén před a po aplikaci navržených opatření.
5.	Implementace výsledku a vypracování 2 studií proveditelnosti dle původní metody Živá krajina s využitím strojového návrhu krajiny.

V rámci strojového učení budou kroky 2 - 4 opakovaně provedeny i na těch územích, kde studie proveditelnosti již zpracované jsou. Zvolená referenční území budou z hlediska konfigurace terénu a potřeby realizace konkrétních typů opatření dostatečně specifická tak, aby bylo do budoucna zajištěno fungování strojového návrhu v různých podmínkách.

2.5. Popis očekávaných cílů projektu, vč. jeho výsledků a výstupů

Cílem je implementace inovativního řešení v procesu krajinného plánování do praxe a jeho demonstrace v pilotních lokalitách.
Navrhovaný projekt v sobě integruje několik přístupů, jejichž cílem je využití inovativního přístupu v procesu plánování krajiny pomocí kombinace strojového návrhu opatření, terénního průzkumu na dobrovolnické i profesionální bázi a hydrologického modelování pro vypracování metodiky zpracování studií proveditelnosti, jež bude mít za následek výrazné zrychlení celého procesu návrhu a v konečném důsledku tedy i realizace nezbytných opatření, které povedou k vyšší odolnosti krajiny ke klimatické změně a zároveň budou mít pozitivní vliv na stav ekosystémů a biodiverzitu v řešených lokalitách.
Výstupem projektu bodou:
●	2 studie proveditelnosti vypracované s využitím strojového návrhu krajiny jako inovace v procesu krajinného plánování pro území silně zasažená průmyslovým zemědělstvím, a to pro k.ú. obce Velvary (okres Kladno) a k.ú. obcí Němčice, Radovesnice II, Polní Chrčice, Ohaře a Dománovice (okres Kolín). Součástí druhého projektového území jsou EVL CZ0214010 Dománovický les a CZ0210022 Kozí hůra,
●	1 studie proveditelnosti vypracovaná s využitím strojového návrhu krajiny jako inovace v procesu krajinného plánování v zemi zahraničního partnera,
●	realizace odstavení/využití odvodňovacího systému v lokalitě Zdoňov (CHKO Broumovsko, Chopav Polická pánev) a zahájení monitoringu změn klíčových půdních vlastností s důrazem na akumulaci uhlíku a biodiverzitu půdy v návaznosti na tuto realizaci. Sledování vlivu realizace na hladinu podzemní vody,
●	metodika zpracování studie proveditelnosti opatření k zádrži vody v krajině podle Modelu Živá krajina s inovativním využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav.

3. Předpokládaný harmonogram projektu, popis etap a milníků

Časový harmonogram projektu lze rozdělit do několika etap, které se ovšem vzhledem ke vzájemné provázanosti z velké části překrývají. Níže následuje přehled jednotlivých etap a vytyčených projektových milníků.

1.	Etapa I - Kolekce reálných dat z terénu a dostupných zdrojů (Projektový Měsíc - PM 1-9, ŽV, Beleco, AVČR)
○	Sběr dat popisujících geografii terénu v řešených lokalitách za účelem verifikace a doplnění elektronických dat již obsažených v dostupných geoinformačních systémech (PM 1-6).
○	Zpracování vlastnických dat z katastru nemovitostí skrze webovou službu dálkového přístupu ČÚZK (PM-1-9)
Milník M1 - Dokončení sběru terénních a elektronicky dostupných dat (PM 9)

2.	Etapa II - Realizace odstavení/využití melioračního systému v modelové lokalitě (PM 1-12, ŽV, BELECO, AVČR)
○	Realizace opatření na 3 typových lokalitách o velikosti každé cca 1 ha, vyběr referenčních lokalit, zahájení monitoringu vlivu realizace na stav ekosystémů.
	Milník M2 - Realizované odstavení odvodnění a zahájení sběru dat (PM 12)

3.	Etapa III - Vývoj heuristických návrhů opatření (PM 1-9, VŠCHT, SUO, ŽV, AVČR)
○	Vývoj algoritmů automaticky generujících návrhy terénních úprav na základě heuristik (zkušeností odborníků).
○	Implementace algoritmů do systému QGIS
○	Vektorizace a georeferencig historických map řešených lokalit
	Milník M3 - Automatická tvorba heuristických návrhů opatření v QGIS (PM 9)

4.	Etapa IV - Úprava a integrace modelu SMODERP do QGIS (PM 1-24, ČVUT, SUO)
○	Integrace stávajícího modelu SMODERP do QGIS (PM 1-9)
○	Rozšíření modelu SMODERP - difúzní metoda řešení, zpřesnění infiltrační rovnice apod. (PM 10-20)
○	Paralelizace výpočtu pro GPU (PM 16-24)
	Milník M4 - Rozšířený model SMODERP integrován do QGIS (PM 15)

5.	Etapa V - Algoritmy strojového učení (PM 1- 24, VŠCHT, SUO, ČVUT)
○	Optimalizace parametrů heuristických návrhů (PM 1-18) algoritmy strojového učení dle výstupu ze SMODERP a dalších kritérií.
○	Implementace a naučení komplexních modelů zpracování obrazu typu neuronové sítě pro zpracování leteckých snímků a lokalizaci meliorací v nich (PM 1-24)
	Milník M5 - Heuristické parametry optimalizovány skrze strojové učení (PM 24)

6.	Etapa VI - Testování a validace automaticky generovaných terénních opatření (PM 10-22, ŽV, Beleco, AVČR, ČVUT, VŠCHT)
○	Testování zásuvných modulů návrhových opatření implementovaných do QGIS - zpětná vazba skrze odborníky (PM 10-18)
○	Validace strojově generovaných terénních opatření odborníky (PM 19-22)
	Milník M6 - Systém strojové tvorby návrhů testován a validován (PM 22)

7.	Etapa VII - Realizace studií proveditelnosti (PM 20-24, ŽV, BELECO, MACHAON)
○	Vypracování tří studií proveditelnosti terénních opatření pro zvolené lokality s využitím vyvinutých nástrojů pro jejich strojově generovaný návrh.
	Milník M7 - Studie proveditelnosti pro vybrané lokality (PM 24)

8.	Etapa VIII - Vypracování metodiky (PM 21-24, ŽV, BELECO, ČVUT, VŠCHT)
○	Vypracování metodiky zpracování studie proveditelnosti opatření k zádrži vody v krajině podle metody Živá krajina s inovativním využitím automatizovaného návrhu krajinných úprav.
	Milník M8 - Metodika zpracování studie proveditelnosti (PM 24)

9.	Etapa IX - Diseminace výsledků a publicita projektu - průběžné informování veřejnosti o průběžných výsledcích projektu (PM 1-24, ŽV, BELECO)
○	propagace projektu i donora (web, FB, odb. články) 

4. Popis organizačního zajištění (struktura) projektu a jeho řízení (vč. partnerské spolupráce)
Do projektu je zapojeno sedm subjektů, žadatelem je Beleco, z.s., koordinátorem a administrátorem projektu je Ing. xxxx. Za jednotlivá pracoviště jsou zodpovědné osoby: xxxx
Řešení projektu se bude opírat o standardní metody řízení projektů. Žadatel Beleco, z.s. má bohaté zkušenosti s vedením řešitelského kolektivu skládajícího se z několika institucí. Instituce zapojené do řešení tohoto projektu navazují částečně na předchozí úspěšnou spolupráci a na zkušenosti se zpracování vědecko výzkumných úkolů.
Ke vzájemnému informování o průběhu řešení bude udržována běžná komunikace (e mail, telefon, schůzka, telekonference). Minimálně 2x ročně proběhne schůzka celého řešitelského týmu. Hlavní náplní těchto schůzek bude vzájemné informování o stavu probíhajících aktivit, a případné úpravy časového harmonogramu. Schůzky ke konkrétním aktivitám budou probíhat průběžně dle potřeb zapojených institucí. Rozdělení aktivit odpovídá přínosu jednotlivých pracovišť k řešení projektu. Zapojení jednotlivých pracovišť do konkrétních etap řešení je uvedeno v kapitole 3. V rámci návrhu byl zpracován časový harmonogram jednotlivých aktivit, který je rovněž uveden z důvodů přehlednosti v kapitole 3 u popisu jednotlivých etap. 
Dílčí cíle vyžadující návrh metody zpracování budou analyzovány ve standardním vědeckém postupu rešerše-metodika-testování-závěry. Cíle vyžadující konkrétní zpracování dat budou průběžně naplňovány dle navržené metodiky a postupu zpracování.

5. Podrobný popis inovativního řešení

5.1. Specifický popis inovativního řešení a inovativního přínosu projektu

Inovativní aspekty projektu lze rozdělit do několika podoblastí:

Asistovaný návrh krajinných úprav
Navrhování krajinných úprav je komplexní úloha vyžadující širokou škálu znalostí. Jakékoli zapojení jiné než specializované odborné veřejnosti je tak v současné době značně limitováno. Dlouhodobě udržitelné krajiny a umístění vhodných prvků nad minimální rámec je možné dosáhnout při zapojení místních komunit. Navrhování krajinných úprav a přírodě blízkých řešení je v současné době omezeno možnostmi dostupných nástrojů. Důsledkem toho je, že odborník navrhující úpravy terénu musí trávit mnoho času zadáváním těchto úprav do dokumentace a map místo toho, aby se mohl věnovat návrhu samotnému. Naše navrhované řešení zjednoduší a zrychlí celý návrh a zároveň odstraní značnou část rutinních činností vytvořením sofistikovaných softwarových nástrojů. Tyto umožní automatizaci návrhu pomocí standardních vzorů vytvořených na základě vstupů odborníka. Například odborník vyznačí polohu údolnice s významným výskytem eroze (zjištěné na základě dostupných dat - LPIS a podrobného terénního průzkumu) pomocí vektorové křivky. Nástroj následně vytváří návrh krajinných prvků, jejichž realizace by znamenala účinné řešení problému. Jiným příkladem může být navržení pásů a skupin dřevin. Dále bude odborníkem provedena nezbytná korekce strojově generovaných návrhů a v rámci “machine learning” poskytnuta zpětná vazba. Tento přístup je naprosto unikátní nejen z hlediska národního, ale celoevropského.

Analýza archivních map
Archivní mapy představují důležitý zdroj pro určení původních os vodních toků a vymezení původních luk v místech současné zemědělské půdy. Jelikož se jedná o archivní mapy, celková vektorizace map je obtížná kvůli nepřesnostem v nich obsažených. Proto jsme zvolili jen omezenou vektorizaci spojenou s automatickou geolokalizací. Na vektorizaci geografických podkladů bude použit některý ze standardních algoritmů používaných v GIS systémech jako je například TACET (Teng J., Wang F, Liu Y.; An Efficient Algorithm for Raster-to-Vector Data Conversion: Geographic Information Sciences vol: 14; year 2008; doi:10.1080/10824000809480639)

Vyhledávání meliorací
Z hlediska retence vody v krajině představují meliorace rizikový terénní element, proto je potřeba je při návrhu terénních úprav lokalizovat. Automatická detekce meliorací z ortografických leteckých snímků je nesnadným úkolem a představuje proto velkou výzvu. Pro jejich automatizované vyhledávání navrhujeme vytvořit neuronovou síť, která ovšem pro svou úspěšnou a robustní funkčnost vyžaduje velké množství zdrojových dat (leteckých snímků).

Strojové učení
Samotné využití strojového učení v procesu návrhu terénních úprav pro zvýšení retence vody v krajině představuje inovativní myšlenku, v evropském kontextu doposud neaplikovanou. V rámci projektu budou algoritmy strojového učení použity jak pro automatizovanou geolokaci meliorací, tak pro optimalizaci heuristických návrhů terénních úprav doposud založených na odborné lidské zkušenosti.

Níže následuje podrobný popis postupu implementace procesu strojových návrhů, a to jak co se týče automatizované implementace heuristických (empiricky ověřených) návrhů terénních opatření, tak z hlediska nově vyvíjených postupů strojového učení, které by měly validovat či vylepšit dosud existující heuristické postupy a automaticky lokalizovat již existující meliorace v krajině na základě dostupných elektronických dat. A dále popis implementace inovativního procesu získávání a využití vlastnických dat.

Strojová příprava konturované krajiny - Soubor zásuvných modulů (pluginů) integrovaných do prostředí volně dostupného systému QGIS

Matematická analýza geometrie terénu z dat obsažených v dostupných geoinformatických zdrojích ve spojení s podrobným terénním průzkumem a osvědčenými postupy (heuristikami) při návrhu opatření umožní skrze automatizované algoritmy realizovat následující přídavné elementy do návrhového prostředí QGIS:

a)	Návrh terénních vln - Zemní hrázky, příkopy, průlehy a další prvky jsou umisťovány všude tam, kde je třeba přerušit odtokové dráhy a nebo snížit rychlost odtoku vody – tedy zejména v drahách soustředěného odtoku, v horských údolích, ve spádech nad 10 stupňů cca po 20 m. Výsledkem návrhu polohopisně umístěné osy těchto prvků včetně určení jejich délky.
b)	Návrh zatravnění - V rámci konturace krajiny v místech budou na orné půdě, navrženy travní prvky na ochranu orné půdy před erozí. 
c)	Návrh linií a skupin mimolesní zeleně - Návrh řad stromů pro snížení vlivu větrné eroze, pro posílení ochrany proti vodní erozi a zejména pro zvýšení biodiverzity tzv. konturované krajiny. Linie stromů jsou navrhovány v ideálním případě ve troj-řadách tak, aby v kombinaci s keři tvořily celistvou kulisu. Linie stromů a skupiny mimolesní zeleně tak mohou být zároveň součástí prvků lokálního ÚSES (Územní systém ekologické stability).
d)	Návrh zdrsnění lesních cest - Měnící nebo doplňující jejich funkci o retenci vody a zpomalení odtoku při nadměrných srážkách. Zdrsnění se provádí realizací souborem terénních vln a v případě nevyužívaných cest také menších tůní. 
e)	Návrh mokřadních ploch - V místech, kde předpokládáme zamokření terénu zavedením nových prvků pro zádrž vody či míst kolem nově navržených a revitalizovaných toků a v plochách drah soustředěného odtoku. 
f)	Import dat z tzv. Císařských otisků - Císařské povinné otisky stabilního katastru, které představují cenný informační zdroj o podobě české krajiny z první poloviny 19. století (1824-1843) a z hlediska návrhu terénních úprav tak představují inspirativní vodítko, zejména co se týče morfologie koryt toků a rozmístění vodních rezervoárů v krajině. V rámci projektu bude vyvinut automatizovaný systém pro jejich georeferencování  (korektní umístění v mapě krajiny), extrakci a vektorizaci vodních prvků a původních luk a jejich transfer do systému QGIS do podoby samostatných vektorových vrstev.

V rámci automatizovaných algoritmů budou v rámci projektu zpracovány pilotní studie využitelnosti strojového učení (“machine learning”) za účelem (i) optimalizace heuristických terénních úprav výše uvedených (např. vzdálenost sousedních kmenů v linii stromů, minimální sklon terénu potřebný pro zavedení terénní vlny aj.), (ii) vyhledávání meliorací jakožto často nežádoucích krajinných elementů z dostupných leteckých snímků. Jako hlavní prvek strojového učení plánujeme využít tzv. neuronové sítě (“artificial neural networks”, ANN), které budou aplikovány jednak jako nelineární estimátor parametrů terénních úprav (přičemž kvalita navržené úpravy se bude automaticky vyhodnocovat dostupným modelem srážkového odtoku SMODERP, viz odst. 2.4.2), jednak jako součást pokročilých algoritmů pro extrakci vizuálně obtížně dostupných vzorů (meliorací) ze snímků krajinných obrazů.

Hydrologické modelování nad navrhovanými opatřeními SMODERP

Součástí využívaných nástrojů pro identifikaci rizikových míst a pro stanovení detailního stavu odtokových poměrů bude vedle přístupu konturované krajiny využíván srážkoodtokový, fyzikálně založený epizodní model SMODERP. Tento model je dlouhodobě vyvíjen v rámci aktivit partnera projektu ČVUT v Praze a je zmiňován například v metodice Ochrana zemědělské půdy před erozí (Janeček, 2012). Základní modul SMODERP 2D je funkční z hlediska zvolených procesů zahrnutých do výpočtu. Primárně je využíván v komerčním prostředí ESRI. Plná integrace do jiných GIS prostředí bude možná po dokončení separace vlastního výpočtu od pre a post processingu. Model bude využit na jedné straně pro identifikaci problematických míst, ale také pro hodnocení navrhovaných řešení konturované krajiny. Výrazným benefitem využití modelu je možnost kvalifikace dopadů navržených opatření z hlediska odtokových poměrů. Z pohledu erozní ohroženosti navíc model umožňuje posouzení navržených opatření z hlediska vzniku rýhové eroze. V rámci navrhovaného projektu bude model rozšířen, tak aby lépe vyhovoval potřebám rutinního nasazení. Na jedné straně povedou aktivity ke zrychlení výpočtu a na druhé straně pak ke snahám o doplnění matematického popisu dalších procesů, které současná verze modelu neumožňuje. V rámci řešeného projektu tak dojde ke zkvalitnění tohoto nástroje.

Současným limitem rutinního nasazení modelu a rozšíření o popis dalších procesů je provádění vlastního numerického výpočtu na jedno výpočetní jádro. Aktuální funkční verze modelu tak neumožňuje plné využití výpočetních kapacit moderních počítačů. Cílem aktivit bude posouzení a nalezení vhodného způsobu efektivní paralelizace založené na rozdělení řešeného území na dílčí části, které jsou řešeny samostatně. V běžných úlohách se jedná o paralelizaci formou pravidelných dlaždic. V tomto případě je ale výhodnější využít tzv. hydrologické dlaždice - automaticky generované subpovodí, u kterých se budou řešit jejich vzájemné vazby. Dochází tak k vytvoření dlaždic nepravidelného tvaru hydrologicky uzavřených oblastí, pomocí kterých je výpočet z hlediska uzavření výpočtu do samostatné oblasti paralelizován optimálně. Cílem je optimalizace výpočtu primárně pro  desktopovou open source aplikaci QGIS ve formě zásuvného modulu, ale také v rámci webové výpočetní služby umožňující spustit výpočetní úlohu na vzdáleném serveru. Výpočetní služba tak umožní přístup k numericky náročnému výpočtu i hardwarově méně výkonným klientům.
Druhým směrem je pak zkvalitnění a rozšíření popisovaných hydrologických procesů. Model pracuje se dvěma základními principy. Výpočet bilance v jednotlivých elementech výpočetní sítě a kinematického principu řešení vazeb mezi jednotlivými elementy. V rámci navrhovaného projektu bude testován tzv. difuzní způsob řešení, který pracuje na principu sklonů hladin jednotlivých elementů. Dále pak v bilanční rovnici zpřesnění infiltrační rovnice a v neposlední řadě snahu o přechod na dvouvrstvý model, který by řešil nejen povrchové procesy, ale i proudění vody v půdním profilu v rámci svrchního půdního horizontu. 
Výše uvedené aktivity budou řešeny souběžně. Klíčové pro výsledné řešení bude na jedné straně detailnost popisu jednotlivých procesů, dostupnost a kvalita vstupních dat a rychlost výpočtu.

Zpracování vlastnických dat z katastru nemovitostí (ČÚZK) skrze webovou službu dálkového přístupu

Současné řešení, již integrované do prostředí QGIS, zpracovává vstupy v podobě datových sad tzv. výměnného formátu katastru nemovitostí (VF KN), jež se ukazuje jako časově náročná a vyžadující odbornou součinnost ze strany dotčených obecních úřadů. Přepracování modulu a jeho rozšíření o přístup přes webovou službu dálkového přístupu (WSDP) zajistí zpracovateli studie především okamžitý online přístup k aktuálním datům včetně splnění požadavků na GDPR. 

5.2. Technická proveditelnost a související rizika

Asistovaný návrh krajinných úprav a analýza archivních dat nepředstavují vyšší rizika než rizika standardně spojená s vývojem a nasazováním softwaru, jelikož při využití softwaru budou použity známé techniky a postupy.
Detekce meliorací představuje riziko vyšší, jelikož na “naučení” neuronových sítí je potřeba velkého množství dat s již nalezenými melioracemi. K tomu budou využity dostupné podklady - meliorační plány a dále data získaná partnerem Živá voda a jeho lokálními koordinátory při zpracovávání cca 25 studií proveditelnosti na různých typech území.
Teoretické základy pro integraci dalších procesů a optimalizace výpočtu pomocí paralelizace jsou známé a technicky proveditelné. Z hlediska implementace dalších procesů do modelu SMODERP a zrychlení výpočtu může narazit na limity výpočetní techniky pro některá zařízení koncových uživatelů (například velikost operační paměti). Z hlediska interpretace dat z modelu SMODERP zůstává rizikem kvalita vstupních dat, zejména pak heterogenita půd v rámci konkrétních řešených území, což jsou obecné limity hydrologického modelování v nepozorovaných profilech. Tato rizika jsou částečně eliminována využitím nejaktuálnějších půdních dat a zapojením terénních pracovníků. Finální řešení modelu pro praktické využití tak musí vybalancovat kvalitu vstupních dat a detailnost popisu procesů, výpočetní limity a relevanci výstupů. 

5.3. Vazba na ukončené a běžící vědecko-výzkumné projekty

Projekt přímo navazuje na vědecko-výzkumné projekty partnerů, které jsou zapsány v Informačním systému výzkumu, experimentálního vývoje a inovací, a to konkrétně na:

ukončené:
●	TJ01000270 - Atlas HYDROLOGIE - moderní nástroj pro výpočet smyvu, odtoku a dimenzování prvků protierozní ochrany (2018-2019, TA0/TJ) (SMODERP)
●	QJ1520265 - Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině (2015-2017, MZE/QJ) 
●	VG20122015092 - Erozní smyv - zvýšené riziko ohrožení obyvatel a jakosti vody v souvislosti s očekávanou změnou klimatu (2012-2015, MV0/VG)

běžící:
●	QK1910029 - Předchozí nasycenost a návrhové srážkové intenzity jako faktory odtokové odezvy na malých povodích (2019-2022, MZE/QK)
●	TH06020003 - Pokročilé membrány pro upgrading bioplynu a separaci cenných látek (2019-2022, TA0/TH) (využití strojového učení ve formě pokročilých algoritmů pro odhad modelových parametrů)
●	FV40151 - Zařízení pro výrobu membránových modulů s dutými vlákny (2019-2022, MPO/FV) (využití strojového učení ve formě pokročilých algoritmů pro odhad modelových parametrů)

6. Udržitelnost projektu

6.1. Popis udržitelnosti projektu a podmínky pro její zajištění

Pro zpracování studií proveditelnosti jsou vybraná taková území, kde je potvrzen vážný zájem samospráv nejen o jejich zpracování, ale především o realizaci jimi navržených opatření. Po projednání s obcemi můžeme důvodně předpokládat, že po dokončení studií bude následovat projektová příprava a příprava realizace opatření (žádosti obcí o podporu z vhodných programů - například nový OPŽP 2021-2027). Součástí studií bude i prioritizace realizace jednotlivých opatření, a to jednak s ohledem na jejich výsledný efekt, ale také na finanční náročnost a složitost povolovacího procesu.
Fyzicky realizovaná opatření - odstavení/využití melioračního systému budou v rámci udržitelnosti předaná vlastníkovi pozemků a bude s ním smluvně zajištěna jejich údržba. Následný monitoring efektu revitalizací bude prováděn v rámci aktivit žadatele a partnera Akademie věd. 

6.2. Potenciál dalšího rozvoje projektu

Vzhledem k tomu, že již teď evidujeme značný zájem o zpracování studií proveditelnosti přírodě blízkých opatření k zádrži vody v krajině podle Modelu Živá krajina, je důvodné předpokládat, že zájem o využití inovativního přístupu v procesu plánování bude mít spíše rostoucí charakter. V oblasti softwarového zpracování je dostatečný prostor pro implementaci dalších typů přírodě blízkých opatření do systému automatického návrhu. Metodika i výsledný software bude volně k dispozici a využití pro odbornou i širokou veřejnost.

7. Popis hlavních rizik projektu a stanovení míry jejich závažnosti

●	Rizika související s technickou proveditelností - blíže popsáno v bodě 5.2 - méně pravděpodobná, středně závažná - těmto rizikům předcházíme aktivním zapojením odborných kapacit s dostatečnými znalostmi a zkušenostmi v oboru hydrologického modelování, “machine learning”, hydromeliorací a krajinného plánování,
●	nebude dostatečný zájem o zpracování inovativních studií proveditelnosti - nepravděpodobné - již v současné době evidujeme výrazný zájem samospráv o jejich zpracování a realizaci opatření k zádrži vody a zvýšení odolnosti proti povodním přírodě blízkým způsobem,
●	nebude dostatek finančních prostředků na projektovou přípravu a především na realizaci opatření z navržených studií - středně pravděpodobné, závažné - žadatel a partneři mají jen velmi omezené možnosti předcházet tomuto riziku, nicméně je důvodné předpokládat, že systematická realizace opatření vedoucích k adaptaci na klimatickou změnu bude čím dál tím větší prioritou společnosti a tomu bude odpovídat i výše prostředků směřovaná do těchto aktivit,
●	nezájem o implementaci řešení v partnerském státě - málo pravděpodobné, středně závažné - zvolený partner má dostatečné zkušenosti s prosazováním inovativních a neotřelých řešení, ze strany příjemce i partnera mu bude poskytována potřebná součinnost. Předpokládáme, že spolupráce bude dlouhodobá,
●	nezvládnutí administrace a financování projektu - nepravděpodobné, závažné - žadatel má dlouholeté zkušenosti s vedením a realizací velkých (i mezinárodních) projektů, disponuje dostatečnými kapacitami. Kofinancování projektu je projednané (zčásti počítáme s kofinancováním prostřednictvím dobrovolnické práce, se kterou má žadatel i partner Živá voda dostatečné zkušenosti a dále z vlastních zdrojů jednotlivých partnerů),
●	rizika plynoucí z možné nepříznivé epidemiologické situace vzhledem k výskytu nemoci Covid 19 - pravděpodobné, málo významné - součástí projektů nejsou žádné akce, u kterých by se dala předpokládat významnější omezení. Na distanční fungování je tým zvyklý a klíčové terénní práce by neměly být ohroženy.