INFORMATION AND MANAGEMENT

Development of a hybrid software system for monitoring erosion processes and evaluating the effectiveness of land reclamation measures using recommender algorithms

Authors

  • Dmitry I. Ivanov Far Eastern Federal University, 690922, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10
  • Bogdan D. Terekhin Far Eastern Federal University, 690922, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10
  • Evgeny O. Sheshenya Far Eastern Federal University, 690922, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10
  • Denis A. Startsev Far Eastern Federal University, 690922, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10
  • Evgeny L. Efremov Far Eastern Federal University, 690922, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10

How to cite

GOST Ivanov D. I., Terekhin B. D., Sheshenya E. O., Startsev D. A., Efremov E. L. Development of a hybrid software system for monitoring erosion processes and evaluating the effectiveness of land reclamation measures using recommender algorithms // Environmental Management Issues. 2025. Vol. 4. No. 5. P. 63-74. DOI: 10.25726/p0563-9718-1005-j
APA Ivanov, D. I., Terekhin, B. D., Sheshenya, E. O., Startsev, D. A. & Efremov, E. L. (2025). Development of a hybrid software system for monitoring erosion processes and evaluating the effectiveness of land reclamation measures using recommender algorithms. Environmental Management Issues, 4(5), 63-74. https://doi.org/10.25726/p0563-9718-1005-j

Abstract

The study addresses the problem of operational monitoring of erosion processes and justification of reclamation measures, bridging the gap between isolated models and practical management needs. The objective is to develop a hybrid software system that integrates physical-geographical modeling and machine learning with recommender algorithms for monitoring, forecasting, and selecting measures across large territories. The scientific novelty lies in the integration of RUSLE and gradient boosting into a unified architecture with a geoinformation database and a multicriteria optimization module, ensuring data compatibility and automation of decision-making. Methods are based on a modular architecture: data acquisition and preprocessing, analytical core, visualization, and decision support. The system uses SRTM 30 m DEM, multispectral images from Landsat 8/9 and Sentinel 2, soil maps, precipitation data from meteorological observations, and ERA5. Implementation is carried out in Python with GDAL/OGR, GeoPandas, Rasterio, Scikitlearn, and TensorFlow, with PostgreSQL/PostGIS as the storage solution. The hybrid model computes R, K, LS, C, and P factors using RUSLE and adjusts forecasts with a boosting model trained on field measurements. The recommender module ranks measures (contour plowing, terracing, shelterbelts, grassing) according to an integral efficiency and cost index. Validation in a pilot area demonstrated improved accuracy compared to baseline RUSLE: for arable land increased from 0.62 to 0.85, for pastures from 0.71 to 0.89, and for forests from 0.78 to 0.92; RMSE and MAE decreased by several tens of percent. The system significantly accelerated processing: the full analysis cycle for 1000 decreased from 391,5 to 36,6 minutes (a 10,69-fold speedup). The recommender module provides a rational compromise between ecological effectiveness and budget, suggesting technically and economically feasible measures. Discussion and sensitivity analysis confirm the dominant influence of factors C and LS: variations produce forecast changes over 30%, while K and R have a lesser effect. The practical significance consists in transitioning from degradation assessment to proactive planning, including scenario modeling and prioritization of measures. Limitations are related to the quality of input data and the need for model updates; future prospects include expanding observation sources, MLOps integration, and enhanced economic assessments. The software system is ready for industrial integration.

Keywords

soil erosion RUSLE gradient boosting recommender system reclamation measures

References

Антонов С.А. Использование современных информационных технологий для выявления и оценки процессов линейной водной эрозии // Бюллетень Ставропольского научно исследовательского института сельского хозяйства. 2015. № 7. С. 7 12.

Аржанухина Е.В., Никишанов А.Н., Прокопец Р.В., Шаврин Д.И., Завадский И.С. Приборы и средства контроля природных процессов на мелиоративных системах: метод. указания к лабор.-прак. занятиям. Саратов, 2012. 44 с.

Банникова А.И. Методика индикативно рейтингового расчета эффективности эксплуатации мелиоративных систем // Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации: мат. ІХ Межд. (13-й Всерос.) конф. мол. уч. и спец. Радужный: Всероссийский научно-исследовательский институт систем орошения и сельхозводоснабжения Радуга , 2016. С. 11-15.

Барышникова Е.В. Применение математиКО аналитических методов для совершенствования технологических процессов строительства и реконструкции гидромелиоративных систем // Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации производства работ в АПК: сб. науч. тр. Новочеркасск: Новочеркасская государственная мелиоративная академия, 2006. С. 37-45.

Босиков И.И. Прогнозирование эрозии почв с применением современных программных средств // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отдел биологический. 2009. Т. 114. № 3 S1-2. С. 85-87.

Босиков И.И., Басиев К.Д. Применение современных программных средств для составления прогноза эрозии почв // Вестник МАНЭБ. 2009. Т. 14. № 5. С. 414-418.

Вопросы методологии изысканий, проектирования и управления гидромелиоративными системами. М.: ВНИИГИМ, 1981. 121 с.

Воробьева Г.Н. Результаты натурных обследований гидромелиоративных сооружений на оросительных системах и методы повышения их качества и долговечности // Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа: мат. конф. 1990. С. 164.

Ларионов Г.А. Разработка гидрофизической модели водной эрозии и соответствующего программного обеспечения для обоснования почвозащитных и водоохранных мер: НИР. Грант № 95 05 15408. Российский фонд фундаментальных исследований. 1995.

Лихацевич А.П., Левин Г.Ю., Саплюков Ф.В., Кузьмичев Д.С. Планирование комплекса эксплуатационных мероприятий на мелиоративных системах с использованием информационных технологий // Современные проблемы сельскохозяйственной мелиорации: мат. Межд. науч.-прак. конф. Минск: Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь, Академия аграрных наук; Белорусский научно-исследовательский институт мелиорации и луговодства, Международное общество по торфу, 2001. С. 217-221.

Муталибов З.М. Разработка методики оценки состояния гидротехнических сооружений с использованием систем искусственного интеллекта // Электроэнергетика сегодня и завтра: мат. 3-й Межд. науч.-техн. конф. Курск, 2024. С. 206-208.

Райнин В.Е., Виноградова Г.Н., Хомутов Ю.А. Методика и результаты прогнозирования развития комплексных мелиораций // Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования. Научное издание. М., 2006. С. 87-109.

Рогачев Д.А. Информационная технология поддержки принятия решений при планировании технической эксплуатации гидромелиоративных систем: дис. канд. техн. наук. Волгоград: Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия, 2009. 200 с.

Романова Т.А., Касьянчик С.А., Котович А.М. Наблюдения и контроль за состоянием мелиоративных систем природных комплексов, прогноз и моделирование // Эколого-экономические принципы эффективного использования мелиорированных земель: мат. конф., посв. 90-летию со дня рождения ак. С.Г. Скоропанова. 2000. С. 50-52.

Сухановский Ю.П., Бахирев Г.И., Здоровцов И.П. Модель управления эрозионными процессами в агроландшафтах. Курск: ВНИИЗИЗПЭ РАСХН, 2004. 13 с.

Issue

Section

INFORMATION AND MANAGEMENT
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.