Sistema Informativo e di Osservazione dell’Acqua: Abilitare l’Uso di Dati di Osservazione della Terra per la Gestione Integrata della Risorsa Idrica in Africa

Il Sistema Informativo e di Osservazione dell’Acqua (WOIS) è uno strumento software open source per monitorare, valutare e inventariare risorse idriche in maniera economicamente efficiente utilizzando dati per l’Osservazione della Terra (EO). Il WOIS è stato sviluppato nell’ambito del progetto TIGER-NET, che rappresenta la componente principale dell’iniziativa TIGER dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) il cui principale scopo è supportare la capacità di osservazione del Continente Africano per il monitoraggio della risorsa idrica. TIGER-NET mira a supportare la valutazione e il monitoraggio satellitare della risorsa idrica dallo spartiacque ai livelli transfrontalieri del bacino attraverso la fornitura alle autorità africane di un pacchetto software gratuito e potente, con associate capacità di sviluppo.

Descrizione del sistema

Il WOIS può essere visto come un sistema multiuso costituito da un database spaziale, strutture per l’estrazione e l’elaborazione dei dati EO e strumenti e modelli integrativi volti al supporto decisionale, ad es. modellazione idrologica e strumenti di visualizzazione e analisi incorporati nel GIS. Il WOIS è progettato attorno a QGIS, che funge da interfaccia grafica utente (GUI) front-end. QGIS è stato scelto come piattaforma di integrazione centrale, grazie alla sua GUI chiara e accessibile, alla forte comunità di sviluppo, alla facilità di implementazione di funzionalità aggiuntive tramite plugin Python e al suo alto livello di interoperabilità con i principali formati di dati GIS attraverso l’uso della Geospatial Data Abstraction Library (GDAL/OGR).

Inoltre, il Processing Toolbox integrato, precedentemente noto come SEXTANTE, offre la capacità di incorporare facilmente algoritmi di geoprocessing da varie applicazioni in QGIS. Funziona come un archivio comune per un’ampia gamma di algoritmi, alcuni nativi di QGIS e altri importati da applicazioni esterne, come GRASS GIS od Orfeo Toolbox. Il supporto per gli algoritmi del software BEAM, NEST e Sentinel-1 Toolbox dell’ESA e per l’impostazione e l’esecuzione di modelli idrologici basati su SWAT è stato aggiunto al Processing Toolbox durante lo sviluppo di WOIS. La casella degli strumenti consente inoltre di incorporare facilmente script R e Python personalizzati. Gli input e gli output degli algoritmi di Processing Toolbox possono essere valutati con le capacità di QGIS di I/O dei dati, rendering o creazione di mappe.

Un vantaggio chiave di Processing è la capacità di utilizzare senza problemi funzionalità di diversi fornitori di algoritmi per l’elaborazione e l’analisi dei dati. Questo può essere usato per creare modelli di elaborazione automatica e, attraverso un plugin QGIS sviluppato durante il progetto TIGER-NET, per combinare in sequenza gli algoritmi dei diversi fornitori in catene di elaborazione basate su procedure guidate. Questa funzionalità è stata utilizzata per creare una libreria di flussi di lavoro standardizzati (con istruzioni) per l’esecuzione di attività comuni ma complesse relative all’analisi dei dati EO nella gestione delle risorse idriche.

The WOIS graphical user interface

L’interfaccia grafica WOIS, inclusa la libreria del flusso di lavoro (centro) e il flusso di lavoro basato su procedura guidata (a destra)

L’uso operativo e pratico del WOIS per sostenere la gestione integrata delle risorse idriche in Africa è stato dimostrato attraverso una serie di casi dimostrativi che coprono una vasta gamma di temi. Questi includono: la qualità dell’acqua dei laghi; il monitoraggio delle inondazioni; il degrado del territorio e la caratterizzazione dei suoli; la mappatura di corpi idrici e la modellizzazione idrologica. I casi dimostrativi hanno diverse fasi. Innanzitutto vengono sviluppati flussi di lavoro personalizzati e completi per i prodotti e le applicazioni richiesti. Tali flussi di lavoro vengono successivamente utilizzati per la derivazione del prodotto su aree significative e periodi di tempo richiesti dagli utenti. Nella fase finale, i flussi di lavoro (vale a dire la loro stabilità / prestazioni e facilità d’uso) così come i risultati del prodotto sono in fase di valutazione in stretto dialogo con gli utenti.

Monitoraggiocon Sentinel-1 delle inondazioni della pianura alluvionale di Caprivi, Namibia.

Monitoraggiocon Sentinel-1 delle inondazioni della pianura alluvionale di Caprivi, Namibia.

Conclusioni

Lo sviluppo di WOIS rappresenta un esempio di successo di un modello di sviluppo collaborativo e basato sull’utente, in cui le funzionalità sono state progettate, sviluppate e valutate attraverso casi proposti dall’utente al fine di dimostrare l’impatto reale del sistema sul miglioramento della gestione dell’acqua e sui piani di gestione integrati delle risorse idriche. Il WOIS è già implementato nelle principali autorità dei bacini idrografici africani, in diversi ministeri e agenzie africani, nonché in organizzazioni di ricerca e umanitarie. Continuerà quindi a svilupparsi in risposta a continue richieste degli utenti per nuove funzionalità e miglioramenti funzionali e grazie a miglioramenti generali di software, algoritmi e metodi.

Un’attenzione particolare sarà rivolta a garantire il supporto e l’implementazione della capacità di elaborazione per il nuovo sistema satellitare Sentinel integrando gli strumenti ESA Sentinel in WOIS e sviluppando flussi di lavoro dedicati. La prossima versione di WOIS (prevista nella seconda metà di aprile 2015) includerà già Sentinel-1 e una serie di flussi di lavoro che utilizzano questo nuovo set di dati radar per il monitoraggio delle inondazioni, la mappatura del corpo idrico, ecc. Questo trasformerà WOIS in un sistema di monitoraggio pienamente operativo. Attraverso la fornitura di questo sistema con licenza libera, potente ed estensibile, e attraverso il continuo sviluppo delle capacità e degli sforzi di formazione, il progetto si sforza di costruire le basi per un’ulteriore estensione, vale a dire il lancio in altri paesi e regioni in Africa e oltre.

Riferimenti

  • Bauer-Gottwein, P., Jensen, I. H., Guzinski, R., Bredtoft, G. K. T., Hansen, S., & Michailovsky, C. I. (2015). Operational river discharge forecasting in poorly gauged basins: the Kavango River basin case study. Hydrology and Earth System Sciences, 19(3), 1469-1485.

  • Guzinski, R.; Kass, S.; Huber, S.; Bauer-Gottwein, P.; Jensen, I.H.; Naeimi, V.; Doubkova, M.; Walli, A.; Tottrup, C. Enabling the Use of Earth Observation Data for Integrated Water Resource Management in Africa with the Water Observation and Information System. Remote Sens. 2014, 6, 7819-7839.

  • Walli, A., Tottrup, C., Naeimi, V., Bauer-Gottwein, P., Bila, M., Mufeti, P., Tumbulto, J.W., Rajah, C., Moloele, L.S. & Koetz, B. “TIGER-NET—Enabling an earth observation capacity for integrated water resource management in Africa,” presented at the ESA Living Planet Symp., Edinburgh, U.K., Sep. 11–13, 2013.