Sistema de Informação de Observação da Água: Possibilitando o Uso de Dados de Observação da Terra para a Gestão Integrada de Recursos Hídricos em África

O Sistema de Informação de Observação da Água (WOIS) é uma ferramenta de software de código aberto para monitorizar, avaliar e inventariar os recursos hídricos de maneira económica usando dados de Observação da Terra (EO). O WOIS foi desenvolvido no âmbito do projecto TIGER-NET, que é uma componente importante da iniciativa TIGER da Agência Espacial Europeia (ESA) e cujo principal objectivo é apoiar a capacidade de observação da Terra em África para a monitorização dos recursos hídricos. O objetivo do TIGER-NET é apoiar a avaliação por satélite e o monitoramento dos recursos hídricos desde bacias hidrográficas até níveis transnacionais através do fornecimento de um pacote de software gratuito e poderoso, com capacitação associada, às autoridades africanas.

Descrição do Sistema

O WOIS pode ser visto como um sistema multiuso que consiste numa base de dados espacial, instalações para extração e processamento de dados de EO, ferramentas e modelos integrativos orientados para o suporte a decisões, ex. modelação hidrológica e ferramentas de visualização e análise embutidas em GIS. O WOIS foi desenvolvido em torno do QGIS, que atua como interface gráfica de usuário (GUI) front-end. O QGIS foi escolhido como plataforma de integração central, devido à sua GUI clara e acessível, com uma forte comunidade de desenvolvimento, facilidade de implementação de funcionalidades adicionais através de plugins Python e seu alto nível de interoperabilidade com os principais formatos de dados GIS através do uso da Biblioteca de Abstração de Dados Geoespaciais ( GDAL / OGR).

Além disso, a Caixa de Ferramentas do Processamento integrada, anteriormente conhecida como SEXTANTE, traz a capacidade de incorporar facilmente geoalgoritmos de várias aplicações no QGIS. Este funciona como um repositório conjunto para uma ampla gama de algoritmos, alguns nativos do QGIS e outros importados de aplicações externas, como o GRASS GIS ou o Orfeo Toolbox. O suporte para algoritmos do software BEAM, NEST e Sentinel-1 Toolbox da ESA e para a configuração e execução de modelos hidrológicos baseados na SWAT foi adicionado à Caixa de Ferramentas do Processamento durante o desenvolvimento do WOIS. A caixa de ferramentas também permite a fácil incorporação de scripts R e Python personalizados. As entradas e saídas dos algoritmos da Caixa de Ferramentas do Processamento podem ser avaliadas com as capacidades do QGIS de I/O de dados, renderização ou criação de mapas.

Uma das principais vantagens da Caixa de Ferramentas do Processamento é a capacidade de usar facilmente funcionalidades de diferentes fornecedores de algoritmos para processamento e análise de dados. Isso pode ser usado para a criação modelos de processamento automático e, através de um plugin QGIS desenvolvido durante o projeto TIGER-NET, para combinar sequencialmente algoritmos dos diferentes provedores em cadeias de processamento baseadas em assistentes. Esta funcionalidade foi usada para criar uma biblioteca de fluxos de trabalho padronizados (com instruções) para executar tarefas comuns, porém complexas, relacionadas à análise de dados EO na gestão de recursos hídricos.

The WOIS graphical user interface

A interface gráfica do WOIS, incluindo a biblioteca de fluxo de trabalho integrada (centro) e o fluxo de trabalho de processamento baseado em assistente (à direita)

O uso operacional e prático do WOIS para apoiar a gestão integrada dos recursos hídricos na África foi demonstrado através de uma série de casos de demonstração específicos do utilizador cobrindo uma ampla gama de temas e produtos de informação. Estes incluem: qualidade da água do lago; monitorização de inundação; degradação do solo e caracterização da cobertura do solo; mapeamento de corpos d’água e modeção hidrológica. Os casos de demonstração têm várias etapas. Primeiro, fluxos de trabalho de processamento de ponta a ponta personalizados são desenvolvidos para os produtos e aplicações solicitadas. Esses fluxos de trabalho são usados subsequentemente para derivação de produtos em áreas e períodos de tempo significativos, conforme solicitado pelos utilizadores. Na etapa final, os fluxos de trabalho (ou seja, sua estabilidade / desempenho e facilidade de uso), bem como os resultados do produto, são avaliados num diálogo próximo com os utilizadores.

Monitorização de inundações Sentinel-1 da planície de inundação de Caprivi, Namíbia.

Monitorização de inundações Sentinel-1 da planície de inundação de Caprivi, Namíbia.

Conclusão

O desenvolvimento do WOIS representa um exemplo bem-sucedido de um modelo de desenvolvimento colaborativo e orientado para o utilizador, onde as funcionalidades foram projetadas, desenvolvidas e avaliadas por meio de casos designados pelo utilizador para demonstrar o real impacto do sistema na melhoria da gestão da água e planos de gestão integrados de recursos hídricos. O WOIS já está implementado nas principais autoridades africanasque gerem bacias hidrográficas, em vários ministérios e agências africanas, bem como em organizações de pesquisa e humanitárias. Por conseguinte, continuará a desenvolver-se em resposta a requisitos contínuos do utilizador para novas funcionalidades e melhorias funcionais e devido a melhorias gerais de software, algoritmo e metodologia.

O foco particular será garantir o suporte e a implementação da capacidade de processamento do novo sistema de satélites Sentinel, integrando as caixas de ferramentas da ESA Sentinel no WOIS e desenvolvendo fluxos de trabalho de produção dedicados. A próxima versão do WOIS (prevista para a segunda quinzena de abril de 2015) já incorporará o Sentinel-1 Toolbox e vários fluxos de trabalho utilizando este novo conjunto de dados de radar para monitorização de inundação, mapeamento de corpos de água etc. Isto transformará o WOIS em totalmente sistema de monitorização operacional. Através da provisão deste sistema livre de licenças, poderoso e extensível, e através de contínuos esforços de capacitação e formação, o projecto prospera para construir a base para uma extensão, isto é, implantação para outros países e regiões de África e além.

Referências

  • 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,” apresentado no ESA Living Planet Symp., Edinburgh, U.K., Sep. 11–13, 2013.