Water Observation and Information System: використання даних дистанційного зондування для інтегрованого управління водними ресурсами в Африці

Water Observation and Information System (WOIS) це вільне програмне забезпечення для моніторингу, оцінки та інвентаризації водних ресурсів в економічно ефективний спосіб з використанням даних дистанційного зондування Землі (ДДЗ). WOIS було розроблено в межах проекту TIGER-NET, який є основним компонентом ініціативи TIGER Європейської Космічної Агенції (ESA) і основна мета якого — підтримка дистанційного зондування Африки для моніторингу водних ресурсів. TIGER-NET спрямований на оцінку на основі даних супутникового монуторингу водних ресурсів від водорозділу до транс-кордонних рівнів басейнів шляхом надання вільного та потужного програмного пакету африканським установам.

Опис системи

WOIS можна розглядати як багатоцільову систему, яка складається з просторової бази даних, інструментів обробки ДЗЗ та інтегруючих інструментів та моделей для підтримки прийняття рішень, наприклад, гідрологічне моделювання та вбудована візуалізація. WOIS побудований на QGIS, яка виступає в ролі графічного інтерфейсу користувача (GUI). QGIS було вибрано в якості основної платформи через її простий інтерфейс користувача, потужне співтовариство, легкість реалізації додаткових функцій за допомогою Python плаґінів та високий рівень підтримки основних ГІС-форматів завдяки використанню бібліотеки GDAL/OGR.

Крім того, інтегроване середовище Processing Toolbox, раніше відоме як SEXTANTE, дає можливість легко використовувати можливості інших застосунків. Воно виступає в ролі центрального репозиторію для великої кількості алгоритмів, як вбудованих в QGIS, так і зі сторонніх програм, наприклад GRASS GIS чи Orfeo Toolbox. Під час розробки WOIS в Processing було додано підтримку алгоритмів EAS BEAM, NEST та Sentinel-1 Toolbox, а також можливість створювати за запускати модели гідрологічного аналізу SWAT. Processing також дозволяє створювати власні сценарії R та Python. Перегляд результатів роботи алгоритмів Processing можна здійснювати завдяки можливостям QGIS з візуалізації, створення друкованих карт чи збереження у різних форматах.

Основною перевагою Processing є можливість прозорого використання алгоритмів з різних джерел. Завдяки цьому можна створювати моделі та об’єднувати їх у покрокові майстри обробки, що й було зроблено в межаж проекту TIGER-NET шляхом створення плагінів. Цей функціонал було використано для створення бібліотеки стандартизованих процесів (з інструкціями) для проведення складних видів аналізу ДДЗ з метою управління водними ресурсами.

The WOIS graphical user interface

Графічний інтерфейс WOIS, включаючи вбудовану бібліотеку процесів (в центрі) та покроковий аналіз у вигляді майстра (справа)

Операційне та практичне застосування WOIS для підтримки інтегрованого управління водними ресурсами в Африці було продемонстроване у різних ситуаціях з використанням різних наборів даних та продутів на їх основі. Включаючи: якість води в озерах, моніторинг паводків, деградація земель та характеризація земельного покрову, картографування водних об’єктів та гідрологічне моделювання. Демонстрація проводилась в декілька етапів. Спочатку розроблялися робочі процеси для наявних даних. Ці процеси використовувалися для виявлення значущих областей та періодів. На фінальному етапі робочі процеси (а саме їх стабільність/швидкість роботи, простота використання тощо) оговорювались з кінцевими користувачами

Моніторинг паводків за даними Sentinel-1 на Смузі Капріві, Намібія

Моніторинг паводків за даними Sentinel-1 на Смузі Капріві, Намібія

Підсумки

Розробка WOIS є прикладом спільної розробки, яка управляється користувачами, коли необхідний функціонал проектується, розробляється та перевіряється на основі наданих користувачами даних, щоб продемонструвати реальний вплив системи управління водними ресурсами. WOIS вже впроваджено на всіх основних річкових басейнах Африки та в деяких міністерствах і агенціях, а також в дослідницьких та гуманітарних організаціях. Тому система буду продовжувати розвиватися і відповідь на запити користувачів.

Основний акцент буде зроблено на підтримку нових супутників Sentinel, шляхом інтеграції Sentinel Toolbox у WOIS та розробку спеціалізованих процесів аналізу. Наступний випуск WOIS (у першій половині квітня 2015 р.) буде підтримувати Sentinel-1 Toolbox та надавати ряд алгоритмів для обробки даних цієї нової радарної системи для моніторингу паводків, картографування водних об’єктів тощо. Таким чином WOIS перетвориться на повноцінну систему моніторингу. Завдяки використанню вільної ліцензії, потужної та модульної системи та наявності шляхів подальшого розвитку, проект має потенціал для розширення, наприклад, запровадження в інших країнах та регіонах Африки, а також за її межами.

Публікації

  • 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.