Создание системы «Вега-Гидро»

С развитием возможностей современных спутниковых систем сильно увеличился круг задач гидрологии, которые можно решать с применением космических методов. Это и задачи мониторинга и оценки рисков наводнений, задачи оценки запаса влаги в речных бассейнах, задачи региональной гидроэкологии и гидроморфологии, задачи, связанные с морфометрией и рельефом речных бассейнов и речных долин, и многие другие. В число таких задач входят:

• сбор и актуализация исходной информации об участках речных долин и других регионов интереса;
• построение физиографических образов бассейнов рек и других регионов интереса на основе собранной информации;
• верификация диагностических параметров моделей по спутниковым измерениям;
• получение входных данных для работы моделей и т.д.

Для их эффективного решения зачастую требуется большое количество результатов тематической обработки спутниковых данных, полученных по разнородным данным, в том числе данным разных спектральных диапазонов, типов, пространственных и временных разрешений. Более того, эти данные должны использоваться и анализироваться не по отдельности, а в комплексе, с использованием специализированного, достаточно сложного инструментария.

В октябре 2024 совместными усилиями ИКИ РАН и ИВП РАН была запущена первая очередь информационной системы «Вега-Гидро» (http://hydro.geosmis.ru/). Система ориентирована на обеспечение работы с данными спутникового мониторинга и результатами их обработки для решения научных задач в области исследования гидрологии суши, в том числе:

• исследований и разработок в области создания и применения методов, технологий и систем спутникового мониторинга водных объектов и околоводных экосистем;
• мониторинга и исследований динамики режима уровней воды в водных объектах, влажности почвы и снежного покрова в речных бассейнах, трансформации устьев рек, ледовых явлений и др.;
• использования результатов мониторинга водных объектов в целях информационного обеспечения научных исследований в области моделирования речного стока, динамики водных потоков, гидрографии речных бассейнов и гидроэкологии;
• использования технологий спутникового мониторинга водных объектов в задачах верификации гидрологических и гидродинамических моделей, развития систем гидрологического и гидроэкологического мониторинга, исследований условий и закономерностей формирования качества воды и экологического состояния водных объектов.

Для запуска системы специалистами обоих институтов были определены первичные наборы необходимых данных и производных продуктов, наборы необходимых инструментов анализа и обработки данных, а также схемы их интеграции. Система позволяет работать с широким диапазоном данных. В их число входят:

• оптические данные высокого и среднего разрешений и «специализированные водные» индексы на их основе;
• радиолокационные данные (Sentinel-1);
• безоблачные композитные данные высокого и среднего разрешений различной временной скважности;
• данные радиоальтиметрии;
• тематические карты (типы растительности, информация о гарях, карты наблюдения открытой водной поверхности и др.).

Основной акцент в системе сделан на специальные продукты, связанные с состоянием и динамикой воды в водоёмах. К таким продуктам относятся различные водные индексы (MNDWI, AWEI, AMWI, WRI и другие), снежные индексы (NDSI и другие), данные о снежном покрове, влагозапасе, открытой водной поверхности, температуре поверхности воды и т.п., а также цифровые модели рельефа. В рамках работ над системой в том числе были разработаны композиты по данным Sentinel-2/MSI, отражающие вероятность наблюдения открытой воды, снега и растительности за заданные периоды времени (сезон, месяц), что позволяет оценивать динамику соответствующих объектов. Пример такого композита вероятности наблюдения открытой воды приведён на рисунке 1.

 
Рисунок 1 — Композит, характеризующий вероятность наблюдения открытой воды, лето 2020 года

Отдельно необходимо отметить данные радиоальтиметрии (альтиметры SRAL, Poseidon-4, SWOT), которые также стало возможно использовать для мониторинга внутренних водоёмов по мере совершенствования приборов. Кроме того, система позволяет работать с большим набором картографических слоёв, характерных именно для задач гидрологии – карт бассейнов и водосборов различных уровней детализации и масштаба, карт гидропостов, водных объектов и т.п.

Кроме инструментов картографического интерфейса, в системе реализован обширный набор инструментов BI-аналитики, обеспечивающих построение многомерных OLAP—кубов на основе имеющихся в системе регулярно обновляющихся данных, которые впоследствии могут быть интегрированы на требуемые пространственные разбиения в заданных разрезах, в том числе с группировкой и фильтрацией по различным критериям. Интегрированные данные могут быть представлены в виде интерактивных таблиц, графиков и карт. Характерной особенностью реализации BI-инструментов в системе «Вега-Гидро» стала возможность агрегации данных не только по единицам административно-территориального деления, но и по бассейнам и водосборам, а также по мелкомасштабным регулярным сеткам для интеграции данных, в том числе в качестве входных, с моделями где используются аналогичные сетки. Пример построения карт классов болот и озёр средствами BI-аналитики для водосбора реки Надым на сетке с ячейкой 10×10 км приведён на рисунке 2.

     
а)                                                                                б)
Рисунок 2 — Карты озёрности (а) и заболоченности (б)
для бассейна реки Надым на сетке с ячейкой