C2.01. Географическая информационная система

Географическая информационная система (ГИС) используется для сбора, визуализации, обработки и оценки пространственно-временных данных. ГИС — это чрезвычайно универсальный инструмент, который может применяться для поддержки различных решений, связанных с управлением водными ресурсами, — картирование землепользования, измерение водосборных площадей, измерение потоков в реальном времени во время наводнений, измерение доступности питьевой воды и т. д. В данном документе подробно описаны две ключевые модели данных в ГИС и обсуждается потенциал ГИС для поддержки комплексного управления водными ресурсами.

Что такое ГИС?

ГИС — это система, использующая пространственные и временные данные для обработки и создания карт всех видов. Анализ с помощью ГИС полезен для поддержки принятия решений и используется практически во всех отраслях, например, социологи проводят анализ для понимания продовольственной безопасности в городских районах, геодезисты используют ее для геопривязки старых карт к глобальной системе координат, гидрологи оценивают приблизительный сток и размер водосборного бассейна для проектирования плотин и т. д.

Для эффективной работы ГИС необходимы данные. Пространственные данные можно собирать различными способами, включая медленные и трудоемкие топографические съемки или современные методы дистанционного зондирования, такие как снимки, полученные с помощью дронов, самолетов и спутников. После сбора пространственных данных можно связать описательную информацию для проведения различных полезных анализов, как упоминалось выше.

Модели данных в ГИС

Пространственные данные могут быть получены и представлены в двух форматах:

• Векторные данные: Большинство карт, содержащих отдельные точки, линии или многоугольники, относятся к векторным данным в рамках заданной системы координат, которая обычно основана на широте и долготе или проекционной системе, состоящей из координат севера и востока. Векторные данные полезны для отображения реальных объектов, таких как деревья (в виде точек), дороги и реки (в виде линий), а также здания и озера (в виде многоугольников), для точного отображения их размеров.
• Растровые данные: Все данные, полученные с помощью изображений, относятся к растровым данным. В этом случае данные хранятся в виде пикселей, разрешение которых, в свою очередь, зависит от разрешения устройства захвата изображения. Более высокое разрешение приводит к большему количеству пикселей и, следовательно, к более детальному сбору данных. Информация хранится в виде значений X, Y и Z для каждого пикселя, а объекты обнаруживаются на основе схожих значений. Растровые данные могут приводить к значительным ошибкам в значениях, если разрешение недостаточно высокое, и точное определение границ объектов становится затруднительным. Однако они полезны для создания цифровых моделей рельефа (ЦМР) и обладают большей совместимостью с данными дистанционного зондирования.

Одним из главных преимуществ ГИС является возможность использования и комбинирования векторных и растровых данных для проведения точного анализа. Например, растровое изображение наводнения можно нанести на карту города или района, чтобы быстро оценить масштабы затопления. Аналогичным образом, данные за предыдущие годы можно анализировать совместно для прогнозирования наводнений, проектирования убежищ от наводнений и сооружений для смягчения их последствий и т.д.

Программное обеспечение ГИС

В сфере ГИС ряд компаний разработали программное обеспечение для различных секторов, а также для отраслей внутри каждого сектора. Следующие материалы могут помочь специалистам:

• ESRI ArcGIS — одно из самых популярных программных обеспечений ГИС, обладающее широкой совместимостью. ESRI предлагает множество функций, таких как геопривязка карт, создание новых карт, наложение карт друг на друга и выполнение сложных анализов. Кроме того, ArcGIS имеет обширную библиотеку карт, которую можно приобрести и загрузить.
• QGIS — это ещё одно программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое обладает практически всеми теми же функциями, что и ArcGIS, с преимуществом использования без покупки лицензии, но за счёт некоторой нестабильности программного обеспечения и меньшего количества вариантов в плане библиотек карт.
• Google Earth позволяет пользователю проводить элементарный ГИС-анализ, например, измерять расстояния и площади и т. д. GlobalMapper , Surfer и Maptitude — другие известные ГИС-приложения, которые можно использовать для анализа пространственных и временных данных.
• Dynamic World — это недавно запущенная платформа, предоставляющая пользователям глобальные наборы данных о землепользовании в режиме, близком к реальному времени. Это особенно полезно, поскольку наша планета постоянно меняется. Ключевые инновации Dynamic World включают: (i) более 5000 динамических изображений мира, создаваемых ежедневно, (ii) вероятности для каждого пикселя по 9 классам землепользования и (iii) разрешение в десять (10) метров (Dynamic World, 2022).

Использование ГИС-приложений ограничено без данных, а получить данные иногда бывает сложно. Растровые изображения высокого разрешения и подробные векторные шейп-файлы часто стоят дорого и зачастую недоступны для развивающихся стран. Сайт Earth Explorer Геологической службы США (USGS) предлагает растровые изображения различного разрешения бесплатно в течение ограниченного времени. Аналогичным образом, DIVA-GIS.org — еще один бесплатный источник данных ГИС.

Применение ГИС в управлении водными ресурсами

ГИС играет важную роль в управлении водными ресурсами, поскольку она может напрямую способствовать принятию решений на основе фактических данных, преобразуя данные в полезные результаты. Некоторые примеры применения ГИС в области управления водными ресурсами включают:

• Управление подземными водами: ГИС широко используется для моделирования водоносных горизонтов, обработки данных о глубине, солености и других биофизических параметрах качества воды. ГИС может выполнять моделирование перемещения загрязняющих веществ по водоносным горизонтам (Rivett et al, 2021).
• Управление водосборными бассейнами: ГИС используется для анализа речных потоков и влияния различных вариантов управления (Чандрашекар и др., 2015). Приложения ГИС часто сочетаются с методами участия для комплексного управления водосборными бассейнами (Ролласон и др., 2018).
• Орошение: Программное обеспечение ГИС было объединено с программным обеспечением для орошения для моделирования графиков орошения и сценариев стока (Камал и Амин, 2019). Оно также использовалось для мониторинга урожайности и состояния земель с течением времени (Чулибрк, 2013).
• Водоснабжение, санитария и гигиена (WASH): инфраструктура, такая как скважины и туалеты, отображается на картах с использованием мобильного программного обеспечения ГИС, например, mWater. Платформа обмена данными о точках водоснабжения (WPDx) также широко используется для обмена данными о точках водоснабжения в сельских районах развивающихся стран.
• Управление наводнениями: ГИС используется в сочетании с дистанционным зондированием для моделирования сценариев наводнений, морских приливов и повышения уровня моря (Ополот, 2013). ГИС может помочь в картировании районов, подверженных наводнениям, и поэтому является важным инструментом, который следует учитывать при разработке планов управления наводнениями (Инструмент A3.07).
• Управление засухой: Многовременные спутниковые данные, обработанные с помощью ГИС, могут помочь в мониторинге и прогнозировании засухи (Belal et al., 2014). Европейская обсерватория засухи использует моделирование ГИС для создания карт, отображающих закономерности выпадения осадков и прогнозы засухи. Инструменты ГИС полезны в контексте разработки и внедрения комплексных планов управления засухой (Инструмент A3.06).