LAB-EL - współpraca z instytutami

Przystosowanie stacji meteorologicznej do generowania dostosowanych do modelu SWAT danych wejściowych do aktualizacji prognoz meteorologicznych – praca w ramach Kapitał Ludzki Narodowa Strategia Spójności – projekt współfinansowany przez Unię Europejską.

Od 10 września 2012 roku rozpoczął się projekt mający na celu integrację sfery naukowej z przemysłem, a szczegółowo nawiązanie współpracy pomiędzy firmą LAB-EL a Instytutem Technologiczno-Przyrodniczym. Projekt jest finansowany z projektu prowadzonego przez firmę Euro-Consult Sp. z o. o.

Cel projektu

Ogólnie celem projektu jest nawiązanie współpracy firmy produkcyjnej z instytutem badawczym. Cel ten można podzielić na bardziej szczegółowe. I tak od strony firmy LAB-EL celem jest udoskonalenie swojego produktu przez dodanie pewnych funkcji ułatwiających jego obsługę i wykorzystanie. Pozwoli to podnieść atrakcyjność oferowanych towarów, poprawi pozycję firmy w stosunku do konkurencji lub nawet pozwoli na zdobywanie nowych rynków zbytu. Ze strony ITP współpraca z LAB-EL daje możliwość wyjścia ze swoim doświadczeniem i osiągnięciami badawczymi do szerokiego grona potencjalnych użytkowników. Zamiast pisać „do szuflady” ludzie dążący do rozwoju gospodarki przez zwiększenie jej innowacyjności będą mogli swoje mniejsze lub większe osiągnięcia oddawać do użytku w innych dziedzinach życia niż tylko nauka.

Przedmiot zainteresowania

W opisywanym projekcie przedmiotem na którym skupiono uwagę jest stacja meteorologiczna LB-741 (a najbliższej przyszłości opracowywana jej następca: moduł zbierania danych LB-490). Długa lista możliwych do podłączenia do niej czujników i urządzeń pomocniczych daje bardzo szeroki wachlarz możliwości jej zastosowania. Choć stacja LB-741 ma bardzo dużą różnorodność możliwych do pomierzenia parametrów, to jej głównym atutem jest jej wysoka niezawodność, dokładność i precyzja pomiaru. Daje to możliwość zastosowania jej w projektach o bardzo wygórowanych wymaganiach dotyczących takich zagadnień jak zarządzanie kryzysowe na wypadek zarówno susz jak powodzi, katastrof ekologicznych, czy zwykłego, codziennego zaopatrzenia mieszkańców w wodę pitną odpowiedniej jakości, czy w końcu zapewnienie przez odpowiednie służby czystej wody w rzekach i jeziorach.

Dokładność pozyskiwanych danych nie budzi wątpliwości i aż się prosi, żeby wykorzystywać je na szeroką skalę. Duża częstotliwość wykonywania pomiarów wielu parametrów daje olbrzymie możliwości ich wykorzystania. Rośnie jednak pracochłonność tego wykorzystania. Przetworzenie wielkich ilości danych do różnego rodzaju zastosowań wymaga znajomości odpowiednich formatów, wymagań i dużo pracy. Poza tym, że opóźnia to czas faktycznego wykorzystania danych, zniechęca do częstej ich aktualizacji. Z tego powodu podjęto prace nad wykonaniem interfejsu, który w maksymalnym stopniu ułatwi przetworzenie do odpowiednich formatów, zapis do wymaganych plików, do zastosowania w dziedzinie ochrony środowiska, gospodarce wodnej i ochronie przed zanieczyszczeniami pochodzenia rolniczego.

Skąd pomysł

ITP z powodzeniem przeprowadziło projekt: "Pilotażowe wdrożenie Ramowej Dyrektywy Wodnej i budowa narzędzi do zarządzania zlewnią". Trwał on 4 lata i wykonywany był przez koordynatora – ITP (dawniej Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa i Instytut Melioracji i Użytków Zielonych) we współpracy z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk i Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Celem i głównym jego efektem było utworzenie narzędzia dla ludzi i instytucji zajmujących się zarządzaniem i ochroną wód, które pomogłoby im w podejmowaniu decyzji. Do takiego zadania doskonale nadają się modele komputerowe. Umożliwiają one z dużym prawdopodobieństwem określić, jakie skutki będą miały różnego rodzaju działania, projekty, czy inwestycje przeprowadzone na terenie zlewni. Wybór padł na bardzo popularny prawie na całym świecie, ale nie w Polsce, model SWAT.

Model SWAT

Model SWAT wykorzystuje znane procesy fizyczne do opisu zjawisk zachodzących w przyrodzie. Obliczane są przepływy wody, oraz rozpuszczonych w niej związków azotu i fosforu. Obszar, jaki może być modelowany to zlewnia rzeki lub jej fragment. Do utworzenia modelu zlewni potrzebne są liczne dane dotyczące jej ukształtowania, występujących na jej terenie gleb, pokrycia terenu, sposobu użytkowania, a także danych meteorologicznych. Ze względu na duże ilości wymaganych danych do ułatwienia ich wprowadzania i modyfikacji utworzone były interfejsy w programach z grupy Systemów Informacji Geograficznej (Geographic Information System – GIS) takich jak GRASS, ArcView, ArcGIS, czy MapWindow. Schemat pracy z modelem poprzez interfejs pokazany jest na rysunku.

Na rysunku model SWAT to kostka po prawej stronie. Duży prostokąt przedstawia interfejs. W nim wprowadzane są liczne dane, następnie przetwarzane są one do wymaganego formatu. Po lewej stronie przedstawione są "surowe" dane wejściowe. Większość z nich jest bardzo mało zmienna w czasie. Cyfrowy model terenu przedstawiający ukształtowanie terenu, mapa hydrograficzna przedstawiająca sieć cieków, czy mapa glebowa nie wymagają aktualizacji. Pokrycie terenu przy modelowaniu dłuższych okresów, może wymagać wprowadzenia niewielkich zmian. Inaczej jest z danymi meteorologicznymi. Chcąc mieć aktualny model zlewni konieczne jest ciągłe dodawanie najnowszych danych.

W czasie wykonywania w instytucie projektu aktualizacja danych meteorologicznych była kłopotliwym elementem, który na dodatek generował liczne błędy. Dlatego właśnie postanowiono proces ten zautomatyzować. Dane meteorologiczne pozyskiwane przez stację meteorologiczną LB-741 spełniają wymagania stawiane przez model. Podjęto więc działania mające na celu maksymalne ułatwienie wykorzystania tej stacji i pochodzących z niej danych do aktualizacji modelu hydrologicznych utworzonych z wykorzystaniem SWAT i interfejsu w ArcGIS. Dodatkowy program będzie częścią składową najbliższej edycji programu LBX