De Big Data Revolutie in Water Management

Gepubliceerd: 26 augustus 2016

Satellietbeelden laten haarscherp zien wat de invloed is van menselijke activiteiten. Monteer je deze beelden achter elkaar, dan zie je de veranderingen zich als in een film voltrekken. Grootschalige infrastructurele werken, zoals de aanleg van waterreservoirs en landaanwinning, zijn goed te volgen vanuit de ruimte. Ook natuurlijke veranderingen, zoals het meanderen van rivieren en de vorming van delta’s zijn te zien op satellietbeelden.

De Aqua Monitor

De Aqua Monitor is een nieuwe web app waarmee je kunt volgen hoe watersystemen veranderen in de tijd. De Aqua Monitor maakt gebruik van Google Earth Engine en is via internet beschikbaar voor een breed publiek. PhD onderzoeker Gennadii Donchyts heeft een algoritme ontwikkeld, waarmee water automatisch wordt herkend in de satellietbeelden.

Het verwerken van de satellietbeelden is een rekenintensief proces, dat door het Google Earth Engine platform wordt gedaan. Tijdens zijn PhD onderzoek heeft Gennadii vele terabytes aan data verwerkt. Stap voor stap heeft hij zijn algoritmes verbeterd en nieuwe mogelijkheden verkend. Hij heeft zijn onderzoek gepubliceerd in Nature Climate Change.

De Aqua Monitor uitgelegd door Gennadii Donchyts, Fedor Baart en Jaap Kwadijk (Deltares).

Van globaal naar lokaal

Het bijzondere aan de Aqua Monitor is dat je globale analyses kunt maken en tegelijkertijd tot op lokaal niveau kunt inzoomen. Een mondiaal vraagstuk zoals aanhoudende droogte kun je illustreren met lokale voorbeelden van opdrogende reservoirs.

Ook maakt de Aqua Monitor het mogelijk om in bovenstroomse gebieden te onderzoeken welke veranderingen zijn opgetreden in het watersysteem. Dergelijke informatie is waardevol voor het opstellen van stroomgebiedsplannen.

Aral Sea

Het opdrogen van het Aralmeer op de grens van Kazachstan en Oezbekistan. Heldergroen: nieuw land.

Een moderne historische atlas van de wereld

Een van mijn favoriete boeken is de historische atlas. De verschuivende grenzen op de oude kaarten vertellen talloze verhalen uit de wereldgeschiedenis. De Aqua Monitor biedt iets vergelijkbaars: je kunt nu zien hoe onze wereld de afgelopen dertig jaar is veranderd. Het is een sport om op zoek te gaan naar de meest spectaculaire veranderingen in de kustlijn, of geheime projecten in ver gelegen landen, waarvan je het bestaan niet vermoedde.

Dubai

Landaanwinning voor de kust van Dubai. Heldergroen: nieuw land.

Het einde van simulatiemodellen?

De lancering van de Aqua Monitor roept ook vragen op. Tot nu toe werden animaties die veranderingen in watersystemen tonen, veelal met modellen gemaakt. Kunnen we binnenkort alle antwoorden vinden in de data, die met steeds hogere resolutie wordt verzameld? Het grote publiek krijgt bovendien toegang tot informatie, die voorheen alleen aan onderzoekers was voorbehouden. Maakt dat de rol van modellen en modelleurs overbodig?

Op deze vraag heb ik een genuanceerd antwoord.

Vroeger werd bij gebrek aan gedetailleerde data vaak een model gebruikt om een animatie te maken die laat zien hoe een watersysteem functioneert. Nu kun je een animatie maken op basis van de data. Het is niet langer nodig om gaten in datasets op te vullen met gesimuleerde data.

Onderzoekers en modelleurs onderscheiden zich van het brede publiek, doordat zij de data kunnen interpreteren. Zij hebben kennis van de processen die zich afspelen in de watersystemen, en kunnen uitspraken doen over oorzaken, gevolgen en maatregelen.

Satellietbeelden van het verleden vertellen bovendien weinig over de toekomst. Voor het maken van toekomstscenario’s en het ontwerpen van maatregelen heb je nog steeds modellen nodig. De hoog resolute data kunnen het opzetten van simulatiemodellen wel versnellen, zeker als de verwerking van data tot invoer voor simulatiemodellen wordt geautomatiseerd.

Inspiratie voor modelleurs

De ontwikkeling van de Aqua Monitor is een voorproefje van wat we met onze simulatiemodellen willen bereiken. We beschikken inmiddels over een aantal globale modellen, zoals een Delft3D Flexible Mesh model dat alle zeeën en oceanen omspant, en grondwatermodellen voor alle continenten op aarde.

We werken toe naar een situatie, waarin je, startend met een globaal model, kunt inzoomen op een regio waar zich een probleem voor doet.

grid_mediteranean_area-01-735x735

Het mondiale Delft3D Flexible Mesh model voor alle zeeën en oceanen op aarde.

Voor dit inzoomen vanuit een globaal model hebben we al een aantal ingrediënten beschikbaar. Flexibele rekenroosters maken het mogelijk om een rooster lokaal te verfijnen. Met hoge resolutie gegevens kunnen deze fijne roostercellen van gedetailleerde terreinmodellen worden voorzien.

De uitdaging ligt in de verfijning die nodig is om processen op lokale schaal goed te modelleren, en het meenemen van allerhande sturingsregels van man made kunstwerken.

De Aqua Monitor in de praktijk

Iedereen kan de Aqua Monitor gebruiken, zowel de consultant die een klantvraag moet beantwoorden, als de geïnteresseerde burger die wil inzoomen op zijn achtertuin. De vrij beschikbare data zorgt voor een level playing field voor alle stakeholders die bij het waterbeheer betrokken zijn. Iedereen heeft de mogelijkheid om een snelle eerste analyse van de situatie te maken, en beschikt over informatie over de situatie bij de bovenstroomse en benedenstroomse buren.

Maasvlakte2_2

Veranderingen in de Nederlandse delta tussen 2000 en 2015: landaanwinning Maasvlakte 2 als uitbreiding van de haven (linksonder), de Zandmotor (langs de kust) een nieuwe waterberging in de Eendrachtspolder (rechts). Heldergroen: nieuw land. Helderblauw: nieuw water.

De Aqua Monitor focust op veranderingen in water- en landoppervlak. Satellietbeelden bevatten nog veel meer informatie. Onderzoekers van Deltares onderzoeken momenteel hoe informatie over de ecologische toestand van watersystemen op vergelijkbare wijze getoond kan worden. Bijvoorbeeld het optreden van grootschalige algenbloei.

Conclusie

De Aqua Monitor maakt mondiale data toegankelijk voor watermanagement op regionale en lokale schaal. De big data revolutie geeft alle stakeholders die bij watermanagement betrokken zijn een toegankelijk analyse instrument. Zo kun je alle veranderingen in de watersystemen van de afgelopen decennia samenvatten tot een korte en krachtige videoclip.