Monitoramento florestal de alta tecnologia, em tempo real e de longo prazo

Fonte: Mongabay Series: Evolving Conservation, Global Forests (by Claire Asher on 13 July 2023)

• Esta minissérie Mongabay em quatro partes examina as mais recentes soluções tecnológicas para ajudar os projetos de plantio de árvores a alcançar escala e eficiência a longo prazo. O uso dessas abordagens inovadoras pode ser vital para atingir as metas internacionais de reparar ecossistemas degradados, sequestrar carbono e restaurar a biodiversidade.

• Muitas pessoas veem o reflorestamento como uma solução rápida para a emergência climática, mas os projetos de plantio de árvores muitas vezes não conseguem implementar os programas de monitoramento necessários para rastrear as florestas recém-plantadas. Tradicionalmente, o monitoramento florestal é feito manualmente, uma árvore por vez, o que é extremamente caro e demorado.

• Os satélites mapeiam e remapeiam todo o planeta diariamente, fornecendo dados em tempo real que podem ser usados para monitorar florestas remotamente. Os drones podem sobrevoar ou através das florestas para coletar dados sobre o crescimento das árvores, preenchendo a lacuna entre as medições no local e os satélites distantes.

• Sensores podem ser instalados para monitorar árvores individualmente, enquanto as pessoas podem coletar e analisar os dados eletronicamente de um local mais seguro e de fácil acesso. Vários sensores podem formar uma rede distribuída que retorna informações detalhadas sobre o crescimento de cada árvore em enormes parcelas de reflorestamento.

 

 

“Plante uma árvore!” nas últimas décadas, tornou-se um grito de guerra ecológico banal para vários megaprojetos de reflorestamento divulgados na mídia por celebridades, empresas e governos.

Mas esses projetos, em geral, alcançaram resultados ruins, não devido à falta de entusiasmo dos voluntários que empunham pás e plantam sementes, mas por causa do que acontece depois que as câmeras de vídeo desaparecem. O que muitas vezes não é nada, ou quase nada.

Muitas pessoas veem o reflorestamento como uma solução rápida para a emergência climática, mas os projetos de plantio de árvores muitas vezes não conseguem implementar os programas de monitoramento de longo prazo necessários para rastrear as árvores recém-plantadas em seus estágios iniciais de desenvolvimento e oferecer apoio direcionado imediato quando essas árvores mostram sinais de luta.

“Muitos desses projetos falham logo no início por esse motivo”, disse Cynthia Gerlein-Safdi, ecohidrologista da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

Medições laboriosas

Uma razão para todos os fracassos: monitorizar uma floresta inteira ao longo de vários anos é uma tarefa enorme, que exige esforço laborioso, dinheiro e a acumulação e análise de grandes conjuntos de dados.

O monitoramento geralmente requer medições repetidas do diâmetro das árvores plantadas em uma altura consistente acima do solo da floresta. Essas medições são usadas para gerar estimativas brutas da altura total, do volume da árvore e da quantidade de carbono armazenado em seus tecidos. Estes dados de árvores individuais — somados para todo o local — são cruciais não só para determinar se uma floresta recentemente plantada está a prosperar ou a fracassar, mas também para atribuir com precisão valor aos serviços ecossistêmicos que presta, como o sequestro de carbono.

Medir milhares de árvores manualmente é repetitivo, demorado, caro e pode ser perigoso se o local de restauração estiver em uma área inacessível. Também tende a gerar dados de baixa qualidade, diz Esthevan Gasparoto, CEO da Treevia, uma startup de monitoramento florestal no Brasil.

O custo e o tempo envolvidos significam que, mesmo quando existem programas de monitorização da qualidade, as medições das árvores são geralmente recolhidas apenas uma vez a cada cinco ou 10 anos, tornando difícil uma resposta rápida se a floresta estiver em dificuldades.

“Acho que o problema número um é apenas o tamanho” das parcelas de reflorestamento, diz Gerlein-Safdi. “É um esforço muito demorado para cobrir estas grandes áreas” – um desafio que é agravado se o local reflorestado for particularmente difícil de acessar. “É aí que o sensoriamento remoto pode ajudar”, diz ela.

Sensoriamento remoto é um termo que engloba um grupo de tecnologias que, quando combinadas, podem coletar dados detalhados sem pisar em uma floresta. Inclui monitoramento com satélites, drones, aviões e sensores florestais.

Monitoramento de cima

Os satélites são agora onipresentes na órbita da Terra, capturando imagens e características da superfície quase constantemente. Os cientistas deram muitos usos a estes vastos conjuntos de dados, incluindo a monitorização de florestas — tanto naturais como plantadas.

“A grande vantagem dessas técnicas é que você pode monitorar um espaço muito grande”, explica Gerlein-Safdi. “Eles são muito poderosos neste aspecto.”

Eles também não são limitados pelo afastamento de um local, porque os satélites estão constantemente mapeando e remapeando todo o planeta. “Você vai ter informações onde quer que aconteça o plantio”, acrescenta.

 Os satélites são equipados com uma variedade de equipamentos de monitoramento, portanto, podem fornecer diferentes tipos e escalas de informações. Muitos coletam dados ópticos, que podem oferecer uma medida relativamente simples do crescimento da floresta. “É como se você estivesse tirando uma foto do céu olhando para a Terra e vendo o verde da floresta”, explica Gerlein-Safdi.

Alguns satélites são equipados com sensores mais avançados que fornecem informações mais detalhadas. Usando câmeras multiespectrais ou hiperespectrais, os cientistas podem comparar a intensidade da luz medida em diferentes comprimentos de onda e gerar um índice de vegetação, que mede o quão verde a floresta realmente é. Este índice pode ser comparado com outras florestas, ou com a mesma floresta em um momento anterior.

“Se vemos uma tendência ascendente da floresta tornando-se mais verde, então podemos supor que isso significa que a maioria das árvores, pelo menos, são saudáveis e prósperas”, disse Gerlein-Safdi.

Vendo fotossíntese e armazenamento de carbono do espaço

As câmeras hiperespectrais também podem aproveitar a luz emitida pelas folhas durante a fotossíntese, usando uma técnica conhecida como fluorescência de clorofila induzida pelo sol (SIF), para monitorar a produtividade da floresta.

“Quando eles estão fazendo a fotossíntese, às vezes eles obtêm muita energia do sol … e então eles liberam fótons no infravermelho próximo [comprimento de onda], e podemos ver esses fótons de satélites”, explica Gerlein-Safdi.

O SIF é particularmente útil para monitorar projetos de reflorestamento em paisagens onde a vegetação é menos verde. Por exemplo, o laboratório de pesquisa de Gerlein-Safdi usou a tecnologia em ambientes áridos, onde as plantas têm menos folhas e menores. “Você não vê um grande sinal verde, mas ainda pode ver os fótons sendo emitidos pelas folhas durante a fotossíntese”, explicou ela.

Em 2018, um grande avanço veio com o lançamento do programa Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI), que montou scanners a laser lidar na Estação Espacial Internacional (ISS) para produzir mapas 3D de alta resolução das copas das florestas.

O Lidar reflete a luz do laser na superfície da Terra e mede quanto tempo essa luz leva para retornar à ISS. Ele pode estimar a altura das árvores em uma floresta inteira, fornecendo uma análise muito mais detalhada do crescimento da floresta e do sequestro de carbono.

No entanto, o monitoramento por satélite não é uma solução completa de monitoramento florestal. Para começar, esse tipo de dado não revela muito sobre os primeiros estágios do crescimento das árvores. “No início, é muito difícil saber se [a plantação de árvores] foi ou não bem sucedida” usando apenas imagens de satélite, disse Gerlein-Safdi.

Nos primeiros meses após o plantio, até que as mudas comecem a crescer folhas, “elas podem parecer apenas gravetos”. Mas “esse período inicial é realmente crucial” para a saúde das plantas, por isso são necessários métodos alternativos de monitoramento.

Além disso, diferentes satélites coletam dados em diferentes resoluções, desde cada pixel cobrindo uma área tão pequena quanto 30 por 30 metros (cerca de 100 por 100 pés), até um pixel representando meio grau de longitude (cerca de 55 quilômetros). , ou 35 milhas de lado). Nessas resoluções mais baixas, “nem sempre é fácil ampliar uma área pequena e avaliar a saúde [de um local reflorestado] porque os pixels são um pouco grandes”, explica Gerlein-Safdi.

Mesmo com imagens de satélite de alta resolução, os dados gerados calculam a média de várias árvores, dando uma impressão geral do crescimento da floresta, mas revelando pouco sobre as árvores individuais.

“Os dados de satélite podem fornecer a condição de [uma] floresta recém-plantada a nível regional, mas é difícil focar nas árvores individuais a partir de imagens de satélite”, explica Feng Wang, ecologista de terras áridas da Academia Chinesa de Silvicultura em Pequim.

Drones dão aos silvicultores uma visão panorâmica

Para obter dados mais detalhados, os equipamentos de monitoramento precisam se aproximar. Às vezes, isso pode ser alcançado voando aeronaves leves sobre uma floresta, mas isso pode ser caro e requer combustível que contribui para a mudança climática global – o que não é ideal se seu objetivo é plantar florestas para combater o problema.

Na última década, a tecnologia dos drones avançou a ponto de ser adequada para essa tarefa, preenchendo a lacuna entre as medições no local e os satélites distantes. “Em comparação com medições de campo e dados de satélite, os drones podem fornecer uma imagem detalhada de cada árvore individual da floresta recém-plantada no nível da paisagem”, explicou Wang.

Assim como os satélites, os drones podem ser equipados com uma variedade de tipos de sensores que fornecem diferentes informações sobre uma floresta, incluindo câmeras ópticas de alta resolução, câmeras multiespectrais e lidar, permitindo que os cientistas calculem índices de vegetação que quantificam o verde de uma floresta, estimam o altura e volume das árvores e armazenamento aproximado de carbono.

Uma grande vantagem dos drones sobre satélites ou aviões é que eles podem pesquisar a floresta abaixo do dossel, voando entre as árvores para obter medições mais precisas da densidade e tamanho das árvores.

No entanto, embora os drones sejam adequados para pesquisar áreas relativamente pequenas, é difícil para eles cobrir florestas com centenas de quilômetros quadrados de área porque os dispositivos de medição têm vida útil e alcance de bateria limitados. Os drones também precisam de assistência humana, seja de um piloto para controlar o voo ou de um supervisor que monitore os drones autônomos enquanto eles navegam sobre ou através de uma floresta. Esses especialistas em drones precisam trabalhar em locais relativamente próximos à área reflorestada, tornando o monitoramento de drones de longo prazo desafiador nas áreas mais inacessíveis.

Os prós e contras de compensação do monitoramento por satélite versus drone significam que ambos devem ser vistos como abordagens complementares. Os drones permitem que os cientistas “obtenham realmente os detalhes do que está acontecendo na área”, explica Gerlein-Safdi, enquanto os satélites “fornecem uma média maior” sobre uma área muito maior.

‘A internet das árvores’

Aproximando-se ainda mais, os sensores in-situ podem ser usados para monitorar árvores individuais diretamente, retransmitindo os dados sem fio para pessoas que analisam os dados de um local mais seguro e de fácil acesso. Se muitos sensores forem instalados em árvores dentro de uma floresta, eles podem formar uma rede distribuída que retorna dados detalhados sobre o crescimento de toda a floresta dentro de grandes áreas de reflorestamento.

Essa é uma tecnologia que já está em uso: a brasileira Treevia desenvolveu uma tecnologia de sensores adequada para a gigantesca tarefa de monitorar árvores naturais ou plantadas a longo prazo. Pesando apenas 50 gramas (menos de 2 onças) cada e medindo cerca de 4 centímetros (1,5 polegadas) de altura, os sensores são pequenos o suficiente para serem fixados diretamente nas mudas e rastrear o crescimento de cada planta por longos períodos de tempo.

“Depois de instalado [o sensor], conseguimos monitorar o crescimento do diâmetro da árvore”, afirma Gasparoto, da Treevia. Os sensores também coletam medições ambientais de temperatura, umidade e precipitação. “Podemos recolher um novo conjunto de dados todos os dias”, comentou com orgulho, o que é “alucinante para as pessoas do sector florestal”. Esses dados, além de ajudar os silvicultores e conservacionistas a entender o estado da floresta, também podem ser usados para prever o risco de incêndios florestais e detectar os impactos das mudanças climáticas no momento em que ocorrem.

Cada sensor possui uma cinta elástica que pode ser encaixada em mudas de até 1 cm (0,4 pol) de diâmetro e que pode esticar e permanecer na árvore até atingir 1 metro (40 pol) de diâmetro, permitindo que o sensor “remotamente monitorar o crescimento da floresta ao longo dos anos”, explica Gasparoto. Pode levar anos para que a árvore supere a primeira cinta elástica, mas quando isso acontece, a equipe precisa retornar e instalar um novo sensor com uma cinta maior. Ainda assim, este é um esforço relativamente pequeno, considerando a riqueza dos dados gerados pelos dispositivos.

A Treevia também desenvolveu um sistema de computação em nuvem chamado Smart Forest, que recebe os dados brutos transmitidos pelos sensores e os processa. Gasparoto chama a Smart Forest de “internet das árvores”. Usando algoritmos de inteligência artificial conhecidos como aprendizado de máquina, o sistema pode transformar terabytes de dados brutos em informações úteis para os silvicultores tomarem decisões de gerenciamento em tempo real, como quando aplicar fertilizantes. Também pode estimar o potencial de crescimento futuro da floresta — útil para avaliar o sequestro de carbono.

A empresa coletou extensas medições em campo para comprovar sua tecnologia e garantir que as medições remotas sejam precisas e confiáveis. Já implantou 4.000 de seus sensores em quase 200.000 hectares (aproximadamente 494.000 acres) de plantações florestais no Brasil e no Uruguai, com ambições de tornar sua tecnologia global nos próximos anos. Isso inclui projetos para a indústria de papel e celulose, bem como projetos de monitoramento dos biomas Amazônia e Cerrado para créditos de carbono.

As tecnologias de sensoriamento remoto são uma ferramenta importante no kit de ferramentas de reflorestamento, tornando possível o monitoramento em larga escala e de longo prazo das florestas. Satélites, drones e redes de sensores na floresta têm seus pontos fortes e fracos, mas juntos oferecem uma visão incomparável do mundo natural. Combinados com outros dados, eles poderiam trazer ao alcance a outrora formidável tarefa de monitoramento florestal.

“Combinar esses diferentes tipos de informação, como sensoriamento remoto, dados climáticos, lidar”, conclui Gasparoto, “esse é o caminho para fazer a medição certa da floresta no futuro”.

Citações

Gerlein-Safdi, C., Keppel-Aleks, G., Wang, F., Frolking, S., & Mauzerall, D. L. (2020). Satellite monitoring of natural reforestation efforts in China’s drylands. One Earth, 2(1), 98-108. doi:10.1016/j.oneear.2019.12.015

Buters, T., Belton, D., & Cross, A. (2019). Seed and seedling detection using unmanned aerial vehicles and automated image classification in the monitoring of ecological recovery. Drones, 3(3), 53. doi:10.3390/drones3030053

Li, X., Zhao, N., Jin, R., Liu, S., Sun, X., Wen, X., … Zhou, Y. (2019). Internet of Things to network smart devices for ecosystem monitoring. Science Bulletin, 64(17), 1234-1245. doi:10.1016/j.scib.2019.07.004

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