Os satélites de observação da Terra fornecem dados para uma grande variedade de aplicações – desde a monitorização das alterações climáticas e a documentação de crimes de guerra até ao planeamento da ajuda humanitária e à avaliação da profundidade da neve. os pesquisadores também são grandes beneficiários.
Orbitando a uma altitude de 700 quilómetros, os satélites da Agência Espacial Europeia (ESA) transmitem sinais de radar para a Terra. Estas são espalhadas pela superfície do planeta e refletidas de volta para o satélite, produzindo imagens do terreno mesmo quando o céu está nublado. Neste momento, Konrad Schindler e a sua equipa estão interessados em imagens da Ucrânia. “Os satélites sobrevoam o país a cada dois dias, o que nos dá uma espécie de vídeo em câmara lenta”, diz Schindler, chefe do Instituto de Geodésia e Fotogrametria da ETH Zurique. “Se o sinal atingir um monte de escombros onde antes havia edifícios intactos, ele retornará de uma forma diferente.” Isso ocorre porque as superfícies lisas refletem as ondas de rádio com mais eficiência do que as superfícies ásperas.
Não que a olho nu pudesse dar muito sentido a esse fluxo de imagens de livre acesso. Essa é a função de um sistema de monitoramento automático que aproveita o poder da inteligência artificial. “O sistema utiliza estatísticas para identificar padrões nos dados”, explica Schindler. Este é um exemplo de aprendizado de máquina, em que um sistema de IA é treinado com imagens de referência que mostram claramente, por exemplo, a diferença entre um edifício que foi destruído e outro que ainda está intacto.
Estes dados de referência foram fornecidos pelo UNOSAT, o Centro de Satélites das Nações Unidas. Aqui, os especialistas inspecionam meticulosamente imagens de alta resolução provenientes de fontes comerciais, a fim de identificar danos a edifícios e, assim, documentar crimes de guerra, como o bombardeamento de infraestruturas civis. “Nosso sistema de monitoramento certamente não foi projetado para substituir essas pessoas”, diz Schindler. “Mas a sua capacidade de cobrir grandes áreas dá-lhes orientações úteis sobre onde observar mais de perto.”
Este texto saiu na edição de 24/04 da revista Globe da ETH.
Mapas para organizações humanitárias
O mapeamento dos danos da guerra é um dos dois projetos em que os investigadores colaboraram com o Comité Internacional da Cruz Vermelha (CICV). “A segunda procurava responder ao que poderia parecer uma pergunta muito simples – nomeadamente, onde estão as pessoas?” Schindler explica. Quando o CICV lança operações de socorro ou campanhas de vacinação após desastres naturais, necessita de dados sobre a densidade populacional. Nos países menos desenvolvidos, isto muitas vezes falta – e é aí que a Cruz Vermelha recorre aos mapas populacionais que o grupo de Schindler cria a partir de dados de satélite.
os pesquisadores usam esse poderoso coquetel de observação por satélite e aprendizado de máquina em uma ampla variedade de áreas. Em colaboração com a start-up suíça ExoLabs, por exemplo, desenvolveram um sistema que proporciona uma avaliação mais rápida e precisa da cobertura de neve do que a obtida a partir de fontes convencionais. Os pesquisadores começaram alimentando o sistema com estimativas da profundidade da neve na Suíça com base em imagens de satélite e mapas digitais de elevação. Utilizando comparações com dados precisos recolhidos por aeronaves e estações meteorológicas terrestres, o sistema aprendeu como melhorar as estimativas baseadas em satélite. Agora fornece mapas diários de profundidade da neve, serviço que em breve será lançado comercialmente.
Um mapa global das alturas das árvores já foi disponibilizado gratuitamente. Também com base em dados de satélite, este é utilizado principalmente para fins ambientais. “Obviamente, não é possível ver a parte inferior de uma árvore do espaço, mas o sinal refletido contém conteúdo detalhado, principalmente na faixa infravermelha, de onde podem ser obtidas muitas informações sobre a vegetação”, explica Schindler. Usando dados de referência de um scanner a laser a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS), um programa de computador aprendeu como derivar a altura das árvores com base nos padrões de iluminação da área sob observação. Um pulso de laser refletido no topo de uma árvore leva menos tempo para retornar à ISS do que um refletido no solo abaixo. Essa diferença é suficiente para calcular a altura da vegetação local.
Sistema de alerta precoce para florestas
“O mapeamento global das alturas das copas também fornece informações interessantes sobre a idade da vegetação”, diz Verena Griess, Professora de Gestão de Recursos Florestais e chefe do Instituto de Ecossistemas Terrestres da ETH Zurique. Ela e sua equipe estão usando dados de satélite para descobrir mais sobre a saúde das árvores. “As alterações climáticas impulsionaram-nos para uma era de mudanças rápidas”, afirma Griess. “Isso também se aplica às nossas florestas, onde os problemas causados por pragas, devastações, incêndios e secas estão aumentando muito”. Utilizando dados de satélite, os investigadores planeiam criar um sistema de alerta precoce que nos alertará sobre florestas em perigo mesmo antes de tais danos serem visíveis ao olho humano. Este sistema também poderia ser utilizado para detectar os primeiros sinais de incêndios florestais em áreas escassamente povoadas, ou para mostrar onde são necessárias medidas correctivas na Suíça para salvaguardar a protecção contra perigos naturais que a silvicultura proporciona. Os dados de satélite também poderiam identificar áreas adequadas para a extração de madeira ou que necessitam de conservação devido à sua elevada biodiversidade. “Nosso objetivo é garantir que a decisão certa seja tomada para cada local”, explica Griess.
Os pesquisadores estão agora trabalhando em um modelo que será capaz de identificar automaticamente espécies de árvores a partir de imagens de satélite. Treinado com dados de locais onde se sabe que espécies como a faia, o abeto ou o larício crescem, o modelo aprende gradualmente a identificar os padrões correspondentes nas imagens de satélite. Usando sensores hiperespectrais, os satélites também podem coletar informações sobre a saúde das árvores que são invisíveis ao olho humano. Isto inclui medir a concentração de certas substâncias nas folhas e monitorizar quaisquer alterações que possam indicar as fases iniciais de uma infestação de pragas.
Sobre
Verena Griess é Professora de Gestão de Recursos Florestais no Departamento de Ciência de Sistemas Ambientais da ETH Zurique
Konrad Schindler é Professor de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto no Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e Geomática da ETH Zurique.
Benedikt Soja é Professor de Geodésia Espacial no Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e Geomática da ETH Zurique. Esta cátedra foi financiada pelo Alfred e Flora Spälti Fonds.
As imagens bidimensionais de satélite também podem ser enriquecidas com dados 3D de scanners a laser a bordo de satélites, aeronaves ou drones, ou localizados no solo. A ETH inaugurou recentemente seu supercomputador Alps, que irá agilizar a análise de dados e melhorar o treinamento de modelos de IA. “Esta tecnologia acrescenta mais uma corda ao nosso arco, ao lado de nossos excelentes alunos e da excelente colaboração entre professores universitários e outras instituições membros do Domínio ETH”, diz Griess. “A Suíça tem agora uma verdadeira riqueza de conhecimentos nesta área, concentrada num grau que não se encontra em mais lado nenhum.”
Tecnologia GPS reaproveitada
A saúde das árvores florestais também pode ser investigada usando sinais de satélites GPS. Quando um receptor GPS é colocado embaixo de uma árvore e outro à distância, a diferença nos sinais recebidos pode servir para calcular quanta biomassa a árvore contém. “É incrível o que se pode fazer com uma tecnologia que foi desenvolvida para algo totalmente diferente – neste caso, a navegação”, diz Benedikt Soja, Professor de Geodésia Espacial.
Em colaboração com a MeteoSwiss, Soja e a sua equipa instalaram receptores GPS de baixo custo em várias estações meteorológicas localizadas em toda a Suíça. Eles medem o nível de vapor d'água na atmosfera detectando o atraso correspondente na propagação dos sinais de rádio transmitidos pelos satélites. Esses dados são então usados para calcular a umidade acima de uma estação meteorológica e, assim, melhorar as previsões de chuva.
Ao mesmo tempo, a análise desses dados durante um longo período de tempo também produz informações sobre as alterações climáticas. Uma atmosfera mais quente absorve mais umidade – ou seja, mais vapor d'água. “Isto, por sua vez, intensifica as alterações climáticas, porque o vapor de água é também um gás com efeito de estufa – na verdade, o mais abundante de todos”, explica Soja. “Isso torna muito fácil determinar o impacto local das mudanças climáticas na atmosfera.” As medições GPS mostram que, em média, algumas regiões tornaram-se mais húmidas e outras mais secas.
Os pesquisadores estão aproveitando outra técnica para rastrear o derretimento das camadas de gelo na Groenlândia e na Antártica. Dois satélites voando em conjunto medem o campo gravitacional da Terra, que varia de acordo com a quantidade de massa presente em um determinado local. “Isto significa que podemos medir quaisquer alterações nesta massa a partir do espaço”, explica Soja. Estes dados podem ser ainda mais refinados com a ajuda de outros satélites que medem altitude. “As regiões polares estão a assistir a um enorme derretimento de gelo. Estamos a perder centenas de gigatoneladas de gelo todos os anos – o equivalente a um cubo gigantesco de 3.000 metros de altura, do tamanho da cidade de Zurique – e isso está a causar o aumento do nível do mar, “, diz Soja. “A observação por satélite é a melhor forma de acompanhar o impacto que as alterações climáticas estão a ter nas camadas de gelo da Antártida e da Gronelândia.”
