Projeto Nova Friburgo 200 anos: usando drones e informação geográfica para entender, antecipar e monitorar deslizamentos de terra. Uma cidade resiliente.

Ao longo da historia, desastres naturais tem tido um papel de destaque na sobrevivência e desenvolvimento econômico da humanidade. Durante as ultimas décadas, ameaças naturais como secas, enchentes, terremotos e deslizamentos de terra tem causado enormes perdas de vidas humanas, destruição de infraestrutura econômica e social bem como sérios danos ambientais.

Estima-se que mais de 1 milhão de pessoas são mortas todos os anos por desastres naturais. Dois milhões e meio de pessoas serão permanentemente incapacitadas ou deslocadas, comunidades terão 20-30 anos de recuperação pela frente e bilhões em prejuízos econômicos (Robin Murphy, 2015 - https://goo.gl/NYXuVd). De acordo com os dados do Escritório das Nações Unidas para a Redução de Desastres, desastres naturais causaram 1.2 milhões de mortes, 2.9 bilhões de pessoas afetadas e 1.7 trilhão de dólares em prejuízos econômicos de 2010 e 2012.

Deslizamentos de terra, um dos mais destrutivos tipos de desastres naturais, são um fenômeno complexo que inclui o movimento de massas de rocha, escombros, escorregamento de terras, sob a influencia da gravidade (Hungr et al., 2013 - https://goo.gl/QNoHNe). Deslizamentos envolvem escoamento, escorregamentos, arrastamentos, quedas, ou espalhamento, e muitos deslizamentos de terra combinam diferentes tipos de movimento ao mesmo tempo ou durante sua ocorrência.

Deslizamentos de terra são um problema e desafio de escala global, presente em todos os continentes. Dados do Catalogo Global de Deslizamentos mostram a localização de fatalidades associadas provocados pela precipitação de chuvas no período de 2007-2013.

Durante este período o Brasil vivenciou sua pior tragedia na historia relacionada a enchentes e deslizamentos de terra. Isto aconteceu na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro em Janeiro de 2011, matando mais de 1000 pessoas e causando aproximadamente 1 bilhão de dólares em prejuízos econômicos. Nova Friburgo foi a cidade mais fortemente afetada pela tragedia devido a sua critica localização e geografia.

Tem sido afirmado que a grande maioria das mortes ocorreu em áreas pobres e que o impacto nessas áreas poderia ter sido muito menor se não houvesse sistemáticas condições de pobre infraestrutura nas favelas do Brasil. A falta de atenção apropriada a estas áreas, tem levado a alguns a afirmarem que a tragedia foi muito mais "obra humana do que natural".
(The New York Times - https://goo.gl/O16Etx).

Nova Friburgo tem sofrido constantes enchentes e deslizamentos de terra desde sua fundação por colonização Suíça em 1818. Como uma startup criada nesta cidade, Angel Drones enxerga como um dever fazer parte da solução para este grande problema. Nos queremos ajudar a entender melhor, antecipar, e monitorar deslizamentos não somente em Nova Friburgo mas em toda a região, especialmente em comunidades pobres, que tem sido as mais afetadas.

Para alcançar este objetivo, nos estamos conectando o governo local, tomadores de decisão, agencias humanitárias, e a bem conhecida expertise Suíça da industria de drones com o objetivo de mapear com resolução inédita todas as áreas com risco potencial ate 2018, salvando vidas, tempo e dinheiro.

Resolução, validação, viabilidade e resultados preliminares

Uma das maiores preocupações quando se considera o uso de drones em métodos de pesquisa é quanto a resolução e precisão esperadas. Validação é um dos mais importantes aspectos de qualquer sensoriamento remoto. Para responder a esta pergunta, apresentamos um conjunto de estudos de casos realizados na cidade de Nova Friburgo.

No primeiro caso, coletamos um total de 229 imagens georreferenciadas do Bairro Tauru, onde durante o mega desastre de 2011 mais de 20 pessoas morreram em decorrência de enormes deslizamentos. O presente estudo de casos mostra que alcancamos uma notavel nuvem pontos densa com mais de 13 milhões de pontos tridimensionais e uma densidade media de 1.675 pontos/m³, reconstruindo com grande fidelidade toda a área com cerca de 1.7 hectare (17,000 m²).

A partir da detalhada nuvem de pontos, uma ortofotografia foi criada com uma Distancia de Amostra em Solo, ou Ground Sample Distance (GSD), de 1.2 cm/pixel. GSD é o termo usando em sensoriamento remoto para descrever a resolucao em pixels no solo. Por exemplo, em uma imagem com GSD de 5 cm/pixel, cada pixel presente na imagem corresponde a 5 cm na escala real.

As imagens seguintes mostram a diferença de resolução do mapa mais atual disponível gratuitamente via Google Earth (18 de Dezembro de 2015) do Bairro Tauru e nossos resultados. Enquanto o Google Earth e outro satelites opticos tem limitacoes de resolução da ordem de 50-65 cm ou mais do solo, a vantagem do uso de drones para esta finalidade é evidente: pode-se alcançar incríveis fotografias altamente detalhadas com resolução da ordem de 1 cm/pixel.

A ortofotografia permite gerar o Modelo Digital de Elevação (DEM) do terreno. Conhecer a exata localização de um dado ponto antes e depois de deslizamentos permitem calcular o volume movido de material, valor critico no calculo de ameaças atuais ou futuras.

Um DEM com alta resolução é extraordinariamente útil para especialistas e possui muitas aplicações geológicas e topográficas, como analise hidrológica, mapeamento planialtimétrico (curvas de nível), geomorfologia, revisão de mapas, etc.

Através de um conjunto de pontos de controle no solo com dimensões previamente conhecidas, testamos a precisao na medicao de comprimentos e áreas. Os gráficos seguintes mostram que é possível medir áreas extremamente pequenas de apenas 400 cm² (0.04 m²) dentro uma área muito maior de 17,000 m² com um erro médio inferior a 10 %. A partir dos 8 pontos de controle, o erro associado com as medidas de pequenos comprimentos de 20 cm foi de apenas 1 pixel, o que corresponde a 1.2 cm no solo e em erro médio de apenas 3 %.

Projeto Ana Julia: mapeando um bairro inteiro em menos de 24 horas

Entre as milhares de vitimas do mega desastre de 2011 estava uma pequenina menina de belos olhos azuis chamada Ana Julia, que tinha a época apenas 3 anos de idade. Ela vivia no bairro Lazareto com sua família, todos mortos em consequência de repentinos deslizamentos de terra.

O bairro Lazareto esta localizado próximo ao centro da cidade e possui uma geografia desafiante para mapeamento devido a elevada inclinação do terreno. Como um teste de viabilidade para a nossa abordagem, decidimos mapear todo o bairro com alta resolução num intervalo de tempo de apenas 24 horas.

Focando nesse objetivo, coletamos mais de 700 imagens de diferentes perspectivas, ângulos e alturas, o que nos permitiu reconstruir um modelo digital tridimensional do local altamente detalhado, capturando com fidelidade o formato do terreno pela primeira vez na historia. Uma nuvem de pontos densa com mais de 40 milhões de pontos tridimensionais foi gerada.

Geramos uma ortofoto com notáveis 2 cm/pixel de resolução e um corresponde modelo digital de elevação da area inteira com cerca de 6 hectares (60,000 m²).

Importante destacar que todo o voo foi realizado de forma completamente autônoma usando piloto automático e planos de voo cuidadosamente planejados com antecedência. Isto permite enormes benefícios sobre tecnologias tradicionais, como por exemplo:

1 - Maior segurança: completamente independentes de pilotos experientes e possibilidade de voar em locais que poderiam ser perigosos para os mesmos;
2 - Maior rapidez: voos ótimos podem ser preparados para mapear no menor tempo possível, otimizando eficiência e produtividade e reduzindo custos;
3 - Precisão e qualidade: controle preciso de altura;
4 - Repetibilidade: habilidade para realizar exatamente as mesmas tarefas repetidamente.

Bairro Condomínio do Lago: empurrando os limites de nossa abordagem

Para testar a viabilidade de mapear com alta resolução áreas geográficas mais complexas, decidimos escolher um dos mais afetados bairros de Nova Friburgo, onde mais de 15 pessoas perderam suas vidas.

Devido a sua localização critica, o Condomínio do Lago sofreu a ação de deslizamentos e alagamentos simultaneamente. Coletamos 488 imagens autonomamente, mapeando 17 hectares (170,000 m²) e reconstruindo toda a montanha no coração do bairro com fidelidade.

Um ortofoto com resolução de 6.7 cm/pixel foi gerada, o que perimiu criar um mapa detalhado do local.

Combinando a ortofoto com imagens disponíveis gratuitamente no Google Earth, criamos um quadro completo da evolução do local, mostrando claramente uma reurbanização preocupante em um local cercado por perigos e cicatrizes remanescentes. Isto tem causado críticos desflorestamentos na região ao longo dos anos.