Inteligência artificial
Entre IA e um “Banco de Dados de Ocorrências” em Expansão, a Ameaça dos Incêndios Florestais Pode Diminuir
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Atualmente, um incêndio florestal de rápida propagação está destruindo parte de uma antiga cidade de montanha chamada Jasper, nas Montanhas Rochosas canadenses. Os danos em Jasper são descritos como “além de descrição e compreensão”, e 25.000 pessoas já foram forçadas a fugir.
Incêndios florestais gigantes destruíram até metade da histórica cidade canadense de Jasper. Ao mesmo tempo, centenas de incêndios estão ativos na vizinha Colúmbia Britânica, bem como na Califórnia e Utah.
Todo ano, milhares de pessoas sofrem as consequências dos incêndios florestais, com cidades sendo incineradas pelo fogo. Nos EUA, nos últimos cinco anos, 344 incêndios significativos mataram 178 pessoas. Enquanto isso, desde a década de 1980, o país tem uma média de cerca de 70 mil incêndios por ano. Segundo o National Interagency Fire Center (NIFC), um total de 2,7 milhões de incêndios florestais ocorreu desde 1983.
À medida que o número de incêndios continua a aumentar, o custo para combatê-los também tem subido. O governo dos EUA gastou quase $4,4 bln combatendo incêndios florestais apenas em 2021. Em média, custa cerca de $74 K para apagar cada incêndio. Mas isso não é tudo; as taxas de seguro residencial também estão subindo.
Os incêndios florestais têm aumentado em todo o mundo não apenas em frequência, mas também em gravidade e duração. O risco de incêndio ocorre principalmente em condições extremamente secas, como ventos fortes, seca e ondas de calor. Isso significa um impacto adverso crescente na saúde humana e da vida selvagem.
Além da destruição causada pelo próprio fogo, a fumaça dos incêndios contém poluentes atmosféricos nocivos como NO2, ozônio, hidrocarbonetos aromáticos, chumbo ou PM2.5, que são partículas com diâmetro de 2,5 micrômetros ou menos. O PM2.5 é tão fino que pode penetrar mais profundamente em nosso trato respiratório e causar efeitos à saúde.
O PM2.5 da fumaça dos incêndios está realmente associado a mortes prematuras na população geral. Ele pode causar e agravar doenças dos pulmões, rins, coração, pele, intestino, olhos, nariz e fígado. Também foi demonstrado que leva a comprometimento cognitivo e perda de memória.
Os incêndios não apenas contaminam o ar com poluentes tóxicos, mas também impactam o clima ao liberar grandes quantidades de CO2 e outros gases de efeito estufa na atmosfera. Ao cobrir a Terra, as emissões de gases de efeito estufa realmente aprisionam o calor do sol e tornam o planeta inabitável. O excesso disso leva à mudança climática, que gera condições mais secas, contribuindo ainda mais para a extensão das temporadas de incêndio. Assim, cria-se um ciclo de retroalimentação.
Com os incêndios se tornando cada vez mais extremos em intensidade e danos, eles podem interromper a infraestrutura em termos de comunicações, transporte, fornecimento de energia, serviços de gás e abastecimento de água. Além disso, em áreas próximas a populações, eles impactam significativamente a propriedade, o gado, a mortalidade humana e o meio ambiente.
No ano passado, um estudo de pesquisadores da Universidade de Maryland calculou que os incêndios florestais agora resultam em 3 milhões de hectares a mais de perda de cobertura arbórea por ano em comparação com 2001. Ao causar 9,3 milhões de hectares de perda de cobertura arbórea globalmente, 2021 se tornou um dos piores anos.
Não é que os incêndios não sejam parte natural do funcionamento das florestas. Na verdade, as florestas boreais, que cobrem vastas áreas na Europa do Norte, Rússia, Alasca e Canadá, são adaptadas ao fogo. O fogo cria uma variedade de paisagens e remove florestas antigas, dando origem a novas.
No entanto, a perda de cobertura arbórea relacionada ao fogo, mesmo nessas áreas, está ocorrendo a uma taxa acelerada. Com as florestas boreais sendo um dos principais fornecedores mundiais de água limpa, abrigando populações significativas de vida selvagem e sendo um importante sumidouro de carbono, a tendência contínua de incêndios é preocupante e precisa ser enfrentada.
Aproveitando Modelos de IA em Combinação com Imagens de Satélite
Uma das formas de enfrentar o problema dos incêndios florestais é por meio do uso de inteligência artificial (IA). Essa nova tecnologia não é usada apenas para chatbots e assistentes virtuais, mas também para ajudar o meio ambiente através de sensoriamento remoto avançado.
Recentemente, a IA ajudou os bombeiros a responder rapidamente a um incêndio florestal em uma área remota da Bay Area, Califórnia. O incêndio foi contido antes que se espalhasse com a ajuda de uma câmera alimentada por IA, que detectou fumaça e informou as equipes de combate antes que o fogo pudesse crescer e se tornar difícil de controlar.
Até provedores de seguros estão recorrendo à IA. A Delos Insurance Solutions, com sede em São Francisco, vendeu mais de 17 mil apólices para proprietários de imóveis, que outras empresas rejeitaram. Isso foi possível graças aos modelos de incêndio da empresa, para os quais a Delos trabalha com professores universitários para obter conjuntos de dados proprietários de modelagem de incêndios e, em seguida, adiciona um algoritmo de IA para incorporar mais dados. Segundo a cofundadora Shanna McIntyre, a Delos considera mais de 200 variáveis que abrangem vegetação, topografia e temperatura.
Há claramente um foco crescente no desenvolvimento de modelos de comportamento de incêndios de alta resolução para prever a propagação do fogo.
Isso está sendo feito em conjunto com satélites para detectar locais de incêndio. Enquanto satélites como LANDSAT, VHRS e MODIS já são usados para monitorar a distribuição e perturbação da vegetação, prever incêndios florestais continua sendo uma tarefa desafiadora. IA e aprendizado de máquina podem ajudar a fornecer uma forma confiável de prever e gerenciar incêndios.
Por exemplo, a IA pode ser vinculada a satélites de imagem que analisam diferentes fatores como surgimento de fumaça, incidências de fogo e perturbação da vegetação. Ao combinar todos os dados, os algoritmos de IA podem ajudar a prever incêndios por meio de aprendizado contínuo. A tecnologia de IA ainda pode permitir o gerenciamento de extintores de incêndio e veículos de patrulha com câmeras de vídeo.
Há um ano, uma equipe de pesquisadores da Aalto University, na Finlândia, começou a desenvolver um modelo de IA chamado FireCNN que pode prever a propagação de incêndios florestais. O modelo foi treinado em imagens de satélite e dados meteorológicos registrados entre 2002 e 2019 para identificar áreas de alto risco. O FireCNN analisa 31 variáveis, incluindo fatores como vegetação e cobertura do solo.
Entretanto, há falta de algoritmos de IA que possam correlacionar todos os dados disponíveis e metodologias de modelagem realistas que atendam às necessidades de diferentes paisagens ao redor do mundo.
De acordo com um novo estudo, um novo modelo pode prever com precisão a propagação de incêndios. O modelo combina imagens de satélite e IA para oferecer um grande avanço na gestão de incêndios e na resposta a emergências.
O estudo, financiado pela NASA, pelo Army Research Office e pelo programa Viterbi CURVE, foi conduzido por pesquisadores da USC e publicado em Earth System Science Data.
Sob este novo modelo, os dados de satélite são utilizados para rastrear a progressão dos incêndios em tempo real. Essas informações são alimentadas em um algoritmo computacional sofisticado que pode prever com precisão o provável caminho do fogo, bem como sua intensidade e taxa de crescimento.
“Este modelo representa um passo importante em nossa capacidade de combater incêndios florestais. Ao oferecer dados mais precisos e oportunos, nossa ferramenta fortalece os esforços de bombeiros e equipes de evacuação que combatem incêndios nas linhas de frente.
– Bryan Shaddy, autor correspondente do estudo e estudante de doutorado na USC Viterbi School of Engineering
O estudo começou coletando dados históricos de imagens de satélite de alta resolução. Depois, por meio da análise de comportamento de incêndios passados, os pesquisadores rastrearam como o fogo começou, se espalhou, e eventualmente foi contido.
Esse estudo cuidadoso revelou padrões que são influenciados por fatores como terreno, clima e combustível, como árvores e arbustos.
Os pesquisadores então treinaram um modelo alimentado por IA generativa para simular como esses fatores impactam a evolução dos incêndios ao longo do tempo. O modelo foi então treinado para reconhecer padrões nas imagens de satélite que correspondem à propagação do incêndio em seu modelo.
O modelo é chamado de Rede Generativa Adversarial Condicional de Wasserstein ou cWGAN, que já foi testado em quatro incêndios reais na Califórnia ao longo de dois anos, entre 2020 e 2022, para ver quão eficaz ele é na previsão da propagação do fogo. Treinado com simulações WRF‑SFIRE, o cWGAN é usado para calcular o tempo de chegada do fogo a partir de dados de fogo ativo de satélite.
Os resultados do cWGAN foram impressionantes. Treinado com dados simples sob condições ideais, como vento unidirecional e terreno plano, o modelo teve bom desempenho em incêndios reais na Califórnia.
O sucesso do modelo é atribuído ao uso do modelo de IA juntamente com imagens de satélite, que forneceram dados reais de incêndios em vez de apenas dados isolados.
Isso não tem sido fácil, porém. O coautor do estudo, Assad Oberai, professor de Engenharia Aeroespacial e Mecânica na USC Viterbi, afirmou que modelar incêndios foi um dos maiores desafios devido aos seus “processos intrincados”.
Não apenas o combustível, como árvores e arbustos, inflama, gerando reações químicas complexas, produzindo calor e correntes de vento, mas também o clima e a topografia influenciam o comportamento do fogo. Assad disse:
“Estes são processos altamente complexos, caóticos e não lineares. Para modelá‑los com precisão, é necessário levar em conta todos esses diferentes fatores. Você precisa de computação avançada.”
Dados Aprimorados para Modelos de IA
Além dos avanços na tecnologia de IA, os dados para treinar esses modelos também estão sendo aprimorados ao cobrir centenas de fatores adicionais que impactam a ignição e a propagação do fogo. Isso ajudará gestores de vida selvagem e cientistas a fazer previsões mais precisas sobre onde e quando os incêndios podem ocorrer.
Recentemente, o Fire Program Analysis Fire‑Occurrence Database (FPA FOD), que é a fonte mais extensa de dados sobre ignição de incêndios georreferenciados nos EUA, foi aprimorado significativamente. Primeiro desenvolvido em 2013 pelo US Forest Service, o modelo foi atualizado cinco vezes. Ele agrega relatórios de incêndio de entidades locais, estaduais e federais com responsabilidades de proteção e relatório de incêndios.
O modelo inclui informações básicas como localização da ignição, data de descoberta e tamanho final do incêndio. O banco de dados revisado, porém, cobrirá ainda mais fatores sociais e ambientais. Segundo Erica Fleishman, professora da Oregon State University:
“Há um enorme interesse em entender o que possibilita ignições de incêndios e o que pode ser feito para evitá‑las. Este banco de dados aumenta a capacidade de acessar informações relevantes e contribuir para a preparação e prevenção de incêndios.”
Esse banco de dados aprimorado não ajudará apenas os bombeiros e gestores no terreno a combater o fogo, mas também poderá auxiliar na avaliação de risco de energia a curto prazo. As companhias elétricas poderão tomar decisões mais informadas sobre a implementação de desligamentos de energia por segurança pública. Além disso, agências de manejo de terras poderão decidir se devem restringir o acesso a áreas públicas em determinadas épocas do ano.
De acordo com Fleishman, muitas políticas são guiadas por emoções em vez de um amplo corpo de evidências. O banco de dados apresenta “uma forma de aumentar as evidências objetivas a serem consideradas ao tomar essas decisões”, disse ela.
Publicado na revista Earth System Science Data, a pesquisa que descreve o banco de dados foi apoiada pelo Joint Fire Science Program. Ela descreveu atributos biológicos, sociais e físicos para obter uma compreensão aprimorada dos incêndios e de sua previsão.
No total, a equipe de pesquisa, que incluiu Fleishman, diretora do Oregon Climate Change Research Institute, e foi liderada por Mojtaba Sadegh e Yavar Pourmohamad, professor associado e estudante de doutorado, respectivamente, na Boise State University, adicionou quase 270 atributos adicionais. Agora, o banco de dados inclui informações sobre 2,3 milhões de incêndios nos EUA de 1992 a 2020.
Sob o banco de dados revisado, cada incêndio agora possui atributos físicos como clima, clima, topografia e infraestrutura; atributos biológicos como índice de vegetação e cobertura do solo; atributos administrativos que cobrem nível nacional e regional de preparação e jurisdição; e atributos sociais incluindo índice de vulnerabilidade social e densidade populacional.
A sexta versão do FPA FOD foi ainda ampliada com estatísticas resumidas dentro de um buffer temporal e espacial ao redor do ponto de ignição e índices de vegetação obtidos mensalmente por satélites durante um ano antes da ignição. “Este rico conjunto de dados tabular pode ser usado em uma variedade de aplicações orientadas por hipóteses ou exploração de dados”, afirmou o estudo.
Um banco de dados tão massivo ajudará a proporcionar uma compreensão significativamente mais profunda do impacto individual e composto dos atributos nas ignições e tamanho dos incêndios, disse Pourmohamad, acrescentando:
“Ele também identifica os efeitos desiguais dos incêndios em diferentes populações humanas e ecossistemas, o que, por sua vez, pode informar esforços para reduzir as desigualdades.”
O banco de dados também pode ser incorporado em modelos de IA e aprendizado de máquina que explicam os fatores que impulsionam incêndios passados, a probabilidade de incêndios futuros e os efeitos de incêndios futuros. Ela disse:
“É incrível o que se pode inferir quando se tem capacidade computacional e tanta informação. Você pode fazer muitas perguntas que orientam diferentes ações em diferentes lugares e entender o que está associado às ignições de incêndios e seus efeitos.”
Considerações Finais
Terras selvagens como florestas ou campos são essenciais para a prosperidade humana. Afinal, elas mitigam as mudanças climáticas ao armazenar carbono, preservar habitats de vida selvagem e melhorar a resiliência da paisagem. Essas áreas sempre foram sujeitas a incêndios, mas nas últimas décadas, eles aumentaram tanto que se tornaram uma ameaça.
Esses incêndios massivos e não planejados estão devastando terras ao redor do mundo, exigindo uma melhor compreensão, avaliação e análise dos incêndios passados, suas estratégias de prevenção bem‑sucedidas e medidas de mitigação para não apenas prevenir incêndios, mas também melhorar o planejamento, a resposta, a adaptação, a mitigação custo‑efetiva e a limitação dos impactos adversos.
Como observamos acima, as autoridades estão constantemente aprimorando bancos de dados, que podem então ser incorporados em modelos de IA para explicar as probabilidades de incêndio e seus efeitos futuros. Esses modelos de IA bem testados podem então ser utilizados em conjunto com imagens de satélite para prever e prevenir incêndios futuros com precisão. Dessa forma, podemos proteger nossas terras selvagens, salvaguardar a biodiversidade e enriquecer vidas para as gerações futuras.
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