A platform and ontologies for environment data sharing and the use of Machine Learning models for wildfire ignition and prediction

Abstract

Ecossistemas, assentamentos e vidas humanas são colocados em risco por incêndios florestais todos os anos, impactando a economia e o desenvolvimento socioeconômico. O Distrito Federal brasileiro, inserido no bioma Cerrado, vem apresentando um aumento desses fenômenos. No entanto, poucos estudos foram realizados na região. Vários modelos têm sido propostos mundialmente para a previsão da ocorrência e comportamento do fogo, permitindo a identificação dos fatores que os favorecem, os riscos e pós-efeitos. A aplicação direta de tais modelos na região do Distrito Federal é desafiadora devido às diferenças nas fontes de dados, características geográficas das regiões e indisponibilidade de dados em alguns casos. Por outro lado, o uso de tecnologias de informação e comunicação e a ampla disseminação de equipamentos eletrônicos (por exemplo, redes de sensores e terminais celulares) são essenciais para o tratamento adequado de grandes volumes de dados com valor substancial para o desenvolvimento de cidades inteligentes. Particularmente, os dados ambientais de cidades inteligentes podem enriquecer os estudos sobre incêndios florestais. No entanto, propostas recentes têm enfrentado a mesma desvantagem, pois os dados são incompletos, seguem diferentes formatos de representação e até possuem diferentes conotações semânticas. A heterogeneidade de objetos inteligentes conectados à Internet (ou seja, interfaces de rede, protocolos de comunicação, estrutura de dados, precisão de aquisição e semântica de dados) tem causado problemas de interoperabilidade, dificultando a eficácia dos sistemas de apoio à decisão intimamente relacionados à qualidade dos dados. A aplicação de algoritmos de big data e aprendizado de máquina para melhorar os processos relacionados a cidades inteligentes são alguns dos exemplos impactados negativamente pela falta de padrões. As soluções para cidades inteligentes devem garantir a interoperabilidade desde a captura de dados até a extração e visualização do conhecimento por meio de tecnologias como Web Semântica e ontologias. Além disso, os componentes envolvidos devem incluir dispositivos IoT, gateways, cloud e fog computing para uma melhor aplicação das técnicas de análise de dados. Nesse sentido, esta tese propõe uma plataforma de cidade inteligente para monitoramento da qualidade ambiental baseada em tecnologias semânticas e ontologias, possibilitando um sistema de coleta e compartilhamento de dados multidefinição e multiprotocolo. Ele também apresenta uma metodologia para a extração de insights sobre os dados coletados e um mecanismo para cálculos baseados em nuvem e neblina. Além disso, são propostas ontologias para a representação semântica e definição do esquema de armazenamento considerando cidade inteligente, internet das coisas florestais (IoFT) e terminologia relacionada ao fogo. Um conjunto de dados foi compilado a partir de dados abertos governamentais brasileiros para a previsão do comportamento de incêndios florestais e usado para o treinamento de vários modelos de Machine Learning que consideram o ponto de ignição do fogo para prever as áreas que serão impactadas. Inclui observações sobre características climáticas de 5 estações de monitoramento e dados de satélite sobre incêndios ocorridos nas últimas duas décadas e foi enriquecido com outras características topográficas, hidrográficas e antropogênicas, como índice de urbanização, distância a rios/estradas e vegetação de diferença normalizada Índice (NDVI). Como resultado, a plataforma de monitoramento ambiental foi desenvolvida e testada quanto à previsão de propagação e comportamento de incêndios florestais em um momento específico e/ou em regiões específicas para auxiliar os órgãos de gestão de incêndios a minimizar os danos causados. Tal estudo de caso mostrou a aplicação do aprendizado de máquina como o principal fator para melhorar os estudos de risco e comportamento de incêndio, impactando diretamente na sustentabilidade dos ecossistemas e promovendo diversas melhorias no estudo de incêndios na região do Distrito Federal.