Em um estudo recente publicado na revista ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, pesquisadores do LabISA-INPE, em colaboração com Universidade do Mississippi, CETESB e NASA, desenvolveram algoritmos inovadores para estimar a biomassa de cianobactérias no reservatório Billings, em São Paulo. As cianobactérias, conhecidas por ameaçar a qualidade da água em reservatórios de abastecimento público devido à liberação de toxinas prejudiciais, são uma preocupação constante devido à sua presença em altas concentrações na Billings. Por sua vez, o reservatório desempenha um papel de suma importância no abastecimento de água para a maior região metropolitana da América Latina, contribuindo para a segurança hídrica de milhões de habitantes na capital e da Grande São Paulo.

Figura 1: Área de Estudo: Represa Billings e suas seis sub-regiões em imagem de composição cor verdadeira do sensor hiperespectral do satélite PRISMA.

A pesquisa usou dados do sensor hiperespectral italiano PRISMA para simular imagens de outros dois sensores (Landsat-8/OLI e Worldview-3) e avaliar sua eficácia na quantificação de microalgas. Três algoritmos de IA (Randon Forest, XGBoost e SVM) foram calibrados para cada plataforma (PRISMA, Landsat, Worldview) usando dados de campo coletados pela equipe LabISA em colaboração com a CETESB e a FAPESP. O estudo é pioneiro na quantificação remota de cianobactérias em ambientes tropicais, e com o apoio de pesquisadores da NASA, comparou os resultados obtidos nos modelos calibrados pela equipe de brasileiros com o melhor modelo de IA disponível para quantificação de cianobactérias, desenvolvidos pelos americanos (MDN). Apesar do MDN ser o padrão-ouro na quantificação remota global de cianobactérias, o modelo foi calibrado com dados coletados nos EUA e na Europa, e sua aplicação em águas brasileiras ainda não havia sido cientificamente avaliada.

Os resultados dos modelos calibrados pela equipe do LabISA foram superiores aos dos obtidos pelo MDN, provavelmente pelas diferenças biópticas entre lagos tropicais e temperados, uma vez que dados de reservatórios do hemisfério Sul não estavam inclusos na calibragem do modelo americano. Dentre os algoritmos desenvolvidos no estudo, a plataforma PRISMA foi a mais precisa, seguida pelo Wordview-3 e Landsat-8. Contudo, a acurácia de todos os modelos (45-75% de incerteza) se encontra dentro da faixa reportada em outros estudos para a estimativa de parâmetros de qualidade da água por meio de sensores remotos, atestando a capacidade dos algoritmos de serem integrados em plataformas de monitoramento ambiental.

A pesquisa também revelou informações significativas sobre a comunidade de microalgas na represa, incluindo aspectos biológicos e ecológicos importantes. Os cientistas observaram que as cianobactérias brasileiras apresentam uma concentração de pigmentos fotossintéticos, que são proteínas essenciais para a realização da fotossíntese pelas algas, significativamente menor do que as algas encontradas em regiões temperadas. Embora esse comportamento já tenha sido documentado em estudos de laboratório, este estudo foi pioneiro ao observar e relatar essa relação em ambientes naturais. Os pesquisadores acreditam que a maior exposição à radiação solar nos trópicos reduz a necessidade das algas de desenvolver um aparato fotossintético relativamente extenso, em contraste com as regiões temperadas.

Por fim, o estudo identificou uma presença contínua e acentuada de algas tóxicas próximas a áreas urbanas, com uma diminuição gradual à medida que se avança em direção às regiões mais preservadas do reservatório, especialmente nas proximidades do Parque Estadual da Serra do Mar. A região preservada também se destacou por um aumento considerável nos índices de biodiversidade de microalgas, que juntamente com a redução na concentração de cianobactérias, indica uma melhor qualidade da água. Em última análise, os resultados sugerem que a atividade humana na bacia hidrográfica da Billings e a ocupação das margens da represa têm efeitos prejudiciais na qualidade da água, representando uma ameaça para o uso sustentável dos recursos hídricos do reservatório pela população de São Paulo.

Figura 2: Resultados da análise taxonômica espacializada na Represa Billings. A) Riquesa das espécies do Fitoplâncton; B) Estrutura da comunidade de Fitoplâncton

Esta pesquisa enfatiza a importância de estudos de monitoramento de cianobactérias em reservatórios brasileiros, uma vez que métodos desenvolvidos para reservatórios de clima temperado não são facilmente aplicáveis em ambientes tropicais. Além disso, o monitoramento de algas tóxicas se torna ainda mais crítico para a manutenção da segurança hídrica em cidades considerando a intensificação da urbanização e o aquecimento global, que estão associados ao aumento no crescimento desses organismos. Os algoritmos desenvolvidos nesta pesquisa serão integrados na plataforma de monitoramento de qualidade de água desenvolvida pelo LabISA-INPE, o MAPAQUALI. Espera-se que a produção de mapeamentos regulares de cianobactérias, disponíveis ao público, contribua para melhorar a qualidade da água na represa Billings, fortalecendo o abastecimento de água e serviços ecossistêmicos oferecidos pelo reservatório.

Figura 3: Mapas de concentração de C-Ficocianina, pigmento fotossintetizante marcador de cianobactérias, no reservatório Billings. Cada mapa representa uma plataforma orbital, associada com seu algoritmo de IA de maior acurácia.

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