Avanços tecnológicos na plataforma de monitoramento ambiental TerraMA 2

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1 Avanços tecnológicos na plataforma de monitoramento ambiental TerraMA 2 Eymar Silva Sampaio Lopes Gilberto Ribeiro de Queiroz Fabiano Morelli Projeto : Realização :

2 O que é a plataforma TerraMA 2? TerraMA 2 é um produto de software, uma plataforma computacional, baseado em uma arquitetura de serviços, aberta, que provê a infraestrutura tecnológica necessária ao desenvolvimento de sistemas operacionais para monitoramento de alertas de riscos ambientais. If (...? ) then... 2

3 O que é possível monitorar? 3

4 Concepção da Plataforma Objeto Monitorado Dados Ambientais dinâmicos Mapas vetoriais, Mapas de Riscos ou Mapas de Vulnerabilidades Ambientais Defesa Civil Saúde Pública Controle Ambiental Concessionárias,... Dados Meteorológicos, Hidrológicos, Atmosféricos, Geotécnicos... ) Pré análise das previsões e observações de extremos Integração dos dados Bases Geográficas Adicionais U s Análises Alertas u á Ações modelo x se x =? risco = 1 risco =2 Fim r i o s Dados Adicionais salva risco 4

5 Histórico Release /07/ TerraLib 3.2 e TerraPHP Release /07/ TerraLib 3.3 e TerraPHP - Inclui módulo de ADM para serviços Release /07/ TerraLib e TerraOGC - Novo módulo Web em java e serviços OGC. Inclui dados de ocorrências (ex: focos queimadas) Release /03/ TerraLib e TerraOGC - Correções, Release /10/ TerraLib e TerraOGC - Correções, versão em espanhol, importadores/exportação de servidores e séries de dados por meio de arquivos XML. Release 4 15/12/ TerraLib 5 e Gerserver 5

6 Diferenças TerraMA 2 v3 x v4 Uso da TerraLib 4 Necessidade dos módulos de Adm e Conf. serem executados na mesma máquina onde está o banco Serviços locais Somente cadastro de usuário para acesso a aplicação web de monitoramento. Ambiente de trabalho carregado por um arquivo. Todos os dados e metadados num único banco Módulo de Monitoramento com TerraOGC Estilo do TerraView 4.2 Versões para Win e Linux Uso da TerraLib 5 Módulo de Administração Web com diferentes perfis de usuário ( 1 aplicação web ) Serviços locais e remotos (Ssh) Administração de usuários com privilégio de administrador ou não. Conceito de projeto Dados Geo. distribuídos em arquivos ou tabelas Módulo de Monitoramento com Geoserver Estilos do Geoserver Versões para Win, Linux e Mac

7 Modernização da Plataforma (release 4.0) Administração e Configuração via Web Novo módulo de Monitoramento Web Arquitetura totalmente distribuída Maior flexibilidade de acesso a dados Integração da linguagem Python para construção de modelos Maior eficiência de processamento de dados matriciais Armazenamento no padrão OGC SFS Controle de usuários e projetos 7 Modernização da infraestrutura de desenvolvimento

8 TerraMA 2 : Projeto BRAZIL CERRADO CLIMATE CHANGE MITIGATION PLATFORM OF MONITORING AND WARNING OF FOREST FIRES IN THE BRAZILIAN CERRADO PROJECT (Alberto Setzer) Financiamento: Banco Mundial Prazo: 30 meses a partir de 01-Julho de 2015

9 Roadmap: alpha1 (18/12/15 ) alpha2 (18/06/16 ) beta1 (22/12/16 ) Alpha alpha3 (05/08/16 ) Beta beta2 (01/03/17 ) alpha4 (30/09/16 ) beta3 (28/05/17 ) alpha5 (11/11/16 ) alpha6 (07/12/16 )

10 Roadmap: rc1 (20/08/17 ) Release Candidate rc2 (15/09/17 ) rc3 (02/10/17 ) rc4 (01/11/17 ) (15/12/17 )

11 Modelo Conceitual TerraMA 2 v4

12 Projeto do TerraMA 2 v4

13 Dados Dinâmicos Dados de ocorrências - Focos de incêndios - Focos de doenças - Sismos - Descargas elétricas -Ocorrências gerais 13

14 Dados Dinâmicos Grades numéricas multidimensional OBSERVAÇÃO - Hidroestimador - Raios - Radar meteorológico PREVISÃO - Modelos de previsão 14

15 Dados Dinâmicos Dados pontuais do tipo PCD - PCDs - Sondas - Bóias - Estações 15

16 Onde obter dados ambientais dinâmicos? Programa de Queimadas do INPE Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos INPE Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais - INPE Sistema Integrado de Dados Ambientais 16

17 Dados Estáticos Mapas vetoriais rios, estradas, dutos, áreas ocupadas, mapas de risco, etc. Utilizados como objetos a serem monitorados nas análises, onde são cruzados com dados dinâmicos ou outros estáticos Podem fazer interseção espacial com o objeto de monitoramento Podem ser utilizados apenas para visualização no módulo de monitoramento WEB Atributos disponíveis para serem utilizados nas regras de análise 17

18 Dados Estáticos Mapas matriciais Podem ser utilizados como imagens de fundo no aplicativo de monitoramento Web. Podem ser utilizados em análises (ex: grade de declividade) juntamente com dados dinâmicos. CBERS-2 CCD, Minas Gerais, Brazil Brasilia: HRC + CCD 12 18

19 Base de Dados TerraMA 2 v4

20 Atores Administrador da plataforma Controle da base de dados Controle dos serviços e usuários Especialista Definição dos dados estáticos e dinâmicos utilizados Definição dos modelos de análise Usuário final Consulta e recebe alertas

21 Tipos de Análises 1) Baseada em Objetos Monitorados 2) Baseada em Grades 3) Baseada em PCD

22 Análise com Objetos Monitorados Utiliza um mapa estático para cruzar com dados dinâmicos ENTRADA Requer um mapa vetorial previamente disponível como dado estático; Requer dados dinâmicos cadastrados; Requer um modelo de análise escrito em Python. SAÍDA : tabela com os resultados da análise + = 1 n 22 Mapa com áreas a serem monitoradas Dados Ambientais dinâmicos Tabela com novas colunas dos resultados

23 Módulo de Configuração Análises (Modelos) Na Linguagem de programação Python pode-se utilizar : Atributos do mapa do objeto monitorado Operadores Python: Aritméticos: + - * / ^ Relacionais: == ~= < > <= >= Lógicos: and or not Matemáticas: math.abs math.acos math.asin math.atan. Condicionais : if for Operadores TerraLib: Zonais: maximo minimo media conta_amostras Históricos: operador_historico Grade: amostra Operadores PN : maximo_pn media_pn etc Operadores de influência das PCD s 23

24 Análises com Objetos Monitorados Operadores com Grades Numéricas simples Sintaxe: grid.zonal.mean("dataseriesname", buffer) Grade atual de observação de umidade relativa de nome Umin 24

25 Análises com Objetos Monitorados Operadores com Grades Numéricas simples Sintaxe: grid.zonal.history.<operador>("dataseriesname", "datefilter, buffer) Grade atual + passado de observação de umidade relativa de nome Umin 25

26 Análises com Objetos Monitorados Operadores com Grades Numéricas Multidimensional Sintaxe: grid.zonal.forecast.<operator>( dataseriesname, datefilter, buffer) Grade de previsão de umidade (arquivo com várias camadas) de nome Umin 26

27 Análises com Objetos Monitorados Operadores com Ocorrências Sintaxe: occurrence.count("dataseriesname", buffer, "datefilter", "restriction") Pontos de Ocorrências de nome ocorrencias 27

28 Operadores com PCD Análises com Objetos Monitorados Sintaxe: dcp.zonal.<operator>("dataseriesname", dcpid, "attribute") Pontos de PCD s do IBAMA com atributo Pluvio 28

29 Análise baseada em Grades ENTRADA Mapas estáticos matriciais disponíveis Requer dados dinâmicos matriciais cadastrados (pelo menos um) Requer um modelo de análise escrito em Python SAÍDA : Dado dinâmico matricial. + = 29 Dados matriciais estáticos Dados dinâmico matricial Dados dinâmico matricial

30 Análise de PCD Utiliza a localização de PCD s para alertar de alguma anomalia no ponto PCD s no campo valor + = 1 Dados Ambientais dinâmicos n Tabela com novas colunas dos resultados 30

31 Exemplo de integração de dados Qual o nível de alerta considerando que há ocorrências de focos de queimadas próximos a uma área ambiental nas ultimas 6 horas e a previsão da umidade é menor que 30% nas próximas 4 horas? Focos de Queimadas - Dados a cada 15 min. - Contagem de pontos Previsão ETA Model - Rodado 2 x /dia (0 h e 12 h) - Valores em % (para eta 5 x 5 km) 31

32 var1 = occurrence.zonal.count("ocorrencias", Buffer(), 6h ) var2 = grid.zonal.forecast.min( ETA5km, 4h, Buffer() ) var3 = var1 + var2? 32

33 var1 = occurrence.count("ocorrencias", Buffer(), 6h ) var2 = grid.zonal.forecast.min( ETA5km, 4h, Buffer() ) var3 = var1 + var2? 33

34 var1 = occurrence.count("ocorrencias", Buffer(), 6h ) var2 = grid.zonal.forecast.min( ETA5km, 4h, Buffer() ) var3 = var1 + var2? 34 Exemplo 4

35 Módulo de Administração WEB PROJETOS

36 Módulo de Administração WEB SERVIDORES de DADOS

37 Módulo de Administração WEB DADOS DINÂMICOS

38 Módulo de Administração WEB DADOS ESTÁTICOS

39 Módulo de Administração WEB ANÁLISES

40 Módulo de Administração WEB ANÁLISES

41 Módulo de Administração WEB VISUALIZAÇÕES

42 Módulo de Monitoramento WEB

43 Módulo de Monitoramento WEB Informações dos objetos das camadas

44 Módulo de Monitoramento WEB Atributos das camadas (Pesquisa na tabela)

45 Módulo de Monitoramento WEB Legenda das camadas selecionadas

46 Módulo de Monitoramento WEB Acesso a camadas restritas por usuário

47 Módulo de Monitoramento WEB Filtros para dados dinâmicos de ocorrência

48 USOS Dissertações, teses, pós-doc João Reis mestrado UNIFEI : Monitoramento e alerta de inundação no município de Itajubá (MG) através de modelos matemáticos doutorando no INPE? Carina Rodrigues mestrado INPE : Mapeamento de suscetibilidade a escorregamentos de Nova Friburgo-RJ por meio de inferência fuzzy e elaboração de cenários de alerta com uso do TerraMA 2 Elias Arruda pós-doc INPE : Calibração de modelos de escorregamento utilizando a plataforma para monitoramento, análise e alerta a extremos ambientais (TerraMA 2 ) no município de Nova Friburgo-RJ Flavio Magina doutorando INPE: Desenvolvimento de um sistema nacional de alerta de ocorrência de raios Hugo Bendini GeoInfo 2014 Proposal for a forecasting system of black sigatoka based on environmental variables using TerraMA 2

49 MONITORAMENTO E ALERTA DE INUNDAÇÃO NO MUNICÍPIO DE ITAJUBÁ (MG) ATRAVÉS DE MODELOS MATEMÁTICOS 04/02/ /01/2000 O objetivo foi criar um sistema de monitoramento e alerta com antecedência para o município de Itajubá, utilizando somente dados de nível fluviométrico. Mestrado : João Bosco Coura dos Reis Orientadora: Profa. Dra. Nívea Adriana Dias Pons Coorientador: Dr. Eymar Silva Sampaio Lopes UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MEIO AMBIENTE E RECURSOS HÍDRICOS 49

50 MONITORAMENTO E ALERTA DE INUNDAÇÃO NO MUNICÍPIO DE ITAJUBÁ (MG) ATRAVÉS DE MODELOS MATEMÁTICOS Ajuste do modelo para previsão de nível Qual equação melhor representa o aumento do nível do rio em Santa Rosa? 50

51 MONITORAMENTO E ALERTA DE INUNDAÇÃO NO MUNICÍPIO DE ITAJUBÁ (MG) ATRAVÉS DE MODELOS MATEMÁTICOS Validação e resultados do modelo de regressão polinomial Exemplo : Santa Rosa versus São Pedro Resultados dos testes estatísticos: prev. 3h RMSE MAD (m) R² Evento 1 0,0569 0,663 0,9665 Evento 2 0,0336 1,073 0,9772 Média 0,0452 0,868 0,9719 Resultados dos testes estatísticos: prev. 4h RMSE MAD (m) R² Evento 1 0,0613 0,6651 0,9858 Evento 2 0,0676 1,0494 0,9582 Média 0,0644 0,8573 0,972 NSR(t+3h) = - 0, ,868 * NSP(t) - 0,1823 * [NSP(t)]² - 0,0068 * [NSP(t)]³ 51 NSR(t+4h) = - 0, ,7982 * NSP(t) - 0,127 * [NSP(t)]² - 0,0177 * [NSP(t)]³

52 MONITORAMENTO E ALERTA DE INUNDAÇÃO NO MUNICÍPIO DE ITAJUBÁ (MG) ATRAVÉS DE MODELOS MATEMÁTICOS Desenvolvimento do sistema de monitoramento com a TerraMA 2 Evolução dos alertas gerados pela execução do modelo de análise Analises_PCDs Normal Observação Atenção Alerta Máximo 52

53 MONITORAMENTO E ALERTA DE INUNDAÇÃO NO MUNICÍPIO DE ITAJUBÁ (MG) ATRAVÉS DE MODELOS MATEMÁTICOS Desenvolvimento do sistema de monitoramento com a TerraMA 2 Analise_SantaRosa(AguaLimpa_prev4h) 53

54 CALIBRAÇÃO DE MODELOS DE ESCORREGAMENTO UTILIZANDO A PLATAFORMA PARA MONITORAMENTO, ANÁLISE E ALERTA A EXTREMOS AMBIENTAIS (TerraMA 2 ) NO MUNICÍPIO DE NOVA FRIBURGO-RJ Implementação do modelo SINMAP (Pack et al. 2005) na plataforma TerraMA 2 Variável dinâmica Pós-Doc do Candidato: Elias Ribeiro de Arruda Junior Supervisores: Evlyn Márcia Leão de Moraes Novo e Eymar Silva Sampaio Lopes 54

55 CALIBRAÇÃO DE MODELOS DE ESCORREGAMENTO UTILIZANDO A PLATAFORMA PARA MONITORAMENTO, ANÁLISE E ALERTA A EXTREMOS AMBIENTAIS (TerraMA 2 ) NO MUNICÍPIO DE NOVA FRIBURGO-RJ Dados de Entrada (SINMAP) Declividade Área de Contribuição 55

56 CALIBRAÇÃO DE MODELOS DE ESCORREGAMENTO UTILIZANDO A PLATAFORMA PARA MONITORAMENTO, ANÁLISE E ALERTA A EXTREMOS AMBIENTAIS (TerraMA 2 ) NO MUNICÍPIO DE NOVA FRIBURGO-RJ Modelo escrito e LUA e saída das grades Variáveis estáticas 56...

57 CALIBRAÇÃO DE MODELOS DE ESCORREGAMENTO UTILIZANDO A PLATAFORMA PARA MONITORAMENTO, ANÁLISE E ALERTA A EXTREMOS AMBIENTAIS (TerraMA 2 ) NO MUNICÍPIO DE NOVA FRIBURGO-RJ Modelo escrito e LUA e saída das grades Cada nova grade de precipitação uma nova grade do Índice de Estabilidade é criada... 57

58 CALIBRAÇÃO DE MODELOS DE ESCORREGAMENTO UTILIZANDO A PLATAFORMA PARA MONITORAMENTO, ANÁLISE E ALERTA A EXTREMOS AMBIENTAIS (TerraMA 2 ) NO MUNICÍPIO DE NOVA FRIBURGO-RJ Análise nas áreas de risco a partir da grade de SI Cada nova grade do Índice de Estabilidade criada uma nova análise nas área de risco são calculadas... 58

59 Risco de Fogo Observado Precipitação Acumulada Umidade Relativa Mínima Temperatura Máxima Vegetação Cálculo do Risco de Fogo Observado 59

60 60 TerraMA 2 - Análise baseado em Grades Cálculo do Risco de Fogo Observado

61 61 Risco a Deslizamento Inferência espacial

62 Coeficiente de Ciclo Móvel (CCM) Guidicini e Iwasa (1977) Para monitoramento em períodos longos Comparação entre os totais mensais de um dado ano e as médias históricas. CCM=1 representa o valor normal esperado de precipitação pluviométrica para um dado momento do ano CCM = Total mensal / Média histórica 62