Cientistas criam nova forma de medir o fluxo dos rios

Uma equipe de cientistas e engenheiros da NASA e do US Geological Survey (USGS) colaborou para ver se um pequeno drone pilotado, equipado com uma carga útil especializada, poderia ajudar a criar mapas detalhados de quão rápido a água está fluindo. Os rios fornecem água doce para nossas comunidades e fazendas, fornecem lares para uma variedade de criaturas, transportam pessoas e bens e geram eletricidade.

Mas os fluxos dos rios também podem carregar poluentes rio abaixo ou aumentar repentinamente, representando perigos para pessoas, vida selvagem e propriedade. Enquanto a NASA continua seu compromisso contínuo de entender melhor nosso planeta natal, os pesquisadores estão trabalhando para responder à questão de como nos mantemos informados sobre onde e quão rapidamente os fluxos dos rios mudam.

Cientistas da NASA e do USGS se uniram para criar um pacote de instrumentos — do tamanho de um galão de leite — chamado River Observing System (RiOS). Ele apresenta câmeras térmicas e visíveis para rastrear o movimento das características da superfície da água, um laser para medir a altitude, sensores de navegação, um computador de bordo e um sistema de comunicação sem fio. Em 2023, os pesquisadores levaram o RiOS para o campo para testes ao longo de uma seção do Rio Sacramento no norte da Califórnia e planejam retornar para um terceiro e último teste de campo no outono de 2024.

“Implementar o RiOS acima de um rio para avaliar o desempenho do sistema em um cenário do mundo real é incrivelmente importante”, disse Carl Legleiter, investigador principal do USGS do projeto conjunto NASA-USGS StreamFlow. “Durante esses voos de teste, demonstramos que a carga útil a bordo pode ser usada para fazer cálculos — fazer a análise — quase em tempo real, enquanto o drone está voando acima do rio. Esse era um dos nossos principais objetivos: permitir latência mínima entre o momento em que adquirimos imagens e quando temos informações detalhadas sobre as velocidades atuais e padrões de fluxo dentro do rio.”

Para concretizar essa visão de computação embarcada, a equipe usa software de código aberto, combinado com seu próprio código, para produzir mapas de velocidades da superfície da água, ou campo de fluxo, a partir de uma série de imagens tiradas ao longo do tempo.

“Você pode pensar que precisamos ser capazes de ver objetos físicos discretos — como gravetos, lodo ou outros detritos conforme eles se movem rio abaixo — para estimar a velocidade do fluxo, mas nem sempre é esse o caso, nem sempre é possível”, disse Legleiter. “Usando uma câmera infravermelha altamente sensível, nós, em vez disso, detectamos o movimento de diferenças sutis na temperatura da água transportada rio abaixo.”

Essas mesmas pequenas diferenças de temperatura também aparecem onde quer que haja ondulações — como na fronteira entre o ar e a água ou gelo abaixo. Sabendo disso, os membros da equipe StreamFlow da NASA usaram esse fenômeno a seu favor ao desenvolver métodos para possíveis futuras missões planetárias pousadas para navegar em ambientes distantes e difíceis de ver, incluindo Europa, a lua gelada orbitando Júpiter.

“Superfícies geladas apresentam condições visuais desafiadoras, como falta de contraste”, disse Uland Wong, co-investigador e líder da NASA do projeto StreamFlow no Ames Research Center da NASA no Vale do Silício da Califórnia. “Nossa tecnologia pode rastrear precisamente a superfície estática de terreno gelado enquanto voa sobre ele, ou uma superfície em movimento, como água, enquanto paira sobre ela para manter a espaçonave segura enquanto coleta dados valiosos.”

Para se preparar para os testes de campo do Rio Sacramento, a equipe da NASA construiu um simulador de robótica para executar milhares de voos virtuais de drones sobre o local de teste do Rio Sacramento usando campos de fluxo modelados pelo USGS. Essas simulações estão ajudando a equipe a criar software inteligente capaz de selecionar as melhores rotas para o drone voar e garantir o uso eficiente da energia limitada da bateria.

O próximo passo na parceria é a NASA desenvolver técnicas para tornar o sistema mais autônomo. Os pesquisadores querem usar cálculos de fluxos de rios — realizados a bordo em tempo real — para orientar onde o drone deve voar em seguida.

“O drone desce para obter dados de melhor resolução sobre um local específico ou fica alto e captura uma visão de ângulo amplo?” perguntou Wong. “Se ele identificar áreas que estão fluindo particularmente rápido ou devagar, o drone poderia detectar mais rapidamente áreas de inundação?”

Atualmente, o USGS opera uma extensa rede de milhares de medidores de vazão automatizados e câmeras fixas instaladas em pontes e margens de rios para monitorar o fluxo dos rios em tempo real em todo o país.

“Os drones poderiam nos permitir fazer medições em muito mais áreas, potencialmente permitindo que nossa rede fosse maior, mais robusta e mais segura para nossos técnicos monitorarem e manterem”, disse Paul Kinzel, co-investigador do StreamFlow no USGS. “Os drones poderiam ajudar a manter nosso pessoal e equipamento fora de perigo, além de nos dizer como o ambiente está mudando ao longo do tempo em tantos locais quanto possível.”