Coupling advanced earth observation, Machine learning, GeoAI, and CA-ANN model for assessing Spatio-temporal LULC change in Gilgel Gibe I Watershed, Upper Omo-Gibe Basin, Ethiopia

A paisagem da Terra nunca está verdadeiramente estática. Ela respira, desloca-se e transforma-se à medida que as pessoas plantam culturas, constroem casas e desmatam florestas para abrir caminho para novas necessidades. Essa constante remodelagem do solo sob nossos pés é conhecida como mudança no uso do solo, e é uma das forças mais poderosas que alteram o nosso planeta hoje. Quando áreas naturais como florestas e campos são convertidas em fazendas ou cidades, os efeitos em cascata tocam tudo, desde a água que flui nos rios até os animais que habitam esses lugares. Para compreender essas mudanças, os cientistas há muito dependem de observar a Terra de cima, usando satélites para tirar fotos do mesmo local ao longo de muitos anos. Nas últimas décadas, a capacidade de processar essas coleções massivas de imagens explodiu, graças a computadores potentes na nuvem que podem analisar vastas quantidades de dados em segundos. Ao combinar essas visões de satélite com programas de computador inteligentes que podem aprender padrões, os pesquisadores podem agora não apenas ver como uma paisagem mudou no passado, mas também simular como ela poderá parecer no futuro. Esta capacidade é vital para comunidades que precisam planejar a segurança hídrica, a produção de alimentos e a proteção do seu ambiente natural.

Nas terras altas da Etiópia, uma região conhecida como a Bacia Hidrográfica de Gilgel Gibe I, essas mudanças estão acontecendo com uma velocidade impressionante. Esta área, que alimenta o massivo sistema do rio Omo-Gibe, é uma fonte crítica de água para irrigação, consumo humano e geração de eletricidade para o país. No entanto, a terra aqui está sob intensa pressão. Uma equipe de pesquisadores partiu para entender exatamente o que tem acontecido com a terra nas últimas duas décadas e para prever o que poderá acontecer nas décadas vindouras. Eles focaram em uma questão específica: à medida que a população cresce e a necessidade de alimentos e habitação aumenta, como o equilíbrio entre florestas, campos e terras agrícolas está mudando, e o que isso significa para o futuro da bacia hidrográfica?

Para responder a isso, os cientistas recorreram a um kit de ferramentas digitais que combina imagens de satélite avançadas com inteligência artificial. Eles reuniram imagens do espaço capturadas em 2004, 2014 e 2024, cobrindo um período de vinte anos. Estas imagens vieram de diferentes satélites, alguns capturando a Terra com alto detalhe e outros fornecendo uma visão mais ampla. Usando um sistema baseado na nuvem chamado Google Earth Engine, os pesquisadores alimentaram estas imagens com um algoritmo de aprendizado de máquina conhecido como Random Forest. Pense neste algoritmo como um estudante de visão muito aguçada que foi mostrado milhares de exemplos do que florestas, fazendas e cidades parecem vistos do espaço. Ao aprender com estes exemplos, o computador foi capaz de classificar automaticamente cada pixel das imagens em uma de seis categorias: floresta, água, áreas construídas, solo nu, campo e agricultura. O computador fez isso com uma precisão notável, identificando corretamente a cobertura do solo mais de 93% das vezes no ano mais recente, dando à equipe uma imagem clara e precisa da paisagem em três momentos distintos no tempo.

Os resultados desta revisão histórica revelaram uma transformação dramática. Em 2004, quase 20% da bacia hidrográfica era coberta por floresta. Em 2024, esse número caiu drasticamente para pouco mais de 8%, uma perda de quase 50.000 hectares de árvores. Em seu lugar, a agricultura surgiu fortemente. As terras agrícolas expandiram-se de uma cobertura de cerca de 60% da área em 2004 para quase 79% em 2024. Esta mudança não foi um desvio lento, mas uma conversão rápida, onde florestas naturais e campos foram sistematicamente transformados em campos de cultivo para alimentar uma população crescente. Ao mesmo tempo, a área coberta por assentamentos humanos, ou áreas construídas, explodiu. O que antes era uma fração minúscula da paisagem, menos de 1%, cresceu para mais de 3% em apenas vinte anos, representando um aumento massivo na pegada de cidades e aldeias. Os campos, que outrora cobriam quase 13% da bacia hidrográfica, foram reduzidos à metade, desaparecendo para dar lugar a culturas e assentamentos.

Mas a história não termina com o passado. Os pesquisadores queriam saber para onde esta trajetória estava indo. Para fazer isso, utilizaram um modelo de simulação sofisticado que combina dois conceitos poderosos: autómatos celulares e redes neurais artificiais. Em termos simples, este modelo atua como uma bola de cristal digital. Ele observa as regras que governaram as mudanças na terra entre 2004 e 2014 — como a proximidade de um terreno a uma estrada, a inclinação da encosta ou a distância de uma cidade — e aplica essas mesmas regras para prever como a terra será em 2034 e 2044. Antes de confiar o modelo para o futuro, a equipe testou-o pedindo que previsse a paisagem de 2024 com base em dados anteriores. O modelo teve sucesso, correspondendo ao mapa real de 2024 com alta precisão, o que lhes deu confiança para olhar mais adiante.

As projeções para as próximas décadas pintam um quadro sombrio de continuidade de mudanças. Se as tendências atuais persistirem, espera-se que a cobertura florestal na bacia hidrográfica encolha ainda mais, caindo para apenas 6,5% da área total até 2044. Isso significaria que mais de três quartos da floresta que existia em 2004 teria desaparecido. Por outro lado, projeta-se que as terras agrícolas se expandam para cobrir mais de 81% da bacia hidrográfica, aproximando-se de um ponto onde restará muito pouco terreno natural para converter. As áreas construídas também devem crescer rapidamente, duplicando de tamanho nos próximos vinte anos à medida que a urbanização acelera. Os campos, já diminuídos, devem desaparecer quase inteiramente, deixando para trás uma paisagem dominada por culturas e concreto.

Estas mudanças trazem implicações profundas para a saúde da bacia hidrográfica e para as pessoas que dela dependem. Florestas e campos atuam como esponjas naturais, absorvendo a chuva e libertando-a lentamente nos rios, o que ajuda a prevenir inundações durante chuvas intensas e mantém o fluxo de água durante as estações secas. À medida que estas áreas naturais são substituídas por superfícies duras e agricultura intensiva, a terra perde esta capacidade de regular a água. Isto pode levar a um escoamento mais rápido, maior erosão do solo e um risco elevado tanto de inundações como de secas. Além disso, o sedimento lavado das áreas agrícolas erodidas pode entupir os reservatórios que alimentam as centrais hidroelétricas da região, ameaçando o fornecimento de eletricidade a longo prazo. A perda de campos também ameaça o sustento das comunidades pastoris que dependem de pastagens abertas para o seu gado.

O estudo não afirma que estes resultados futuros sejam inevitáveis, mas sim que são o resultado provável se os padrões atuais de desenvolvimento continuarem sem controlo. Os investigadores enfatizam que estas simulações baseiam-se em tendências históricas e não contabilizam potenciais mudanças em políticas, novos esforços de conservação ou mudanças no comportamento económico. No entanto, a clareza dos dados fornece um aviso poderoso. Sugere que, sem intervenção significativa para proteger as florestas restantes e gerir a expansão agrícola de forma mais sustentável, a bacia hidrográfica poderá enfrentar desafios ambientais severos. As descobertas oferecem uma ferramenta crítica para planeadores e decisores políticos, fornecendo uma base visual e quantitativa clara para a tomada de decisões sobre o uso do solo. Ao compreender exatamente como a paisagem está a mudar e para onde se dirige, a região tem a oportunidade de conduzir o seu desenvolvimento para um futuro que equilibre as necessidades humanas com a preservação dos sistemas naturais vitais que as sustentam.