UAVS AND INFRARED CAMERAS IN CLIMATE RESEARCH: A BIBLIOMETRIC ANALYSIS
REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.10938191
Autor: Eduardo Julio de Medeiros1
Orientador: Eduardo Leite Krüger2
Resumo
Este artigo aborda uma análise bibliométrica sobre o uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) equipados com câmeras infravermelhas (IR) na coleta de dados de temperatura de superfície, destacando sua importância no contexto das mudanças climáticas e seu impacto em ambientes urbanos. Explora o crescimento do interesse nesse campo de estudo, as principais colaborações e tendências, e enfatiza a necessidade de mais pesquisas, especialmente em países em desenvolvimento como o Brasil. O estudo demonstra como VANTs oferecem uma alternativa valiosa aos métodos tradicionais de coleta de dados de temperatura de superfície, como imagens obtidas de satélites, leituras manuais em campo e aeronaves tripuladas, devido à sua alta resolução e flexibilidade.
Palavras-chave: Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs); câmeras infravermelhas; temperatura de superfície.
Abstract
This article addresses a bibliometric analysis on the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) equipped with infrared cameras in collecting surface temperature data, highlighting their importance in the context of climate change and its impact on urban environments. It explores the growth of interest in this field of study, the main collaborations and trends, and emphasizes the need for more research, especially in developing countries like Brazil. The study demonstrates how UAVs offer a valuable alternative to traditional surface temperature data collection methods, such as images obtained from satellites, manual readings in the field and manned aircraft, due to their high resolution and flexibility.
Keywords: Unmanned Aerial Vehicles (UAVs); infrared cameras; surface temperature.
1 INTRODUÇÃO
A crescente preocupação com as mudanças climáticas e seus impactos nos ambientes urbanos e na qualidade de vida humana tem impulsionado a busca por tecnologias avançadas capazes de monitorar e analisar esses fenômenos (LI, STRINGER, DALLIMER, p. 164, 2022) (KUMAR, 2021). Nesse contexto, os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) equipados com câmeras infravermelhas emergem como uma solução promissora, oferecendo novas perspectivas para a coleta de dados de temperatura de superfície e para o estudo de fenômenos microclimáticos urbanos, como as ilhas de calor (GARTLAND, 2010, p. 17). A integração dessas tecnologias permite a obtenção de imagens térmicas e dados de temperatura de uma maneira não intrusiva, versátil e com alta resolução espacial, superando limitações dos métodos tradicionais (SOTO-ESTRADA, CORREA-ECHEVERI, POSADA-POSADA, 2017).
Este artigo visa explorar, por meio de uma análise bibliométrica, o panorama atual da pesquisa sobre o uso de VANTs e câmeras infravermelhas na pesquisa climática, identificando tendências, principais contribuições e padrões de colaboração no campo. Através da revisão de publicações científicas relevantes, pretende-se desvendar o crescimento do interesse nessa área, bem como as potencialidades e desafios associados à sua aplicação em estudos de temperatura de superfície. A análise abrange publicações em um período determinado, destacando os autores, instituições e países mais produtivos, além de examinar padrões de citação e temas emergentes de pesquisa relacionados a essas tecnologias.
A adoção de VANTs com câmeras infravermelhas representa um avanço significativo no monitoramento ambiental e na compreensão dos complexos processos climáticos que afetam as zonas urbanas (AMORIM, 2020, p. 42). Ao proporcionar dados detalhados e atualizados, essas ferramentas têm o potencial de contribuir significativamente para o desenvolvimento de estratégias de mitigação e adaptação às mudanças climáticas, promovendo cidades mais sustentáveis e resilientes (FABBRI, COSTANZO, 2020) (SONG, PARK, 2020). Este estudo busca, portanto, oferecer uma visão abrangente do estado atual da pesquisa na área, identificando lacunas de conhecimento e sugerindo direções futuras para investigações adicionais.
2 Revisão da Literatura
A análise bibliométrica fornece uma visão abrangente do cenário de pesquisa sobre o uso de veículos aéreos não tripulados equipados com câmeras infravermelhas para estudos de temperatura de superfície. Ao analisar publicações científicas relevantes, pretende-se explorar o crescimento, as tendências e os principais contribuintes neste campo. Esta análise abrange um período de tempo especificado e identifica os temas e países mais produtivos. Além disso, examinaram-se padrões de citação, redes de colaboração e temas de pesquisa associados a imagens infravermelhas baseadas em VANT para estudos climáticos.
Os fenômenos de mudança climática têm atraído crescente preocupação devido ao seu impacto significativo nos ambientes urbanos e no bem-estar humano. A integração de VANTs e câmeras infravermelhas surgiu como uma ferramenta valiosa para monitorar e analisar tais fenômenos. Através desta análise bibliométrica, procuramos descobrir as tendências e padrões de pesquisa.
Para conduzir a análise, foram pesquisados sistematicamente os bancos de dados científicos relevantes usando palavras-chave apropriadas, como “UAV”, “surface”, “VANT”, “câmera infravermelha”, “temperatura da superfície”, entre outras. Os dados coletados foram submetidos a técnicas bibliométricas, incluindo análise de citações, análise de coautoria e análise de palavras-chave.
Os resultados da busca revelam o crescimento e a distribuição de publicações ao longo do tempo, indicando o crescente interesse em imagens infravermelhas baseadas em VANT para estudos de temperatura superficial. Identificaram-se os autores e instituições mais produtivos, lançando luz sobre os principais colaboradores nesta área. Além disso, a análise de coautoria revela redes colaborativas entre pesquisadores, destacando as principais parcerias e colaborações. O exame dos padrões de citação fornece informações sobre estudos influentes e seus impactos. A análise de palavras-chave revela temas de pesquisa dominantes e tópicos emergentes no campo.
Essas descobertas podem orientar pesquisadores, instituições e formuladores de políticas na compreensão do estado atual do campo, identificando lacunas de pesquisa e promovendo mais avanços na utilização de imagens infravermelhas baseadas em VANT para estudos de temperatura de superfície.
3 METODOLOGIA
Esta etapa tem como objetivo pesquisar as publicações sobre o uso de VANTs equipados com câmeras infravermelhas térmicas na análise de temperatura de superfície. Para tanto, foi utilizada uma revisão sistemática das publicações recentes existentes na base de dados Scopus, por essa ser a base de dados com o maior número de artigos indexados.
A Scopus, é conhecida por ser o maior banco de dados de resumos e citações de literatura revisada por pares, abrangendo revistas científicas, livros e anais de conferências. Oferece uma visão abrangente da produção global de pesquisa em diversos campos, incluindo ciência, tecnologia, medicina, ciências sociais e artes e humanidades. Com mais de 75 milhões de registros indexados, destaca-se como um recurso crítico para a comunidade acadêmica e de pesquisa, fornecendo ferramentas para rastrear, analisar e visualizar pesquisas de forma eficiente.
As revisões sistemáticas ajudam a sintetizar todas as evidências disponíveis sobre um tópico para que uma decisão informada possa ser tomada sobre a recomendação ou não de qualquer intervenção ou tratamento específico, incluem uma busca por estudos relevantes e são projetadas para combinar as melhores evidências disponíveis de uma variedade de projetos de pesquisa para produzir uma conclusão sobre os efeitos de um determinado estudo. As revisões sistemáticas melhoram a qualidade e a precisão das decisões, fornecendo evidências abrangentes sobre os efeitos das intervenções.
Segundo Ramos, Farias, Farias (2014), o processo de pesquisa é determinado a partir de um protocolo devidamente especificado. A seleção dos dados assente na definição de critérios e objetivos rigorosos, pautados por procedimentos o mais distantes possível de crenças pessoais ou avaliações subjetivas influenciadas por coordenadas geográficas ou pela pertença a uma determinada comunidade acadêmica. Recursos digitais, como bancos de dados online, suportam todo o processo de concepção e realização de uma revisão sistemática da literatura.
A estratégia adotada na revisão sistemática buscou os termos de interesse nos campos título, resumo e palavras-chave somente em artigos. A princípio, optou-se pelo sistema de busca simples, onde os termos de busca utilizados foram os mais relevantes sobre o tema: “UAV”, “UAS”, “DRONE” ou “VANT”, são as terminologias utilizadas para denominar o equipamento utilizado para os estudos. “INFRA*”, “IR” ou “TIR”, para que com base nos primeiros termos da busca, sejam filtrados os resultados que contenham o tipo de câmera (térmica) utilizada na pesquisa.
E por fim, incluindo também os resultados que contenham uma das palavras-chave: “SURFACE” ou “SUPERFICIE”, que são os termos comuns na pesquisa de temperatura de superfície, o que resultou em 1.081 correspondências, conforme mostrado na Tabela 1.
A partir desse resultado inicial, foram aplicados filtros com base nas respostas fornecidas pela base de dados Scopus, utilizando os caracteres booleanos AND e OR para incluir os termos e temas relacionados ao assunto, e excluindo aqueles que não se encaixavam na busca. Os resultados desejados também foram delimitados a artigos publicados nos últimos 10 anos (2013 – 2023), no idioma inglês ou português, que estejam classificados em uma das seguintes áreas de interesse: Engenharias, ciências do meio ambiente ou ciência dos materiais, o que retornou 110 documentos. Áreas como matemática, química, agricultura, entre outras, foram desconsideradas por não fazerem parte do tema foco deste estudo, conforme Tabela 2.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados revelaram que as pesquisas mais relevantes nas áreas de engenharia representam 43,1%, seguidas de estudos ambientais e ciências computacionais (Figura 1), o que pode ser justificado pelo apelo do tema. Estas áreas representam mais da metade do total de estudos encontrados.
Figura 1 – Documentos pela área de estudo
Fonte: Adaptado Scopus (2023)
Com relação aos países que se destacam na pesquisa do tema, Estados Unidos aparece em primeiro lugar em número de pesquisas publicadas, seguidos da China (Figura 2), esse aspecto pode ser devido ao fato dos mesmos estarem na vanguarda dos países em desenvolvimento e na fabricação de equipamentos inovadores, o que justifica seu interesse em aprofundar pesquisas relacionadas a tecnologias.
O Brasil não figura com artigos neste tema de acordo com os critérios utilizados na pesquisa da base de dados. Os artigos das pesquisas desenvolvidas no Brasil foram identificados através do método bola de neve. No entanto, não foram localizadas pesquisas que utilizaram VANTs com câmeras térmicas integradas, mas sim VANTs de uso geral adaptados.
Figura 2 – Documentos por país
Fonte: Adaptado Scopus (2023)
Na Figura 3, pode-se observar o crescente número de estudos nos últimos anos, partido de menos de 5 artigos em 2013 para 25 em 2022. Observa-se um crescimento em especial de 2018. Fato que pode ser justificado pela popularização (aqui inclui-se a diversificação e novas propostas de usos) e barateamento do custo dos equipamentos.
Figura 3 – Documentos por ano
Fonte: Adaptado Scopus (2023)
A co-ocorrência das palavras-chave mostra que o uso dos VANTs tem conexões fortes com sensoriamento remoto, fotogrametria, modelos digitais de superfície, temperatura de superfície, temperatura atmosférica e câmeras, e também com temas ligados a absorção, desempenho, sistemas inteligentes, e inteligência artificial, como observado na Figura 4 e Tabela 3.
Quatro clusters principais foram identificados. Em vermelho, o cluster relacionado a tecnologias engloba temas como: VANTs, machine learning, deep learning e inspeção. O cluster representado em azul, com os assuntos sobre imageamento: câmeras, resolução espacial, fotogrametria e resolução de imagens. Sensoriamento remoto é o terceiro cluster em verde: equipamentos IR, drone, vegetação, radiação IR e propriedades das superfícies. O último cluster em amarelo, representando as áreas de produção cientifica: artigos, procedimentos e estudos controlados.
Na etapa seguinte, os artigos foram classificados em ordem de maior número de citações, e efetuada a leitura do título dos 50 primeiros resultados. A leitura do resumo daqueles que apresentaram aderência ao tema foi efetuada na sequência, e como resultado final obtiveram-se 16 artigos que foram então lidos em sua íntegra.
Alguns estudos optaram por comparar o uso de VANTs com dados obtidos de satélites. Tal pesquisa mostrou a eficiência do uso de VANTs quando comparado com dados de satélite. Embora seja possível obter dados de grandes áreas com satélites, estes são limitados a um determinado tempo e sujeitos a interferências atmosféricas, também, conforme relatam Soto-Estrada, Correa-Echeveri, Posada-Posada (2017), os dados obtidos através do uso de VANTs têm uma resolução quase cem vezes maior do que as informações fornecidas pelos satélites.
Figura 4 – Co-ocorrência de palavras-chave
Fonte: Adaptado Scopus (2023)
No estudo realizado por Dimitrov, Popov, Iliev (2020), na cidade de Sofia, capital da Bulgária, apontam-se as distorções nos resultados obtidos com imagens de satélite, uma vez que estas foram fornecidas no período do meio-dia, quando a temperatura da superfície está superaquecida. Para o estudo do microclima urbano, os VANTs são uma ferramenta ideal, pois permitem voos rápidos e obtêm dados localizados mais precisos em comparação com os satélites. Na pesquisa realizada por Pech et al. (2013), informa-se a possibilidade de obtenção de dados em diferentes horários do dia, utilizando câmeras termográficas adequadas para acoplagem em drones.
Pech et al. também relatam que, para obter resultados satisfatórios, devem ser realizados voos de baixa altura. Neste sentido, são exemplos os voos realizados por Dimitrov, Popov, Iliev (2020) a 80m de altura, Soto-Estrada, Correa-Echeveri, Posada-Posada (2017), a 80m e Song e Park (2020), a 150m.
Dentro dos pontos de controle das medições no terreno, deve-se levar em consideração o material que compõe o revestimento, outro fator que o uso de VANTs aproveita em relação ao satélite, pois permite a identificação e separação de materiais. Tal comparação pode ser vista nos estudos de Song e Park (2020) e Kim et al. (2021), utilizando levantamentos em campo com câmera termográfica, tendo sido possível obter dados de temperatura e identificar os materiais e suas características térmicas nos pontos de controle selecionados.
O estudo da temperatura em centros urbanos fornece uma compreensão abrangente de sua dinâmica, impactos no bem-estar humano e oportunidades para estratégias eficazes de mitigação. Como sinalizam Khan, Chatterjee e Wang (2020, p.12), “os centros urbanos são o melhor laboratório para o estudo dos impactos globais de mudança climática.” Ao concentrar os esforços de pesquisa nessas áreas críticas, os pesquisadores podem contribuir para o desenvolvimento de cidades mais sustentáveis e resilientes ao clima em benefício das gerações presentes e futuras.
Embora aeronaves tripuladas possam fornecer bons resultados na coleta de dados de temperatura de superfície, possuem custos elevados de operação, conforme apontam Manfreda et al. (2018). Também descrevem sobre as dificuldades de se obter dados precisos de satélites devido às suas baixas precisões e flexibilidade. Nesse sentido, o avanço da tecnologia permitiu o uso de VANTs por serem equipamentos mais versáteis, adaptáveis e permitirem uma melhor coleta de dados temporais.
Soto-Estrada, Correa-Echeveri, Posada-Posada (2017) afirmam que os efeitos das ilhas de calor urbanas podem ser maiores em países em desenvolvimento. Para tanto, realizaram um estudo da cidade de Medellin e região metropolitana (Colômbia), onde um VANT foi equipado com uma câmera térmica Fluke3 para a coleta da temperatura de superfícies de materiais comuns no solo urbano: concreto, asfalto, telhas de barro, vegetação rasteira e árvores. Os autores informam que fatores como pouco tempo e orçamento da pesquisa foram impactantes durante a coleta de dados, e que as áreas escolhidas para coleta, levaram em conta as questões de segurança para operação do equipamento e a autonomia de voo do drone (5 minutos), voando a uma altura de 80 metros. Os dados coletados foram então comparados com os dados do satélite Landsat 7, onde se observou que a resolução das imagens obtidas através do drone era cerca de 100 vezes maior do que as obtidas por satélite. Na conclusão desse estudo, os autores descrevem o uso de drones equipados com câmeras infra vermelha como uma excelente alternativa, pois permite maior resolução e flexibilidade na captura dos dados comparados com os provenientes de imagens de satélite.
No artigo de Song e Park (2020) é descrito o fenômeno das ilhas de calor urbano em cidades tropicais, onde ondas de calor noturno acarretam estresse térmico. Algumas limitações de imagens obtidas por satélite são informadas, como a resolução de precisão dos satélites, sendo: MODIS (500 metros), Landsat (120 metros) e ASTER (90 metros), além da problemática em obter dados em um dia e horário especifico, uma vez que tais informações estão sujeitas a rota do satélite e visibilidade atmosférica. O estudo foi conduzido dentro do campus da Universidade Nacional de Changwon, na Coréia do Sul, a fim de analisar a precisão de dados obtidos através de VANT equipado com uma câmera Flir Vue Pro R. A coleta foi realizada em duas datas no verão, ao meio-dia, para diminuir a incidência de sombras devido à altura solar. Um total de 160 pontos foram selecionados para coleta, contendo diversos tipos de materiais de superfície, como: madeira, concreto, grama, asfalto, entre outros. Três equipes de duas pessoas coletaram os dados em solo através de um termômetro Testo 381. Os dados obtidos dos dois equipamentos foram então comparados, sendo realizada uma regressão linear, que demonstrou a necessidade de pesquisas futuras para a validação dos dados obtidos através de VANTs, uma vez que poucas variações de temperatura foram obtidas em alguns materiais, mas altas em outros, podendo significar diferenças devido às condições climáticas, à operação dos equipamentos e a calibração do campo de visão das câmeras infravermelhas.
Em estudo desenvolvido por Megda e Masiero (2021), são destacadas algumas das técnicas de coleta de dados meteorológicos, suas vantagens e desvantagens. Entre elas, destacam-se as medições em pontos fixos, a obtenção de dados via satélite e o sensoriamento remoto. Os autores ainda destacam a importância na realização de voos em dias com atmosfera estável4, a fim de aumentar a qualidade e precisão na obtenção dos dados. No estudo em questão, foram coletados dados de 35 pontos diferentes em 4 dias durante o inverno na cidade de Franca (SP), na altura em nível do pedestre em transecto móvel através de termo-higrômetro digital, e em voos com drone acoplado com termo-higrômetro tipo hobo U23 nas alturas de 30, 60 e 75 metros, em áreas urbanas e rurais. Os dados então foram comparados com os valores fornecidos pelo INMET (Instituto Nacional de Meteorologia). Os autores concluem que a influência da composição urbana na temperatura do ar é reduzida conforme a altura que o VANT está (quanto mais alto menor), o mesmo fenômeno ocorre em relação à temperatura da superfície. Informam ainda que VANTs possuem elevado potencial para estudos dos fenômenos microclimáticos.
Luz e Galvíncio (2022) salientam que: “veículos aero não tripulados vêm tomando espaço nos meios científicos como uma das alternativas mais viáveis em pesquisa de campo”. Executaram um estudo sobre o balanço de radiação através de imagens obtidas por um drone MAVIC dual enterprise, dotado de câmera RGB e térmica, no município de Verdejantes (PE), realizando um único voo durante um dia de verão. O planejamento do voo foi realizado através do software pix4dmappear, onde dados de temperatura de superfície de 16 pontos foram coletados e aplicados em equação de regressão linear para obter a relação entre saldo de radiação e albedo. Obtida a relação entre as duas variáveis, um modelo foi então desenvolvido. Os autores concluem que ótimos resultados podem ser obtidos através da coleta de dados utilizando drones, pois permitem rápida coleta de dados trazendo ganhos significativos.
O clima local em áreas urbanizadas deve ser estudado profundamente, como descrevem Ahmad e Eisma (2023), e a resolução espacial e temporal fornecida por satélite como o Landsat 8, são inadequados. Uma câmera Zemnmuse H20T foi utilizada para analisar a temperatura de superfície na cidade de Dallas (EUA) em dias distintos e horários variados, sendo realizado um total de 12 voos. Os autores indicam a necessidade e trabalhos futuros durante o verão e comparação dos dados obtidos com o drone com os dados provenientes dos satélites.
A precisão na aquisição de dados de temperatura em diferentes materiais em relação ao ângulo de posicionamento da câmera infravermelha durante o voo em relação ao solo (70º, 80º e 90º) foi estudada por Lee e Lee (2022), onde três câmeras diferentes foram empregadas. Os dados foram coletados entre 12:00 e 13:00 em dias de verão dentro do campus da Universidade Nacional Kyungpook Sangju na Coréia do Sul, e em mais duas áreas vizinhas (fazenda e rio) a fim de obter maior diversidade de materiais de cobertura do solo, a uma altura de 50 metros, sendo separados três dias de coleta para cada região pesquisada.
As imagens então foram processadas através do software Agisift’s Photoscan e os dados foram comparados com medições diretas com termômetro, e sua média de diferenças averiguada através de análise de variância. Os autores identificaram que a maior diferença de temperatura ocorreu com a câmera a 70º, e embora a variância para o ângulo de 90º seja pequena (5%), os melhores resultados foram obtidos com a câmera a 80º. Concluem que apesar de fatores como vendo e umidade impactarem nos resultados das imagens obtidas através do uso de VANTs, estes apresentam um grande potencial se comparados com dados obtidos de satélite.
Com estas informações, verifica-se a importância da realização de mais estudos sobre a coleta de dados através de VANTs equipados com câmeras térmicas, em especial no Brasil, onde tais estudos ainda são recentes e escassos.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A análise bibliométrica conduzida neste estudo destaca a crescente relevância e aplicabilidade de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) equipados com câmeras infravermelhas na investigação de fenômenos climáticos e no monitoramento da temperatura de superfície. Os resultados indicam um aumento significativo no volume de pesquisas relacionadas, demonstrando não apenas um interesse crescente na comunidade científica, mas também a eficácia dessas tecnologias em fornecer dados precisos e de alta resolução. Este estudo sublinha a importância dos VANTs como ferramentas poderosas para o monitoramento ambiental, especialmente em contextos urbanos onde as mudanças climáticas e os fenômenos microclimáticos, como as ilhas de calor urbano, apresentam desafios significativos.
Através da análise das publicações científicas, identificamos as principais tendências de pesquisa, os colaboradores mais influentes no campo, e as redes de colaboração que se formaram ao redor deste tópico emergente. A sinergia entre as capacidades tecnológicas avançadas dos VANTs e as câmeras infravermelhas propicia uma plataforma única para aquisição de dados climáticos e de temperatura de superfície, superando limitações de métodos tradicionais, como satélites e aeronaves tripuladas, especialmente em termos de resolução espacial e temporal.
Este estudo também aponta para a necessidade de mais investigações que explorem o potencial completo dos VANTs em diversos contextos geográficos, especialmente em países em desenvolvimento, onde tais estudos ainda são incipientes. A adaptação e otimização de VANTs para coletas de dados específicas podem oferecer insights valiosos para a formulação de políticas públicas voltadas para a mitigação dos efeitos adversos das mudanças climáticas e para o desenvolvimento de estratégias de planejamento urbano mais resilientes e sustentáveis.
Em conclusão, os VANTs equipados com câmeras infravermelhas emergem como uma solução promissora para enfrentar os desafios impostos pelas mudanças climáticas. Eles representam uma fronteira inovadora na pesquisa climática e ambiental, fornecendo dados essenciais para a compreensão e gestão dos ambientes urbanos em um mundo cada vez mais afetado por fenômenos climáticos extremos. O caminho adiante exige um compromisso contínuo com a pesquisa interdisciplinar e colaborativa, explorando novas tecnologias e metodologias para um futuro sustentável.
3Fluke Corporation é um fabricante americano de equipamentos industriais de teste, medição e diagnóstico.
4Céu limpo e ventos calmos (BRÚSSOLO, PEZZOPANE, VECCHIA, p. 5, 2018)
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1Discente do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (PPGEC/UTFPR) Campus Curitiba – Sede Ecoville. e-mail: emedeiros@alunos.utfpr.edu.br
2Docente do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Pós-Doutorado em Arquitetura e Urbanismo (PPGEC/UTFPR). e-mail: ekruger@utfpr.edu.br