Publicação

Niche precision modeling for rare species : the case of coastal cliffs

Detalhes bibliográficos
Resumo:	As falésias costeiras são ecossistemas por norma intactos devido ao seu difícil acesso, servindo de refúgio para espécies raras e ameaçadas, no entanto estas também sofrem ameaças à sua biodiversidade, tais como as alterações climáticas, alterações no uso do solo e pressões significativas por parte de espécies exóticas invasoras, como Carpobrotus edulis que modificam os habitats e interferem nas interações bióticas. Esta planta, introduzida na Europa como ornamental no século XVII, é altamente invasiva e altera as características do solo, prejudicando a regeneração da flora nativa. No contexto português, o Cabo Espichel alberga espécies endémicas ameaçadas, como Euphorbia pedroi e Convolvulus fernandesii, cuja conservação é prejudicada pela expansão de C. edulis. A presença desta espécie invasora pode restringir ainda mais os nichos ecológicos já especializados destas plantas, ao alterar a disponibilidade de recursos e a dinâmica competitiva. A definição precisa dos fatores ambientais que moldam a distribuição das espécies endémicas, e portanto, do nicho ecológico, é essencial para o desenvolvimento de estratégias eficazes de conservação e restauro ecológico. A investigação da vegetação em falésias tem sido limitada por desafios logísticos, sendo tradicionalmente realizada através de telescópios terrestres ou escalada, métodos que apresentam riscos e dificuldades operacionais. Neste sentido, os avanços na deteção remota, particularmente através de veículos aéreos não tripulados, abriram novas possibilidades para a monitorização e cartografia da vegetação rupícola. No entanto, técnicas como fotogrametria vertical e oblíqua ainda enfrentam dificuldades, como problemas de oclusão ou sobreposição nos setores verticais e necessidade de elevadas competências de pilotagem manual, podendo isto comprometer a resolução e precisão dos modelos tridimensionais gerados. Perante estas ameaças e desafios metodológicos, a Mossy Earth tem implementado ações de restauro ecológico no Cabo Espichel, controlando a propagação de C. edulis e promovendo a participação de escaladores na conservação da flora endémica. Como parte deste projeto, este estudo tem como objetivo avaliar as melhores ferramentas para a identificação e cartografia das espécies E. pedroi, e potencialmente C. fernandesii e C. edulis, utilizando tecnologias inovadoras para compreender a relevância das variáveis topográficas na sua distribuição utilizando fotogrametria horizontal. A definição precisa dos nichos ecológicos destas plantas permitirá não apenas orientar ações de conservação, mas também apoiar futuros esforços de restauro e reintrodução em habitats adequados. O estudo foi realizado no Cabo Espichel, situado no sudoeste da Península de Setúbal, Portugal. A zona de estudo abrange um quilómetro de falésias verticais e está inserida em três sistemas de conservação distintos: a Zona Especial de Conservação Arrábida/Espichel, o Parque Natural da Arrábida e a Zona de Proteção Especial Cabo Espichel. A vegetação apresenta endemismos como E. pedroi e C. fernandesii, enquanto C. edulis, uma espécie invasora, representa uma ameaça significativa para a flora nativa. A cartografia das espécies foi realizada com um veículo aéreo não tripulado e o planeamento do voo foi efetuado com o software UgCS, permitindo a captura de 1.990 imagens de alta resolução. O processamento das imagens foi realizado no Pix4Dmatic, dividindo-se a área de estudo em três secções. A identificação das espécies vegetais foi inicialmente tentada através de técnicas automáticas, como a análise de cor RGB e o plugin CANUPO para classificação de nuvens de pontos. No entanto, devido à baixa precisão destes métodos, optou-se pela identificação manual dos indivíduos de E. pedroi. A caracterização do ambiente topográfico foi realizada através da extração de variáveis altimétricas e topográficas das nuvens de pontos, nomeadamente altitude, inclinação e azimute. Para garantir maior precisão, os dados foram calibrados com um Modelo Digital de Terreno de referência. Posteriormente, a modelação da distribuição de E. pedroi foi efetuada utilizando um modelo Random Forest, com um conjunto de treino correspondente a 70% dos dados e um conjunto de teste com os restantes 30%. A análise de importância das variáveis revelou que a inclinação e a orientação do terreno foram os principais determinantes na distribuição da espécie. Os resultados obtidos foram utilizados para prever a presença de E. pedroi numa secção adicional da falésia, demonstrando a aplicabilidade do modelo na identificação de nichos ecológicos favoráveis à espécie. Este estudo destaca a eficácia da utilização de veículos aéreos não tripulados na monitorização de vegetação rupícola e na cartografia detalhada de habitats inacessíveis, contribuindo para a conservação de espécies endémicas ameaçadas e representa um avanço significativo na compreensão das metodologias utilizadas para monitorizar populações de plantas rupícolas, identificando as técnicas disponíveis para a sua deteção e caracterizando as condições topográficas favoráveis à sua ocorrência com alta resolução espacial. A pesquisa demonstra que a combinação de software de controlo de drones de alta resolução com técnicas de fotogrametria e análise de nuvens de pontos 3D constitui uma abordagem eficiente para estudar populações de plantas endémicas em ambientes desafiadores, como falésias costeiras. Esta metodologia permite a identificação ex-situ das espécies e a extração de dados morfológicos detalhados, reduzindo o esforço de amostragem e o impacto ambiental. No caso da espécie validada, Euphorbia pedroi, os resultados indicam que o seu nicho fundamental está associado a características topográficas específicas: altitude média de 62,66 metros, inclinação de 62,69° e orientação de 192,65° (Sul-Sudoeste). Estes achados corroboram estudos anteriores, mas avançam na quantificação exata das condições topográficas mais favoráveis à espécie. Através das métricas Mean Decrease Accuracy (MDA) e Mean Decrease Gini (MDG), verificou-se que a orientação e a inclinação tiveram maior influência na precisão preditiva, enquanto que a altitude teve um papel mais relevante na segmentação dos dados. Estas conclusões são fundamentais para a conservação da espécie, permitindo a identificação e priorização de áreas para proteção e restauração do habitat. A metodologia adotada demonstra que a cartografia de falésias com veículos aéreos não tripulados é uma ferramenta valiosa para a investigação e monitorização de populações vegetais em falésias. O mapeamento da falésia vertical de Cabo Espichel foi realizado em apenas duas horas de voo, proporcionando uma resolução espacial excecional. Embora o processamento de imagens e a extração de dados topográficos exijam tempo adicional, este método é consideravelmente mais rápido, seguro e menos invasivo do que abordagens tradicionais baseadas em escalada. A integração da deteção remota com identificação ex-situ e modelagem baseada em machine learning potencia a monitorização de longo prazo de E. pedroi, permitindo a análise comparativa da distribuição da espécie ao longo do tempo e a interpretação de perturbações ambientais. O modelo de Random Forest revelou-se preciso na avaliação da influência das variáveis ambientais de alta resolução na ocorrência da espécie, classificando corretamente pontos de presença e ausência. As métricas MDA e MDG demonstraram que a orientação, inclinação e altitude são fatores críticos para a predição da presença da espécie, refletindo a complexidade das interações entre variáveis ambientais e distribuição da planta. O modelo também evidenciou que fatores microclimáticos, como exposição solar e proteção contra ventos, podem desempenhar um papel determinante na distribuição da espécie, além de indicar possíveis interações bióticas que afetam seu nicho ecológico. No entanto, algumas limitações metodológicas foram identificadas. A ausência de pontos de controlo terrestre comprometeu a calibração da variável de altitude, sendo necessária uma correção posterior. Além disso, o modelo foi treinado com dados de apenas uma secção da falésia, o que pode ter introduzido um viés nos resultados e limitado a capacidade de predição para altitudes superiores. A subdivisão da falésia em diferentes secções, com E. pedroi mais concentrada em altitudes intermédias, também pode ter afetado a distribuição dos resultados. Perspectivas futuras incluem a adoção de tecnologias avançadas, como sensores multiespectrais e índices de vegetação tal como o NDVI, para melhorar a identificação remota da espécie. Métodos baseados em deep learning, como segmentação semântica aplicada a ortomosaicos verticais e nuvens de pontos 3D, poderiam aprimorar a eficiência e automação do processo. Além disso, a monitorização a longo prazo, incorporando variáveis microclimáticas e edáficas, pode fornecer uma compreensão mais abrangente do nicho ecológico da espécie. Os resultados deste estudo oferecem uma base científica sólida para orientar estratégias de restauro ecológic e conservação de E. pedroi. Ao identificar com precisão as condições topográficas ideais para a espécie, torna-se possível selecionar áreas prioritárias para reintrodução e reforço populacional, otimizando o sucesso de programas de restauro e mitigando a competição de espécies invasoras. Assim, a replicabilidade desta metodologia em diferentes regiões e espécies pode contribuir significativamente para a gestão e preservação de ecossistemas rupícolas vulneráveis.
Autores principais:	Rodrigues, João Pereira
Assunto:	Plantas rupícolas Euphorbia pedroi Métodos de amostragem de plantas Nicho Ecológico Veículo Aéreo Não Tripulado Teses de mestrado - 2025
Ano:	2025
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	As falésias costeiras são ecossistemas por norma intactos devido ao seu difícil acesso, servindo de refúgio para espécies raras e ameaçadas, no entanto estas também sofrem ameaças à sua biodiversidade, tais como as alterações climáticas, alterações no uso do solo e pressões significativas por parte de espécies exóticas invasoras, como Carpobrotus edulis que modificam os habitats e interferem nas interações bióticas. Esta planta, introduzida na Europa como ornamental no século XVII, é altamente invasiva e altera as características do solo, prejudicando a regeneração da flora nativa. No contexto português, o Cabo Espichel alberga espécies endémicas ameaçadas, como Euphorbia pedroi e Convolvulus fernandesii, cuja conservação é prejudicada pela expansão de C. edulis. A presença desta espécie invasora pode restringir ainda mais os nichos ecológicos já especializados destas plantas, ao alterar a disponibilidade de recursos e a dinâmica competitiva. A definição precisa dos fatores ambientais que moldam a distribuição das espécies endémicas, e portanto, do nicho ecológico, é essencial para o desenvolvimento de estratégias eficazes de conservação e restauro ecológico. A investigação da vegetação em falésias tem sido limitada por desafios logísticos, sendo tradicionalmente realizada através de telescópios terrestres ou escalada, métodos que apresentam riscos e dificuldades operacionais. Neste sentido, os avanços na deteção remota, particularmente através de veículos aéreos não tripulados, abriram novas possibilidades para a monitorização e cartografia da vegetação rupícola. No entanto, técnicas como fotogrametria vertical e oblíqua ainda enfrentam dificuldades, como problemas de oclusão ou sobreposição nos setores verticais e necessidade de elevadas competências de pilotagem manual, podendo isto comprometer a resolução e precisão dos modelos tridimensionais gerados. Perante estas ameaças e desafios metodológicos, a Mossy Earth tem implementado ações de restauro ecológico no Cabo Espichel, controlando a propagação de C. edulis e promovendo a participação de escaladores na conservação da flora endémica. Como parte deste projeto, este estudo tem como objetivo avaliar as melhores ferramentas para a identificação e cartografia das espécies E. pedroi, e potencialmente C. fernandesii e C. edulis, utilizando tecnologias inovadoras para compreender a relevância das variáveis topográficas na sua distribuição utilizando fotogrametria horizontal. A definição precisa dos nichos ecológicos destas plantas permitirá não apenas orientar ações de conservação, mas também apoiar futuros esforços de restauro e reintrodução em habitats adequados. O estudo foi realizado no Cabo Espichel, situado no sudoeste da Península de Setúbal, Portugal. A zona de estudo abrange um quilómetro de falésias verticais e está inserida em três sistemas de conservação distintos: a Zona Especial de Conservação Arrábida/Espichel, o Parque Natural da Arrábida e a Zona de Proteção Especial Cabo Espichel. A vegetação apresenta endemismos como E. pedroi e C. fernandesii, enquanto C. edulis, uma espécie invasora, representa uma ameaça significativa para a flora nativa. A cartografia das espécies foi realizada com um veículo aéreo não tripulado e o planeamento do voo foi efetuado com o software UgCS, permitindo a captura de 1.990 imagens de alta resolução. O processamento das imagens foi realizado no Pix4Dmatic, dividindo-se a área de estudo em três secções. A identificação das espécies vegetais foi inicialmente tentada através de técnicas automáticas, como a análise de cor RGB e o plugin CANUPO para classificação de nuvens de pontos. No entanto, devido à baixa precisão destes métodos, optou-se pela identificação manual dos indivíduos de E. pedroi. A caracterização do ambiente topográfico foi realizada através da extração de variáveis altimétricas e topográficas das nuvens de pontos, nomeadamente altitude, inclinação e azimute. Para garantir maior precisão, os dados foram calibrados com um Modelo Digital de Terreno de referência. Posteriormente, a modelação da distribuição de E. pedroi foi efetuada utilizando um modelo Random Forest, com um conjunto de treino correspondente a 70% dos dados e um conjunto de teste com os restantes 30%. A análise de importância das variáveis revelou que a inclinação e a orientação do terreno foram os principais determinantes na distribuição da espécie. Os resultados obtidos foram utilizados para prever a presença de E. pedroi numa secção adicional da falésia, demonstrando a aplicabilidade do modelo na identificação de nichos ecológicos favoráveis à espécie. Este estudo destaca a eficácia da utilização de veículos aéreos não tripulados na monitorização de vegetação rupícola e na cartografia detalhada de habitats inacessíveis, contribuindo para a conservação de espécies endémicas ameaçadas e representa um avanço significativo na compreensão das metodologias utilizadas para monitorizar populações de plantas rupícolas, identificando as técnicas disponíveis para a sua deteção e caracterizando as condições topográficas favoráveis à sua ocorrência com alta resolução espacial. A pesquisa demonstra que a combinação de software de controlo de drones de alta resolução com técnicas de fotogrametria e análise de nuvens de pontos 3D constitui uma abordagem eficiente para estudar populações de plantas endémicas em ambientes desafiadores, como falésias costeiras. Esta metodologia permite a identificação ex-situ das espécies e a extração de dados morfológicos detalhados, reduzindo o esforço de amostragem e o impacto ambiental. No caso da espécie validada, Euphorbia pedroi, os resultados indicam que o seu nicho fundamental está associado a características topográficas específicas: altitude média de 62,66 metros, inclinação de 62,69° e orientação de 192,65° (Sul-Sudoeste). Estes achados corroboram estudos anteriores, mas avançam na quantificação exata das condições topográficas mais favoráveis à espécie. Através das métricas Mean Decrease Accuracy (MDA) e Mean Decrease Gini (MDG), verificou-se que a orientação e a inclinação tiveram maior influência na precisão preditiva, enquanto que a altitude teve um papel mais relevante na segmentação dos dados. Estas conclusões são fundamentais para a conservação da espécie, permitindo a identificação e priorização de áreas para proteção e restauração do habitat. A metodologia adotada demonstra que a cartografia de falésias com veículos aéreos não tripulados é uma ferramenta valiosa para a investigação e monitorização de populações vegetais em falésias. O mapeamento da falésia vertical de Cabo Espichel foi realizado em apenas duas horas de voo, proporcionando uma resolução espacial excecional. Embora o processamento de imagens e a extração de dados topográficos exijam tempo adicional, este método é consideravelmente mais rápido, seguro e menos invasivo do que abordagens tradicionais baseadas em escalada. A integração da deteção remota com identificação ex-situ e modelagem baseada em machine learning potencia a monitorização de longo prazo de E. pedroi, permitindo a análise comparativa da distribuição da espécie ao longo do tempo e a interpretação de perturbações ambientais. O modelo de Random Forest revelou-se preciso na avaliação da influência das variáveis ambientais de alta resolução na ocorrência da espécie, classificando corretamente pontos de presença e ausência. As métricas MDA e MDG demonstraram que a orientação, inclinação e altitude são fatores críticos para a predição da presença da espécie, refletindo a complexidade das interações entre variáveis ambientais e distribuição da planta. O modelo também evidenciou que fatores microclimáticos, como exposição solar e proteção contra ventos, podem desempenhar um papel determinante na distribuição da espécie, além de indicar possíveis interações bióticas que afetam seu nicho ecológico. No entanto, algumas limitações metodológicas foram identificadas. A ausência de pontos de controlo terrestre comprometeu a calibração da variável de altitude, sendo necessária uma correção posterior. Além disso, o modelo foi treinado com dados de apenas uma secção da falésia, o que pode ter introduzido um viés nos resultados e limitado a capacidade de predição para altitudes superiores. A subdivisão da falésia em diferentes secções, com E. pedroi mais concentrada em altitudes intermédias, também pode ter afetado a distribuição dos resultados. Perspectivas futuras incluem a adoção de tecnologias avançadas, como sensores multiespectrais e índices de vegetação tal como o NDVI, para melhorar a identificação remota da espécie. Métodos baseados em deep learning, como segmentação semântica aplicada a ortomosaicos verticais e nuvens de pontos 3D, poderiam aprimorar a eficiência e automação do processo. Além disso, a monitorização a longo prazo, incorporando variáveis microclimáticas e edáficas, pode fornecer uma compreensão mais abrangente do nicho ecológico da espécie. Os resultados deste estudo oferecem uma base científica sólida para orientar estratégias de restauro ecológic e conservação de E. pedroi. Ao identificar com precisão as condições topográficas ideais para a espécie, torna-se possível selecionar áreas prioritárias para reintrodução e reforço populacional, otimizando o sucesso de programas de restauro e mitigando a competição de espécies invasoras. Assim, a replicabilidade desta metodologia em diferentes regiões e espécies pode contribuir significativamente para a gestão e preservação de ecossistemas rupícolas vulneráveis.