Construindo um Digital Twin das florestas de Quebec a partir de 115.000 ortofotos

A base antes de tudo

Um Digital Twin territorial vive ou morre por seus dados. Fundir milhares de mosaicos de ortofotos heterogeneos, absorver sistemas de referencia de coordenadas incompativeis, preencher as lacunas de cobertura, harmonizar as cores entre sensores e safras. E o trabalho menos visivel, mas o mais importante em termos estruturais. Enquanto essa base nao for solida, nada do que vem depois (renderizacao 3D, navegacao multiescala, analise territorial) se sustenta.

Este post e um relatorio de progresso sobre essa fase, aplicada ao territorio de Quebec.

Onde estamos hoje

O pipeline da TerraLab: uma unica cena, todas as fontes

O TerraLab-Twin e um virtual globe planetario. Sua funcao e fundir em tempo real fontes geoespaciais heterogeneas (ortofotos publicas, ortofotos de drone de alta resolucao, modelos digitais de terreno, camadas vetoriais, imagens de satelite) sobre um unico terreno 3D navegavel, da escala planetaria ate o nivel de parcela.

Tres propriedades definem o estado da arte que buscamos:

• Continuidade de escala: de todo o Quebec (10.000 km de diagonal) ate uma parcela de 50 m, sem rupturas, sem trocas de CRS e sem emendas nas fronteiras administrativas.
• Fusao multifonte dinamica: multiplas fontes de qualidade e resolucao variaveis coexistem sobre o mesmo terreno e sao selecionadas em tempo real conforme a area, a resolucao solicitada e a disponibilidade de dados.
• Abstracao completa a montante: o usuario final nunca ve um formato de arquivo, um codigo EPSG ou uma zona MTM. Ele apenas navega.

Todo o trabalho descrito a seguir consiste em cumprir essas tres propriedades em um caso concreto: o territorio de Quebec.

Mosaicos do MRNF fundidos pelo TerraLab WorldMapServer. Terreno continuo, sem emendas visiveis entre as folhas originais.

O que torna os dados de Quebec unicos

Quebec oferece um dos conjuntos de dados publicos mais ricos da America do Norte para esse tipo de trabalho. O Ministerio dos Recursos Naturais e Florestas de Quebec (MRNF, antigo MERN) publica mais de 115.000 mosaicos de ortofotos, varias centenas de gigabytes de dados no total, a uma resolucao nativa de 20 a 30 cm por pixel. Isso e cerca de trinta vezes mais fino que as imagens de satelite Sentinel-2 usadas como complemento.

Ortofoto do MRNF em resolucao nativa de 20-30 cm sobre um setor florestal de Quebec.

Essa riqueza vem com seus proprios desafios: uma familia heterogenea de projecoes cartograficas, multiplos formatos de arquivo, imagens capturadas ao longo de varios anos e estacoes. Esse e justamente o tipo de conjunto de dados para o qual um virtual globe foi concebido, ali onde uma ferramenta GIS tradicional pediria ao usuario para escolher uma projecao, uma estacao, um formato, e conviver com as consequencias.

E sabemos lidar com essa escala. Os 115.000 mosaicos, as centenas de gigabytes, os formatos mistos, os dados de multiplas safras: a arquitetura do TerraLab-Twin foi projetada para absorver esse volume de forma nativa, em uma estacao de trabalho de desenvolvedor, sem exigir nenhuma infraestrutura especial.

Mosaico original do MRNF a 20 cm. Arvores, estradas e parcelas claramente visiveis antes de qualquer processamento.

A parte dolorosa: as projecoes cartograficas

Quero me deter neste ponto, porque para qualquer um que ja tenha trabalhado em geoespacial, isso e um pesadelo operacional.

Os dados publicos de Quebec nao chegam em uma unica projecao. Eles chegam como uma familia de variantes NAD83: uma versao de Quebec Lambert (EPSG:32198), variantes mais modernas baseadas em CSRS, e dez zonas MTM (Modified Transverse Mercator) que dividem o territorio por razoes cartograficas historicas. Na pratica, cada mosaico pode chegar em um sistema de referencia de coordenadas diferente. Cada datum tem suas armadilhas. Cada ferramenta da cadeia geoespacial tem seu proprio comportamento herdado em torno da biblioteca PROJ. E extremamente comum em producao ver um pipeline falhar em silencio porque uma instalacao desatualizada retorna transformacoes erradas por dez metros ou mais.

E exatamente isso que um virtual globe abstrai. O TerraLab-Twin conhece apenas uma projecao final: WGS84 sobre o elipsoide planetario. Toda a complexidade projetiva e absorvida a montante, no pipeline de ingestao. O usuario final nunca ve um codigo EPSG. Ele ve um territorio 3D continuo e navegavel, de todo o Quebec ate uma unica parcela florestal, sem que nada quebre nas fronteiras de zona.

Uma vez resolvido esse problema dificil, todo o resto se torna possivel: fusao multifonte, navegacao continua, 3D em tempo real.

Ferramenta interna de tilagem: cada fonte e reprojetada para WGS84 e, em seguida, composta na cena 3D.

Por que WGS84 em um virtual globe, e por que isso importa

A escolha do WGS84 sobre o elipsoide nao e arbitraria. Uma projecao cartografica classica e, por construcao, um compromisso: ela achata um objeto 3D (o elipsoide terrestre) sobre um plano 2D, o que sempre introduz distorcao (em angulos, areas, distancias, ou nas tres ao mesmo tempo). Aceitavel em pequena escala, intoleravel na escala continental.

Um virtual globe contorna o problema mantendo tudo em 3D do inicio ao fim. O motor trabalha sobre o elipsoide real, nao sobre uma projecao plana. A consequencia direta para o usuario: voce pode dar zoom livremente de todo o Quebec ate uma parcela de 50 m, sem trocar de CRS, sem emendas nas fronteiras de zonas MTM, sem estiramento polar, sem artefatos de alinhamento nas bordas. E isso que torna a navegacao continua, e e algo que nenhuma ferramenta GIS 2D tradicional pode oferecer.

Calibracao de cor e fusao: o desafio visual

Uma vez tratadas as projecoes, o proximo desafio e visual. Um Digital Twin 3D de Quebec nao funde uma, mas tres fontes de imagens complementares:

1. Ortofoto aerea do MRNF: prioridade 1, 20-30 cm, a camada de detalhe
2. Imagens de satelite Sentinel-2: prioridade 2, 10 m, preenche as areas sem cobertura aerea (tipicamente as regioes costeiras)
3. Mapa base planetario Blue Marble: ultimo recurso, garante que nenhuma area fique jamais em branco

Cada uma dessas tres fontes tem sua propria assinatura colorimetrica: sensores diferentes, condicoes de aquisicao diferentes, datas de captura diferentes, processamento previo diferente. O desafio nao e apenas exibi-las juntas, mas garantir que as fronteiras permanecam invisiveis ao olho e que os mosaicos vizinhos compartilhem a mesma faixa de cor.

Alguns mosaicos do MRNF tambem estao incompletos: nas bordas das campanhas de voo, a cobertura aerea para no meio de um mosaico, deixando zonas sem dados (nodata). Sem processamento, essas lacunas aparecem como faixas pretas no terreno 3D. Esse e mais um motivo pelo qual o pipeline precisa fundir multiplas fontes: preencher essas lacunas com Sentinel-2 onde a ortofoto aerea nao alcanca.

Mosaico do MRNF com cobertura parcial. O pipeline preenche as lacunas com Sentinel-2 automaticamente.

Do lado do Sentinel-2, compomos usando uma mediana multidata sobre uma faixa de refletancia fixa: isso remove os outliers (nuvens, sombras, dias atipicos) e garante que todos os mosaicos compartilhem a mesma calibracao.

Do lado de Quebec, algumas campanhas de voo mais antigas (em particular 2015) apresentam um tom azulado sistematico. A origem exata do defeito nao e documentada pelo fornecedor dos dados, mas a razao azul/vermelho anormalmente alta (B/R ~1.30 contra ~0.88 nas campanhas normais) afeta uma grande parte dos mosaicos daquele ano. O pipeline filtra por estacao (aquisicoes de verao para tons verdes coerentes), mas o problema persiste nas areas onde so existem mosaicos de 2015.

Varias abordagens sao possiveis para essas areas: correcao automatica de cor (histogram matching entre mosaicos vizinhos), ou substituicao por imagens de satelite (Sentinel-2 como primeiro recurso, gratuito a 10 m, ou fontes comerciais como Airbus Pleiades e Maxar para uma resolucao mais fina, mas a um custo significativo). Nenhuma dessas opcoes e ideal sozinha. A combinacao mais provavel e a filtragem por safra acoplada a um fallback de Sentinel-2 para as areas sem alternativa. Pelo lado positivo, o MRNF continua publicando novas campanhas aereas regularmente (as ortofotos de 2023 e 2024 ja estao disponiveis como dados abertos para certas regioes). Com o tempo, as areas cobertas unicamente por mosaicos defeituosos de 2015 tem boas chances de serem substituidas por aquisicoes mais recentes e mais bem calibradas.

Acima: mosaico do MRNF 2015 com tom azulado (B/R ~1.30). Abaixo: 2016 com cor normal (B/R ~0.88).

Mosaicos de 2015 azulados ao lado de outros calibrados normalmente: padrao visivel quebrando a homogeneidade do terreno.

Na fronteira entre as fontes de Quebec e Sentinel-2, a transicao geometrica e imperceptivel. A transicao colorimetrica, no entanto, permanece visivel em algumas areas costeiras. E um compromisso deliberado: um blending no nivel do pixel ao longo de centenas de quilometros de costa representaria um custo de processamento desproporcional em relacao ao ganho visual, sobretudo nas escalas de navegacao tipicas do Digital Twin. O pipeline prioriza a cobertura e a continuidade em vez da perfeicao cosmetica nas margens.

Acima: Sentinel-2 sozinho. Abaixo: composicao Quebec + Sentinel-2. Zona de blending visivel ao longo do litoral.

O pipeline inclui uma etapa de color matching que suaviza essas transicoes. O exemplo abaixo, da regiao de Riviere-du-Loup, mostra a diferenca: sem color matching, a fronteira entre a ortofoto de Quebec e o Sentinel-2 e claramente visivel. Com color matching, a transicao se torna muito mais sutil.

Riviere-du-Loup. Acima: sem color matching. Abaixo: com color matching.

Peninsula de Gaspe, vista ampla. Zona ciano (esquerda) = mosaicos de 2015 azulados, continente = ortofoto de Quebec, oceano = Sentinel-2.

Onde as coisas estao

Em 7 de abril de 2026, estamos no caminho certo. A familia NAD83 e absorvida a montante, e o pipeline de ingestao processa progressivamente os ~115.000 mosaicos do MRNF. A cobertura do territorio e parcial neste estagio: as areas ja processadas (por exemplo a peninsula de Gaspe) sao navegaveis com a ortofoto de Quebec, enquanto outras areas sao preenchidas com Sentinel-2 nesse meio-tempo. A composicao de tres camadas foi validada na costa de Gaspe, e o volume de dados roda confortavelmente em uma estacao de trabalho de desenvolvedor padrao.

O motor produz atualmente a 10 m por pixel. E uma escolha deliberada para esta primeira iteracao: trabalhar primeiro na escala global nos permite validar todo o pipeline (projecoes, fusao, calibracao de cor, volume de dados) antes de aumentar a resolucao zona por zona. Os dados de origem do MRNF a 20-30 cm estao la. O refinamento ate os 30 cm acontecera caso a caso, conforme a necessidade.

Do lado da elevacao, o terreno 3D se apoia em um Modelo Digital de Elevacao SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Nao e a fonte mais fina disponivel, mas cobre todo o territorio e nos permite validar a cadeia completa. Uma mudanca para modelos digitais de terreno de Quebec mais precisos e viavel para as areas prioritarias.

Aqui esta o resultado atual: a ortofoto de Quebec a 10 m drapeada sobre o relevo SRTM, sem vegetacao 3D nem dados vetoriais. Esta e a base de terreno bruto sobre a qual todo o resto sera construido.

Primeiras vistas 3D de Quebec. Ortofoto 10 m + relevo SRTM. De cima para baixo: dispersao atmosferica, iluminacao direta, sem iluminacao.

Uma conclusao importante: a qualidade da renderizacao nao pode superar a qualidade dos dados de origem. Onde os dados do MRNF estao limpos e bem calibrados (campanhas posteriores a 2015), o resultado e excelente. Onde sofrem com defeitos (campanhas de 2015 azuladas), o pipeline nao pode inventar uma calibracao de cor correta.

O que esta no ar hoje:

• Ortofoto aerea de Quebec (MRNF) fundida com Sentinel-2
• Relevo 3D via SRTM
• Pipeline completo validado na costa de Gaspe

O que vem a seguir:

• Resolucao de 20-30 cm em zoom proximo
• Dados vetoriais OSM de Quebec
• Arvores 3D em todo o territorio de Quebec