SISTEMAS DE VARREDURA A LASER

O Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), designa além de um tipo de luz, também, um dispositivo que utiliza a integração entre luz e matéria para produzir um feixe de luz monocromática, unidirecional e de grande intensidade. A tecnologia a laser é foco de pesquisas desde os anos de 1960, mas sua utilização para fins de levantamento métrico é um conceito relativamente novo (ERGÜN, 2011).

Atualmente, o laser possui um campo vasto de aplicações como: arqueologia, estudos de restauração em edificações, medição de túneis e estradas, modelagem urbana, projetos de mineração e infraestrutura, entre outros. Essa variedade de usos requer diferentes configurações, geometrias e potências (MATEUS, 2012).

Böhler e Marbs (2002) definem, genericamente, os equipamentos de varredura a laser que utilizam essa tecnologia, como qualquer dispositivo que captura coordenadas espaciais de uma dada região da superfície de um objeto, de forma automática, em um curto espaço de tempo, resultando em um modelo geométrico parcial sob a forma de “nuvem de pontos”.

O princípio de funcionamento de um dispositivo de varredura a laser, conforme demonstrado na Figura 13, é bastante simples, sendo composto por uma unidade óptica que emite o feixe laser, um dispositivo óptico-mecânico que reflete o feixe de laser e um sensor que captura e registra o raio refletido pelo ambiente. Assim, as informações capturadas pelo scanner permitem calcular o posicionamento de cada ponto de reflexão, em relação ao sistema de coordenadas do equipamento (AMORIM, 2012).

34 _{Atualmente a terminologia Dense Stereo Matching é a mais utilizada, embora ainda não esteja}

Figura 13 – Representação esquemática de um dispositivo de varredura a laser

Fonte: adaptado de MATEUS, 2012.

Ainda segundo Amorim (2012), na varredura a laser, para cada feixe emitido são conhecidos seu ângulo horizontal e vertical e, sabendo-se que esse feixe viaja à velocidade da luz, medindo-se o tempo de retorno do raio após atingir o alvo é possível determinar a distância do ponto de reflexão ao centro de emissão, origem do sistema de coordenadas esféricas.

Conforme pode ser observado na Figura 14, as coordenadas esféricas do ponto P são obtidas por meio das medições dos ângulos α e θ e da distância (S) do equipamento ao ponto.

Figura 14 – Parâmetros utilizados determinação de um ponto no espaço

Fonte: Andrea Bastian, 2015.

Assim, ficam determinadas as posições desses pontos no espaço (coordenadas esféricas) que, em seguida são convertidas ao sistema de coordenadas cartesianas (X, Y, Z), como mostra o sistema de equações a seguir:

𝑋 = 𝑆. 𝑠𝑒𝑛 𝜃. 𝑐𝑜𝑠𝜃

(1) 𝑌 = 𝑆. 𝑠𝑒𝑛𝜃. 𝑠𝑒𝑛𝛼

𝑍 = 𝑆. 𝑐𝑜𝑠 ∝

Pirotti e colaboradores (2013), classificam os sistemas de varredura laser em:

 aerotransportados - Airbone Laser Scanning (ALS), utilizados para levantamentos da superfície terrestre, criação de Modelos Digitais de Terrenos (MDT), aplicações cartográficas, para a estimativa de parâmetros florestais (estimativa de volume e biomassa), dentre outras; e

 terrestres - Terrestrial Laser Scanning (TLS), são utilizados em aplicações industriais, para levantamento de formas arquitetônicas, em arqueologia etc. Nesse trabalho serão discutidos apenas os sistemas terrestres. Esses podem ser classificados em três grupos, correspondentes ao método de medição das distâncias e a resolução típica, sendo eles (MATEUS, 2012):

 sistemas de tempo de voo (Time of Flight – TOF): baseiam-se no cálculo do tempo decorrido entre a ida e retorno dos impulsos de luz (Figura 15). Quanto à precisão de medição, pode-se considerar na ordem de ± 3,0 mm a 20,0 mm;

Figura 15 – Varredura a laser: sistema de tempo de voo

Fonte: LEICA, 2011.

 sistemas de diferença de fase (Phase Shift – PS): a emissão do laser é contínua e modulada. O instrumento envia um feixe de laser com ondas harmônicas, sendo a distância determinada através da comparação da diferença entre a onda transmitida e recebida (Figura 16). A precisão desse sistema é da ordem de 1% do comprimento da onda da modulação. Como esse é um processo contínuo,

consegue ser mais rápido que os sistemas de tempo de voo, apresentando maior velocidadede captura de dados; e

Figura 16 – Varredura a laser: sistema de diferença de fase

Fonte: LEICA, 2011.

 sistemas de triangulação óptica: baseiam-se na medição de distâncias na triangulação da posição em que o laser é refletido. O sistema emite um feixe de laser e a linha de interseção desse com o objeto é capturada por um sensor tipo CCD (Charge-Couple Device) ou CMOS (Complementary Metal-Oxide-

Semiconductor) integrado a uma câmera fotográfica.

Conforme o esquema da Figura 17, as coordenadas de qualquer ponto do objeto são calculadas em função das coordenadas do ponto imagem (xN, yN) correspondentes, da inclinação do feixe de laser (α), da distância principal (dp) e da distância de base (distância entre os dispositivos de emissão e recepção do laser – B).

Figura 17 – Varredura a laser: esquema de sistemas de triangulação

São várias as especificações de laser scanners disponibilizados por empresas, como

IQSun, Leica, Optech, Callidus, Trimbe, Riegl e etc. O Quadro 3, a seguir, apresenta a

comparação dos três sistemas de varredura a laser terrestre e sua utilização.

Quadro 3 – Características dos principais tipos de laser scanner terrestres

Sistema Alcance (m) Precisão (mm) Taxa de captura (pontos/s) Emprego Fornecedor Triangulação 0,1–25 0,05 – 0,50 105 Pequenas peças ou aplicações de curta distância (menores que um metro) Mensi, Minolta Tempo de voo 5 - 6000 3 - 20 10 6 Levantamentos a médias e grandes distâncias Optech, Leica, Mensi, Callidus, Riegl Diferença de fase 0,3 - 300 1 – 5 10 5 _{– 10}6 Levantamentos a pequenas distâncias (50 – 100 m) IQSun, Leica, Visimage, Z – F

Fonte: adaptado de MICHOUD; DERRON; JABOYEDOFF, 2013.

Segundo Groetelaars e Amorim (2011), as etapas realizadas em um levantamento utilizando varredura a laser estão divididas em:

 planejamento – em que são definidos a finalidade do levantamento, a área e os objetos a serem capturados, o posicionamento do scanner e o nível de detalhamento requerido;

 aquisição de dados – quando é realizada a varredura do objeto visando a captura de dados e o levantamento de pontos de controle;

 pré-processamento – tratamento da nuvem de pontos, alinhamento das cenas35 _e realização de operações visando a otimização da nuvem; e

 processamento – em que são realizadas operações de filtragem, segmentação, modelagem, otimização e edição do modelo, assim como, a exportação dos produtos.

A fase de processamento exige disponibilidade de software adequado, pois alguns fabricantes dos sistemas de varredura a laser fornecem programas que realizam um processamento mínimo dos dados (visualização e conversão de dados RAW36_{, detecção} automática de alvos e orientação de nuvens de pontos). Já fabricantes como a Riegl,

35 _{Cada captura de dados realizada em uma varredura é chamada de cena (AMORIM, 2012).}

36 _{Formato “cru”, do inglês RAW, é o nome dado a imagem “bruta” sem qualquer tipo de compactação,}

Leica, Z+F disponibilizam pacotes completos. Entretanto, o mais comum é a realização do processamento em software com funcionalidades específicas como é o caso do Polyworks e o JRC 3D Reconstructor (MATEUS, 2012).

Ao término do processamento, podem-se obter diversos produtos, para além dos primários gerados pelos sistemas de varredura a laser (nuvem de pontos, coordenadas, distâncias e ângulos), como modelos geométricos (sólidos ou de superfícies), ortofotos e desenhos.