Este capítulo que tem como enfoque a tecnologia LIDAR abordando os conceitos e definições básicas sobre o seu uso, funcionamento e aplicação na área de Geologia. Além disso, este capítulo tem como finalidade definir as distintas técnicas de aquisição e registro de dados de campo com o Laser Scanner, apresentando objetivamente a metodologia de aquisição de dados, os tipos de ferramentas necessárias para a aquisição e algumas vantagens e desvantagens de cada uma das técnicas.
3.1 Apresentação
O Laser Scanner funciona como um sensor remoto que a partir de um sistema ótico- mecânico emite pulsos de lasers em direção a um alvo (Dalmolin & Santos 2004). Com isso, ele mede o tempo que cada pulso de laser leva para refletir na superfície imageada e retornar ao scanner, permitindo o cálculo da distância entre o equipamento e o alvo. O sistema informa, então, a posição precisa de cada ponto no espaço gerando uma nuvem de pontos tridimensional (Figura 3.1) (Harris & Paterson 2002).
Figura 3.1 – Nuvem de pontos tridimensional adquirida com o Laser Scanner.
O uso desse equipamento na Geologia ainda está em estágio inicial, especialmente para imagear afloramentos. Com relação às ferramentas de mapeamento digital empregadas até o momento para a caracterização 3D de afloramentos, a tecnologia LIDAR é muito eficaz, com custos relativamente baixos e tempo reduzido de levantamento e processamento dos dados. Evidentemente, outras ferramentas têm sua eficiência comprovada e não deixam de ser obsoletas com a chegada do Laser Scanner,
pelo contrário, o uso integrado de várias ferramentas (Estação Total e GPS) está sendo cada vez mais utilizado pelos geocentistas. Outra vantagem desta técnica é a possibilidade de execução de levantamentos independentemente das condições de luminosidade existente, já que o sistema não utiliza a luz visível.
Equipamento: HDS 3000 da Leica Geosystems
O Laser Scanner utilizado no trabalho foi o modelo HDS 3000, desenvolvido pela
Leica Geosystems. Esse equipamento é o sucessor do Laser Scanner Cyrax 2500
utilizado originalmente pelo GEA (Menezes 2004). Este novo modelo apresenta algumas inovações tecnológicas, mas permanece com as mesmas funções operacionais (Figura 3.2).
Figura 3.2 – Laser Scanner modelo HDS 3000 da Leica Geosystems
Com relação a alguns parâmetros de aquisição, o equipamento adquire centenas de milhares de pontos com uma precisão de até 6mm, a uma distancia de 50m do alvo. A distancia máxima de aquisição é de aproximadamente 180m do alvo.
Ele possui dois espelhos de varredura a laser que operam de forma sistemática permitindo aquisições com giros de 360° na horizontal e de 270° na vertical (Figura 3.3). Uma câmera digital integrada ao sistema é responsável pela obtenção de fotos dos alvos que serão imageados, permitindo observar o mesmo campo de visão do equipamento, facilitando posteriormente a sobreposição da nuvem de pontos com as fotos adquiridas.
Figura 3.3 – Giro horizontal e vertical do HDS 3000 e janelas de varredura.
O sistema HDS 3000 funciona acoplado a um laptop IBM/PC alimentado por uma (ou duas) bateria externa.
3.2 Conceitos Básicos e Definições
Com o intuito de familiarizar e disponibilizar informações desta tecnologia para a comunidade geológica, além de facilitar o entendimento do texto desta dissertação, este tópico trata, de forma sucinta, dos termos usados mais freqüentemente nas aquisições de dados com o Laser Scanner. Vale ressaltar que vários desses termos empregados nesta tecnologia estão relacionados com o software Cyclone que é utilizado em toda a operação de aquisição e de processamento dos dados com o Laser Scanner, por isso faz-se necessário esse breve tópico de conceitos e definições.
O termo “escaneamento” é bastante utilizado e significa o processo usado pelo sistema HDS 3000 para representar virtualmente o alvo escolhido, onde cada medida individual adquirida no alvo resulta em um ponto com coordenadas x, y, z e que ao final do escaneamento com a reunião de todos esses pontos, resulta em uma nuvem de pontos, que proporcionam a base para a modelagem 3D de superfícies. Portanto, uma “cena” é o resultado de um único escaneamento, a partir de uma estação de coleta de dados pré- estabelecida pelo operador, onde fica posicionado o Laser Scanner, representado por uma nuvem de pontos 3D.
O software Cyclone é o responsável pelo gerenciamento das aquisições, em conjunto com o HDS 3000, e possui um ambiente de alta performance de renderização para manipulação das nuvens de pontos tridimensionais adquiridas pelo Laser Scanner. Com ele é possível a visualização e a navegação das cenas adquiridas, a medição entre os pontos das nuvens, e a modelagem 3D de objetos e das nuvens de pontos (Figura 3.4)
Figura 3.4 – Janelas de navegação e de visualização do software Cyclone
O Cyclone cria e armazena todas as informações de um levantamento em um “banco de dados” (database) próprio. Esse banco de dados possui uma extensão de arquivo *.imp.
O banco de dados ou IMP ou databases, como é comumente chamado, possui alguns níveis de hierarquia de objetos no armazenamento de dados (Figura 3.5). Serão definidos a seguir os objetos que fazem parte dessa hierarquia interna do Cyclone e para facilitar o entendimento, os objetos serão descritos do menor para o maior nível hierárquico.
Figura 3.5 - Hierarquia de objetos no Cyclone.
3.2.1 Objetos do Banco de Dados
Os objetos existentes em um banco de dados do Cyclone são: Projetos, ScanWorlds,
ControlSpace, ModelSpace, Scans e Images.
- Images: é uma subpasta que tem como função armazenar todas as fotos obtidas pela câmera digital integrada ao Laser Scanner no levantamento das cenas. É uma subpasta de
ScanWorld (Figura 3.6)
- Scans: é uma subpasta que armazena todos os escaneamentos individuais, ou seja, todas as cenas adquiridas de forma isolada. É também uma subpasta da ScanWorld.
- ModelSpace: é o objeto que reúne todas as informações sobre a organização espacial da geometria das nuvens de pontos. É neste objeto onde se pode visualizar, analisar e
Projeto Banco de Dados
interpretar as nuvens de pontos adquiridas em ambiente 3D. É também uma subpasta da
ScanWorld (Figura 3.4).
Figura 3.6 – Fotos tiradas com a câmera digital integrada do Laser Scanner
- ControlSpace: é um objeto com características semelhante ao ModelSpace. É usado para revisar, organizar e remover dados do levantamento, mas estes não podem ser movidos nem reamostrados para assegurar a integridade dos dados levantados. Por isso armazena os objetos de controle ou de restrição (constraint objects) que são usados no processo de união ou de registro de cenas que será comentado em tópicos que se seguem. O ControlSpace é uma subpasta da ScanWorld.
- ScanWorlds: É a pasta que contém os quatro objetos descritos anteriormente e que reúne todas as informações de um escaneamento. Portanto, dentro de uma ScanWorld estão as cenas obtidas com suas respectivas fotos, ModelSpaces e ControlSpaces. Para se realizar o registro das cenas utiliza-se as ScanWorlds.
- Projetos: é uma subpasta e o único subordinado hierarquicamente do banco de dados, sendo responsável por alocar todas as ScanWorlds.
Sumarizando todos esses conceitos sobre hierarquia interna de objetos do software Cyclone tem-se que os databases contém os projetos. Os projetos contém ScanWorlds que por definição contém um ControlSpace e três subpastas que são os ModelSpaces,
Scans e Images.
3.2.2 Registro de Cenas
As diversas cenas são adquiridas individualmente pelo Laser Scanner e depois são transportadas e integradas em um único arquivo. Esse processo é chamado de “registro de cenas” que integra todas as cenas adquiridas em um único sistema de coordenadas no espaço 3D, unindo de forma precisa, todas as nuvens de pontos 3D do levantamento.
O registro de cenas é realizado no software Cyclone (Figura 3.7) e como resultado desse registro é gerado uma nova ScanWorld que engloba todas as cenas integradas em um único sistema de coordenadas. Vale ressaltar que para realizar esse registro o
software utiliza como parâmetro de entrada apenas os ControlSpaces selecionados,
porque eles são objetos que garantem a integridade do dados adquiridos em campo.
3.3 Técnicas de aquisição e registro de dados
Para se iniciar uma aquisição de dados de campo com o Laser Scanner é necessário um planejamento inicial, onde são definidos vários parâmetros da aquisição de acordo com o objetivo e com a situação encontrada em campo, como por exemplo: a localização e a quantidade das estações de coleta de dados, a quantidade de cenas, a resolução das nuvens de pontos, o recobrimento de cenas, etc. A quantidade e a localização das estações de coleta devem ser definidas de tal forma a imagear por completo o afloramento ou alvo, visando sempre à otimização do tempo em campo.
Depois de concluída essa análise inicial da área a ser escaneada, define-se a técnica de aquisição a ser utilizada. A escolha da técnica está intrinsecamente ligada com o tipo de registro das cenas, porque cada técnica possui uma metodologia de aquisição distinta e um diferente método de registro das cenas e, também, porque influencia diretamente na escolha de acessórios de campo a ser utilizado no levantamento.
A importância da escolha e da possibilidade de se poder trabalhar com várias técnicas de aquisição é salutar, porque no campo podem ocorrer situações que favoreçam o uso de uma determinada técnica, enquanto que em outras situações essa mesma técnica pode não ser adequada e/ou recomendável, evitando assim desperdícios de tempo, pessoal e recursos financeiros.
A seguir estão descritas as técnicas de aquisição de dados utilizadas com o Laser
Scanner, resumindo-se em 5 (cinco) tipos principais e nomeadas de: a) Sistema de Targets, b) Sistema de Nuvens de Pontos, c) Sistema de Pontos Topográficos, d) Única
Cena ou Cena Isolada e e) Sistemas Alternativos.
a) Sistema de Targets
Esse sistema utiliza targets (pequenos alvos) (Figura 3.8) como acessórios de campo na aquisição das nuvens de pontos para o registro dos dados. Estes targets devem ser distribuídos na área de trabalho de forma em que cada cena (varredura do scanner) seja possível captar targets em comum das próximas cenas a adquirir. Desta forma, é necessário à utilização de pelo menos 3 targets dispostos não linearmente e obrigatoriamente comuns a duas cenas, para que seja possível unir (registrar), em um único sistema de coordenadas, duas cenas com precisão. O ideal é a utilização de 5
possibilidade de perda de algum deles. Esse sistema é muito eficaz e rápido, pois a partir do posicionamento bem distribuído, de alguns targets no local de trabalho, o operador do equipamento consegue criar e fixar um sistema arbitrário de coordenadas com rapidez e precisão que pode ser utilizado até o final do levantamento.
Existem dois tipos de targets, os magnéticos (paths) e os de giro. Os “targets magnéticos” são fixos, e são melhores utilizados em superfícies planas e rígidas, pois são facilmente prendidos com fitas adesivas e tem a vantagem de permanecerem até o final da aquisição. É esse tipo de target que é usado para criar e fixar o sistema arbitrário de coordenadas, conforme citado acima. Com relação às desvantagens, este tipo de target não pode ser imageado pelo Laser Scanner com uma angulação tangencial de menos de 30º, o ideal é que seja a 90º, e também, porque ele não permite nenhum tipo de giro na horizontal e na vertical. Os targets de giro podem ser apoiados em bastões, bipés ou tripés e por isso sua maior vantagem é a de permitir a aquisição de duas cenas em sentidos opostos (180º), pois para isso basta girar o bastão de modo que o target fique, aproximadamente, perpendicular ao equipamento, mantendo sua posição em X, Y e Z. Eles também podem funcionar com bases magnéticas, em locais onde não podem ser colocados bastões, bipés ou tripés como em algumas instalações industriais, trabalhando de forma semelhante aos paths, mas com a vantagem de possuir um sistema móvel na horizontal e vertical. A desvantagem é que são bem mais caros do que os targets magnéticos.
Figura 3.8 – a) Target magnético ou path e b) Target de giro. a)
b) Sistema de Nuvens de Pontos
Esse sistema talvez seja o mais rápido em campo porque não utiliza nenhum acessório ou ferramenta adicional na aquisição das cenas. Ele utiliza somente as próprias nuvens de pontos adquiridas para registrá-las, interpolando milhares de pontos comuns entre elas. O sistema utiliza pontos em comum nas nuvens selecionadas para o registro e reúne esses dados em um único espaço tridimensional e no mesmo sistema de coordenadas. Para tornar isso possível é necessário que as cenas tenham um recobrimento comum mínimo de 30 a 50% (Figura 3.9).
Figura 3.9 – Registro de cenas através de nuvens de pontos, enfatizando o recobrimento necessário entre as cenas para a realização dessa operação.
c) Sistema de Pontos Topográficos
Esse sistema tem como ponto principal à geração de um sistema de coordenadas para o local antes do início da aquisição com o Laser Scanner, certificando que todas as cenas sejam adquiridas em um sistema de coordenadas único. Para isso, é apoiado por
pontos topográficos já conhecidos na área de trabalho como RN (Referências de Nível) ou por pontos topográficos gerados no próprio local com suporte de outros equipamentos (GPS, Estação Total etc.). Pode ser realizado por três métodos: a) Poligonal, b) Irradiação e c) Rastreio com GPS.
No método por poligonal, para gerar um sistema de coordenadas é necessário à criação de um polígono, onde os vértices representam as estações de coleta de dados do
Laser Scanner. Os polígonos podem ter quantos vértices forem necessários para que o
alvo seja imageado de forma correta pelo scanner nas estações escolhidas. Se houver um ponto topográfico na área, utiliza-se dele para georreferenciar o modelo, e se não houver, o modelo fica referenciado em um sistema arbitrário (eixos cartesianos com origem em 0, 0, 0) de coordenadas.
O método por irradiação tem muita semelhança com o da poligonal, e cria o sistema de coordenadas a partir de uma base fixa escolhida de forma que possa posicionar deste local todas as estações de coleta de dados. Uma Estação Total pode auxiliar e executar esses dois métodos descritos acima.
No último método deste sistema, o DGPS (GPS Diferencial) tem a função de georreferenciar às estações de coleta de dados definidas pela estação total e, conseqüentemente, georreferenciando todas as nuvens de pontos adquiridas e o modelo 3D final. Neste sistema de aquisição por pontos topográficos o registro dos dados é mais simples, pois como todas as cenas foram adquiridas em um sistema de coordenadas comum, basta utilizar um único comando no software para que todas elas se unam em um ambiente 3D único automaticamente.
d) Única Cena ou Cena Isolada
Esse tipo de levantamento se resume à aquisição de uma única cena para escanear por completo o alvo escolhido. O ideal para esse tipo de levantamento seria utilizar um campo de visão horizontal de no máximo 180º na horizontal (Figura 3.3), devido à qualidade da resolução da aquisição, pois se for utilizado ângulos de visões horizontais de 270º a 360º a resolução diminui substancialmente devido à precisão angular do Laser
Scanner. Nessas situações é recomendável a utilização das outras técnicas de aquisição
descritas neste capitulo porque tem a essência básica de adquirir várias cenas para obtenção de um imageamento preciso e completo do alvo.
O modelo 3D final gerado com essa única cena é facilmente georreferenciado com o auxilio de um GPS Geodésico. Outra característica importante deste tipo de aquisição é que não é necessário o registro dos dados, já que só foi adquirida uma cena em todo o levantamento. Vale ressaltar que o tempo do levantamento em campo é reduzido devido à aquisição de apenas uma cena.
e) Sistemas Alternativos
Essas outras opções de registro de cenas podem ser utilizadas no caso de o registro normal se mostrar incapaz de unir as cenas por algum motivo particular.
- Vertex Virtuais
É utilizado quando no registro dos dados a precisão da união é muito baixa e o
software não consegue alinhar as cenas, mesmo quando conseguimos identificar vários
pontos em comum nas cenas. Então a opção é criar vertex virtuais em diversos locais da cena para que funcionem como targets de campo. Vertex virtuais são simplesmente
targets criados pelo operador, virtualmente, para essa operação. O registro das cenas
então é feito da mesma forma que no sistema de targets, obtendo no final cenas registradas em um mesmo sistema de coordenadas (Figura 3.10).
Figura 3.10 – Exemplo de um registro de cenas utilizando vertex virtuais. No lado direito inferior tem-se um zoom de um vertex virtual.
- Importar outros arquivos de nuvens de pontos
Existem situações que são realizadas aquisições em períodos distintos, e em uma dessas aquisições não foi utilizado targets, nem foi possível o registro por nuvens de pontos e não foi utilizado nenhum ponto topográfico como referência. Neste caso, a única alternativa se resume a importar arquivos de levantamentos anteriores, e, então, comparar e analisar as nuvens de pontos, com objetivo de identificar pontos em comum necessários para o registro dessas cenas. Esse é o sistema menos indicado e só deve ser utilizado como ultima das possibilidades.
3.4 Aplicações diversas do Laser Scanner
O avanço da tecnologia vem permitindo o desenvolvimento de ferramentas para mapeamento direto da superfície do terreno e de afloramentos, e o Laser Scanner é uma técnica emergente que vem sendo incorporada gradativamente ao processo de mapeamento digital com progressivo aumento de suas aplicações, principalmente nas geociências e nas áreas industriais.
Dentre as várias aplicações do Laser Scanner, terrestre e aerotransportado, podem ser citados:
- Mapeamentos topográficos tridimensionais com acurácia;
- Classificação do uso da terra a partir da informação de altura, densidade e sombras como critério de reflectancia;
- Planejamento e Desenvolvimento Urbano: Atualização de áreas urbanas para base de dados de SIG;
- Mapeamento de áreas com concentração de águas estagnadas por enxurradas e detecção ou simulação de áreas susceptíveis às inundações;
- Engenharia: detecção e atualização de pequenas mudanças na superfície e estrutura de materiais usados em projetos de engenharia, como plataformas e plantas inudustriais; - Outras aplicações na ecologia, artes, militares e médicas.
Com o objetivo de exemplificar mais uma aplicação do Laser Scanner no âmbito da Geologia foi realizado um levantamento nas dependências da empresa Millennium
Lyondell, no Estado da Paraíba, visando avaliar o potencial de utilização para
monitoramento continuo 3D da frente de lavra em campos de dunas e para o imageamento das instalações industriais (Figura 3.11 e 3.12).
Figura 3.11 – Desmonte da frente de lavra no campo de dunas da empresa Millennium.
O levantamento constou da aquisição de geometrias externas da frente de lavra de minerais pesados e também dos equipamentos utilizados no desmonte e centrifugação das areias das dunas.
Foi adquirida uma única cena, com várias sub-cenas, com o Laser Scanner, que foi posicionado na margem oeste do lago (Figura 3.13), em frente da lavra. Neste local obteve-se um ângulo satisfatório de visada tanto “para a frente de lavra” quanto para os equipamentos.
Figura 3.13 – Aquisição com o Laser Scanner nas dependências da empresa Millennium.
Depois da aquisição da única cena do levantamento, com o auxilio de um GPS diferencial e de cinco targets magnéticos, o modelo 3D final foi georreferenciado. Vale salientar que esse tipo de aquisição é muito eficiente e rápida, porque além de ser adquirida somente uma cena, o modelo não precisa ser registrado ao termino da aquisição (Figura 3.14).
Figura 3.14 – Georreferenciamento do modelo a partir do uso do GPS Diferencial.
Essa aquisição também foi importante para teste de alcance máximo dos raios emitidos pelo Laser Scanner, com isso o levantamento se realizou sem qualquer tipo de filtro de distancia para o retorno dos feixes de lasers.
As imagens do modelo 3D do levantamento estão a seguir e representam a frente de lavra do campo de dunas em três dimensões (Figura 3.15 e 3.16), os equipamentos de desmonte (Figura 3.17), a planta de pré-beneficiamento em 3D (Figura 3.18).
Figura 3.15 - Modelo 3D “da frente de lavra” da empresa Millennium Lyondell.
Figura 3.16 - Detalhe “da frente de lavra” e de alguns equipamentos de desmonte da mina.
Figura 3.17 – Mais detalhes “da frente de lavra” e de alguns equipamentos.
Figura 3.18 – Vista 3D da planta de pré-beneficiamento da mina.