CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS
CURSO DE AGRONOMIA
Missão: “Formar Profissionais capacitados, socialmente responsáveis e aptos a
promoverem as transformações futuras”
VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO NO MAPEAMENTO DO USO
DO SOLO E REPRESENTAÇÃO DE MODELAGEM 3D DA
PAISAGEM
BRUNO DA MAIA RAMOS
VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO NO MAPEAMENTO DO
USO DO SOLO E REPRESENTAÇÃO DE MODELAGEM 3D
DA PAISAGEM
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca examinadora do Centro Universitário Dinâmica das Cataratas, como requisito parcial para a obtenção do grau de Agronomia.
Prof. Orientador: Mikael Timóteo Rodrigues.
TERMO DE APROVAÇÃO
CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS
VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO (VANT) NO MAPEAMENTO DO USO DO SOLO E CONSTITUIÇÃO DE MODELAGEM 3D DA PAISAGEM
TRABALHO FINAL DE CONCLUSÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE BACHAREL EM AGRONOMIA
Acadêmico: Bruno da Maia Ramos
Orientador: Dr. Mikael Timóteo Rodrigues
Nota Final
Banca Examinadora:
Prof. Me. Felipe de Souza Nogueira Tagliarini
EPÍGRAFE
“O sucesso nasce do querer, da
determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar agradeço a Deus por estar presente em minha vida nos momentos mais difíceis, por ter me mantido com saúde e com forças para chegar até o final.
Agradeço aos meus pais, em especial a minha mãe Adriana da Maia, que apesar de todas as dificuldades, investiu na construção do meu conhecimento.
A minha esposa Vanessa Carolina Spieker Ramos, que durante essa caminhada me apoiou e me incentivou a não desistir. Por todos momentos ao seu lado, o qual posso dizer que são os melhores da minha vida. Te amo.
Agradeço ao meu orientador Mestre Mikael Timóteo Rodrigues, por aceitar conduzir o meu projeto de pesquisa, sendo sua orientação primordial na elaboração e conclusão. Obrigado por me manter motivado durante todo processo de construção do projeto.
Aos meus avós João Carlos da Maia e Gesi da Maia, por todo amor e carinho.
Agradeço a todos os Professores do meu curso, que proporcionaram um ensino de qualidade.
Aos meus colegas do curso de graduação que compartilharam dos inúmeros desafios que enfrentamos com espírito colaborativo.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANAC Agência Nacional de Aviação Civil CTA Centro Tecnológico Aeroespacial
DSG Diretória do Serviço Geográfico do Exército GPS Global Positioning System
GSD Ground Sample Distance
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IMU Inertical Measurement Unit
MDT Modelo Digital do Terreno MDS Modelo Digital de Superfície PMD Peso Máximo de Decolagem
SUDENE Superintendência do Desenvolvimento do Nordeste TIN Triangular Irregular Network
UAV Unmanned Aerial Vehicles VANTs Veículo Aéreo Não Tripulado
LISTAS DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Área de estudo localizada na Fazenda Amizade. ... 18
Figura 2: Phantom 4 Advanced. ... 19
Figura 3: Plano de voo no drone Deploy ... 20
Figura 4: Localizações de câmeras e estimativas de erros ... 23
Figura 5: Linhas de aferição de distâncias na Fazenda Amizade. ... 25
Figura 6: Ortomosaico. ... 26
Figura 7: Densidade de fotos e nível de sobreposição para geração do ortomosaico.27 Figura 8: Uso e cobertura do solo ... 29
Figura 9: Modelo 3D (Nuvem densa de pontos). ... 30
Figura 10: Modelo 3D (Texturização) ... 31
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Erro médio de posição das imagens total e parcial dos eixos x, y e z. ... 22 Tabela 2: Correlações entre distâncias e declividade aleatórias do ortomosaico em
relação às obtidas por Google Earth. ... 24
Tabela 3: Classes de uso e cobertura do solo na Fazenda Amizade ... 28
RAMOS, Bruno da Maia. Veículo- Aéreo não tripulado no mapeamento do uso do solo e representação de modelagem 3D da paisagem. Foz do Iguaçu, 2020. Trabalho Final de Graduação – Centro Universitário Dinâmica das Cataratas.
RESUMO
Com o surgimento de novos equipamentos de cunho tecnológico, acrescentando a demanda crescente em gerar produtos cartográficos que apresentem qualidade elevada no campo das geotecnologias, destacam os chamados Veículos Aéreos Não Tripulados – VANTs. Desta forma, o objetivo principal do presente trabalho é avaliar o uso de VANT em levantamento aéreo com elevada resolução espacial na fazenda amizade em Foz do Iguaçu, propondo uma metodologia mais apurada na geração de mapas de uso e cobertura do solo e modelagem da paisagem em 3D. Foi utilizado o VANT Phantom 4 Advanced, desenvolvido pela empresa DJI. A plataforma possui autonomia de 30 minutos de voo, equipado com sensor de 1 polegada de 20 megapixels, o que permite a obtenção de imagens com elevada resolução espacial. Foi realizado um plano de voo por meio do software de missões autônomas drone Deploy® na área de interesse do projeto, onde o voo foi configurado para recobrimento/sobreposição frontal (Overlap) de 80% e lateral (Sidelap) de 70%, bem como altitude de voo na ordem de 100 metros. Para processamento dos produtos cartográficos foi utilizado o software Agisoft Metashape de fotogrametria (licença temporária gratuita – 30 dias), onde foi possível gerar as nuvens de pontos densa para geração dos modelos digital de superfície MDS e modelo digital do terreno MDT, Curvas de nível, Modelo Texturizado, bem como o ortomosaico com GSD (Ground Sample Distance) de ordem centimétrica. A aquisição de modelos tridimensionais por meio da metodologia empregada com fotogrametria, gerando produtos como ortomosaicos georreferenciados, nuvens de pontos e modelos digitas, sinalizaram potencialidades do uso dessa plataforma em áreas de atividade agrícola, apresentando-se como alternativa aos métodos tradicionais de análise de uso do solo e mensuração de variáveis do terreno.
RAMOS, Bruno da Maia. Unmanned aerial vehicle in the mapping of land use
and representation of 3D landscape modeling. Foz do Iguaçu, 2020. Work
final Graduation - University Center Dynamics of Falls.
ABSTRACT
With the emergence of new technological equipment, adding to the growing demand for generating cartographic products that present high quality in the field of geotechnologies, the so-called Unmanned Aerial Vehicles - UAVs stand out. Thus, the main objective of the present work is to evaluate the use of UAV in aerial survey with high spatial resolution at the Friendship farm in Foz do Iguaçu, proposing a more accurate methodology in the generation of maps of land use and cover and modeling of 3D landscape. The equipment utilized was the UAV Phantom 4 Advanced, developed by company DJI. The platform has an autonomy of 30 minutes of flight, equipped with a 1-inch sensor of 20 megapixels, which allows obtaining images with high spatial resolution. A flight plan was carried out using the drone Deploy® autonomous mission software in the area of interest of the project, where the flight was configured for 80% frontal overlap / overlap and 70% lateral overlap (Sidelap), as well as flight altitude in the order of 100 meters. For processing the cartographic products, the Agisoft Metashape photogrammetry software (free temporary license - 30 days) was used, where it was possible to generate the dense point clouds for the generation of digital model of surface MDS and digital model of terrain MDT, Level curves, Textured Model, as well as the orthomosaic with centimetric GSD (Ground Sample Distance). The acquisition of three-dimensional models using the methodology employed with photogrammetry, generating products such as georeferenced orthomosaics, point clouds and digital models, signaled the potential of using this platform in areas of agricultural activity, presenting itself as an alternative to traditional methods of use analysis of the soil and measurement of terrain variables.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1OBJETIVOS ... 12 1.1.1 Objetivo Geral ... 12 1.1.2 Objetivos específicos... 12 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 13 2.1 FOTOGRAMETRIA ... 13
2.2 VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO (VANT) ... 14
2.2.1 VANTAGENS TÉCNICAS DOS VANTs MULTIROTORES ... 15
2.3 REGULAMENTAÇÃO DE VOO DA ANAC ... 15
2.4 MAPEAMENTO DO USO E COBERTURA DO SOLO ... 17
3 MATERIAL E MÉTODOS ... 18
3.1 ÁREA DE ESTUDO ... 18
3.2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 18
3.2.1 AQUISIÇÃO DAS IMAGENS ... 20
3.2.2 SEGURANÇA ... 20
3.2.3 MOSAICO E ORTOFOTO ... 21
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 22
4.1 ORTOMOSAICO ... 25
4.2 USO E COBERTURA DO SOLO ... 28
4.3 MODELOS 3D DA PAISAGEM ... 29
5 CONCLUSÃO ... 32
1 INTRODUÇÃO
Devido ao advento de novas ferramentas de cunho tecnológico, somado a demanda crescente em produzir produtos cartográficos que apresentem qualidade fidedigna, surge uma ferramenta no campo das geotecnologias, os chamados Veículos Aéreos Não Tripulados – VANTs (Unmanned Aerial Vehicles – UAV).
Primeiramente, esse conceito de construir aeronaves não tripuladas nasceu de necessidades bélicas, com o objetivo de executar missões aéreas com potenciais de riscos à vida humana. Atualmente, aplicações científicas e civis vêm sendo desenvolvidas por meio dessas plataformas, uma vez que o uso de VANTs apresenta vantagens econômicas e técnicas em analogia aos sistemas convencionais de aquisição de imagens (LONGHITANO, 2010), como por exemplo, as plataformas orbitais com resoluções especiais elevadas, bem como as plataformas suborbitais de levantamento aéreo, criando uma lacuna na acessibilidade desta tecnologia devido ao elevado custo de viabilidade, que antes, era apenas disponível para o setor público e grandes empresas de engenharia.
Com aplicação dos VANTs na agricultura, os levantamentos topográficos passam a ganhar uma nova transição de modelo padrão, uma quebra de paradigma com as novas possibilidades e seus respectivos benefícios de custos operacionais e tempo de trabalho em analogia aos métodos tradicionais (RODRIGUES et al., 2017; RODRIGUES et al., 2018).
A obtenção de informações detalhadas e precisas sobre o espaço geográfico é uma condição necessária para as atividades referentes ao planejamento e tomada de decisões, desta forma, os VANTs atuam de forma satisfatória na geração de mapas temáticos de uso e ocupação do solo.
Além disso, com a utilização de softwares específicos de processamento digital de imagens para a fotogrametria possibilita geração de modelos tridimensionais da paisagem devido a técnica de estereoscopia, proporcionando assim a paralaxe em razão do método de coleta de dados dos VANTs, onde essa técnica opera com grande importância na obtenção de modelos digitais de terreno e superfície, modelos digitais de culturas, além de modelos 3D para trabalhar indivíduos arbóreos individualmente
1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo Geral
Avaliar o uso de Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) em levantamento aéreo em área rural com elevada resolução espacial, propondo uma metodologia mais apurada na geração de mapas do uso e cobertura do solo e modelagem da paisagem em 3D, apontando potencialidades e dificuldades encontrados na aquisição desses produtos em áreas de atividade agrícola.
1.1.2 Objetivos específicos
Realizar o processamento de imagens a fim de gerar mapas do uso e ocupação do solo com elevado grau de detalhamento;
Realizar modelagem da paisagem em formato 3D, apontando as respectivas potencialidades;
Gerar ortomosaico e Modelos digital de terreno para Aferição de distâncias e declividade em relação a Fita métrica medida em campo e Google Earth.
2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 FOTOGRAMETRIA
A palavra fotogrametria derivada do grego: photon, grafos e metron, significando: luz, descrição e medida, respectivamente. Ainda na década de 60, a fotogrametria era reconhecida como uma arte, que permitia realizar medições precisas por meio de fotografias sendo possível realizar cálculos (ATAÍDE, 2016).
Com a evolução da aviação depois da Primeira Guerra Mundial, a fotogrametria teve grande importância no mapeamento das áreas, acarretando uma busca na procura de novos equipamentos, no desenvolvimento de novas tecnologias para o processamento das imagens que são usufruídas atualmente (RODRIGUES, 2020).
No Brasil, à evolução da fotogrametria teve o apoio de corporações do governo, como DSG (Diretória do Serviço Geográfico do Exército), IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), SUDENE (Superintendência do Desenvolvimento do Nordeste), entre outros cursos desenvolvidos pelo país (DA SILVA, 2015).
De acordo com Baldivieso (2020), a aplicação dos VANTs e a vinculação dos softwares que são utilizados no processamento fotogramétrico das imagens captadas pelos sensores como a câmara, são superiores aos métodos de fotogrametria convencional, visto que com seu uso é possível gerar a reconstrução da paisagem em formato 3D, desenvolvendo modelos digitais do terreno (MDT) e modelos digitais de superfície (MDS).
As diferentes formas de aquisição das imagens fazem parte do sensoriamento remoto, uma vez que abrangem características que influenciam na qualidade das informações obtidas, no caso das imagens aéreas, destacam-se a resolução espacial e espectral (OTAKE, 2017).
A resolução espacial é determinada pela capacidade na qual o sensor possui em diferenciar e medir objetos, contudo quanto menor for o tamanho do pixel atribuído na aquisição das imagens maior será o detalhamento e a sua resolução espacial (ALCÂNTARA, 2016).
Já a resolução espectral, pode ser assimilada na habilidade que o sensor tem de diversificar a intensidade dos reflexos que são emitidos por meio da superfície terrestre podendo ser; a vegetação, objetos e o solo, sendo que cada um dos alvos
vai refletir em variados comprimentos de onda do espectro eletromagnético (BERNARDI et al., 2014).
2.2 VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO (VANT)
A denominação concedida para essas aeronaves (VANTs), pode ser Aeronave Remotamente Pilotadas (ARP), Unmanned Aerial Vehicle (UAV) ou então a expressão em inglês drone (OTAKE, 2017).
Essas aeronaves podem ser controladas remotamente pelo meio de controle de rádio frequência ou autonomicamente com aplicação de softwares, são equipados com Global Positioning System (GPS), infravermelho, câmera dentre outros sensores remotos facilitando posições íngremes de entrada, promovendo uma ampla vista com melhor precisão de imagens, conforme a elevação diminuindo o custo do processo (ATAÍDE, 2016).
Os primeiros veículos aéreos não tripulado surgiram nos Estados Unidos em 1953, eram utilizados em virtude de realizar o reconhecimento geográfico das áreas inimigas, depois passaram a testar os VANTs equipados com armas e logo deixou de ser um equipamento exclusivo militar e se converteu em um benefício para sociedade civil tendo propósito recreativo, quanto comerciais (SANTOS, 2015).
No Brasil as primeiras evidências da utilização de VANTs, deram início na década de 80 na qual o Centro Tecnológico Aeroespacial (CTA) elaborou o projeto Acauã, com finalidades militares e foi inativado, voltou em 2007 partindo do governo para o estímulo na evolução de VANTs (SOARES, 2019).
De acordo com Barcelos (2017), é possível se deparar com vários modelos de VANTs, onde cada categoria vai ter uma característica e diferentes finalidades de aplicações, podendo ser classificados conforme suas especificações técnicas, como o material empregado na fabricação, peso máximo de decolagem (PMD), dimensões, tempo de voo entre outros fatores.
Entre as categorias dos VANTs, os que se destacam são os de asa fixa e os multirotores. As aeronaves que são constituídas de asa fixa têm a capacidade de mapear grandes áreas, desempenhando maior tempo de voo, seus movimentos são limitados devido sua aerodinâmica sendo necessário pista para decolagem e aterrisagem (JORGE e NAMASU, 2014). Os veículos aéreos não tripulados do tipo multirotor, são embarcados com vários sensores para uma melhor autonomia durante
o voo, seus rotores possibilita uma melhor movimentação, gerando um maior grau de liberdade devido ao movimento de rotação nos eixos durante a missão (ROSA, 2020). 2.2.1 VANTAGENS TÉCNICAS DOS VANTs MULTIROTORES
Os VANTs multirotores é uma plataforma que possui alta estabilidade, livres de regiões para decolagem e pouso, precisando apenas de 1m² da área disponível para aterrisagem e decolagem, simplicidade na operação possibilitando manobras, adesão para áreas de difícil acesso e o baixo peso da classe (JORGE e NAMASU, 2014).
A estabilidade na aquisição das imagens promovida por meio do movimento rotacional das hélices acopladas nos motores que ao efetuar seu movimento, gera uma força de empuxo que será empregada para realizar a sustentação (LEME, 2017). Na atualidade vem sendo utilizadas numerosas aplicações de VANTs, pelo mundo devido ao tempo ganho, a redução dos custos na aquisição de imagens de qualidade elevada, sendo controlado durante a pesquisa por meio de controle remoto ou autonomicamente por meio de um planejamento de voo (BARCELOS, 2017).
Rodrigues (2020), destaca o aumento no uso de VANTs, devido ao detalhamento das imagens obtidas, agilidade no levantamento de dados, consistência no trajeto de voo e os custos envolvidos.
Conforme Franco (2019), os benefícios de aplicar o VANT, no levantamento topográfico na qual a ferramenta se aplica em diversas situações e sua elevada resolução das imagens, proporciona a geração de ortomosaicos e demais modelos como MDT e MDS, delineamento da área, tomada de decisões e o tempo envolvido nos processos em relação aos métodos convencionais (imagens de satélites).
De acordo com Barcelos (2017), as vantagens associadas a essa plataforma, está ligada ao retorno autônomo para a base operacional, sensores atribuídos, gastos envolvidos no mapeamento e o monitoramento das áreas.
2.3 REGULAMENTAÇÃO DE VOO DA ANAC
De acordo com a Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC, 2017), as regras para o uso das Aeronaves Remotamente Pilotadas (RPA), são determinadas em
respectivamente: Classe 1- RPA com PMD maior que 150 kg, classe 2- RPA com PMD maior que 25 kg e até 150 kg e classe 3- RPA com PMD de até 25 kg (Quadro 1).
Quadro 1: Regulamentação de voo da ANAC
Resumo da Regulamentação da ANAC
RPA Classe 1 RPA Classe 2 RPA Classe 3 Aeromodelos
Registro da Aeronave?
Sim Sim BVLOS: Sim
VLOS: Sim¹
Sim¹
Aprovação ou autorização do projeto?
Sim Sim² Apenas BVLOS ou
acima de 400 pés²
Não
Limite de idade para a operação?
Sim Sim Sim Não
Certificado médico? Sim Sim Não Não
Licença e
Habilitação?
Sim Sim Apenas para operações
acima de 400 pés
Apenas para operações acima de 400 pés
Local de Operação
A distância do veículo aéreo não tripulado não poderá ser inferior a 30 metros horizontais de pessoas não envolvidas e não anuentes com a operação. O limite de 30 metros não precisa ser observado caso haja uma barreira mecânica suficientemente forte para isolar e proteger as pessoas não envolvidas e não anuentes. Esse limite não é aplicado para operações por órgãos de segurança pública, de polícia, de fiscalização tributária e aduaneira, de combate a vetores de transmissão de doença, de defesa civil e/ou do corpo de bombeiros, ou operador a serviço destes.
Fonte: ANAC, 2017.
Ainda conforme as exigências da regulamentação da ANAC, estabelecem que todas as plataformas, os usuários devem possuir o registro e idade acima de 18 anos, para operar as aeronaves. No local da operação deve-se observar a distância horizontal a qual não poderá ser inferior a 30 metros de terceiros alheios envolvidos com a operação, apenas para classe 1 e 2, em regra é obrigatório licença, habilitação, autorização do projeto e certificado médico, a exceção das aeronaves da classe 3 de peso inferior a 250g é exigido o registro da aeronave somente para voo acima de 400 pés equivalente a 120 metros acima da superfície do solo, torna-se obrigatório a observação dos requisitos das outras classe.
2.4 MAPEAMENTO DO USO E COBERTURA DO SOLO
As imagens aéreas contribuem na elaboração de projetos nas demais áreas das engenharias, um exemplo disso é o caso das ciências agrárias, em que esse mapeamento auxilia para uma agricultura mais precisa, gerando um melhor detalhamento das imagens, obtidas por meio de sensores embarcados em VANT’s, essas imagens tiradas em um certo ponto acima da superfície terrestre, garantem elevada resolução espacial, auxiliando no mapeamento do uso do solo (BARCELOS, 2017).
Conforme Otake (2017), o projeto realizado em uma área de interesse, o mapeamento destacou o uso do solo na propriedade, sendo possível apontar as falhas no plantio, visando a causa das mesmas e posteriormente a projeção das curvas de nível, por meio de um planejamento na área com as informações adquiridas com o uso do VANT.
Teixeira (2020), observou as alterações na área onde foi realizado seu estudo e por meio de imagens obtidas por meio das plataformas orbitais, o que possibilitou a demonstração das modificações do uso do solo, entre um período de tempo de 1994 a 2015 na região de Formosa-GO, sendo possível determinar um considerável aumento na agropecuária, fontes de água e áreas urbanas.
Souza (2020), por meio de imagens de satélite, fez o mapeamento do uso do solo na ilha de Santa Catarina e pode verificar as áreas urbanas, solos expostos, massas d’água, regiões de praias e as vegetações densa, rasteira e arbustiva.
3 MATERIAL E MÉTODOS 3.1 ÁREA DE ESTUDO
Este estudo foi realizado na Fazenda Amizade, situada entre as coordenadas geográficas 25º 33’ 13’ ’S e 54º 27’ 46’ ’W, localizada na cidade de Foz do Iguaçu (Figura 1), região centro-oeste do estado do Paraná. Apresenta clima subtropical, sua temperatura média e índice pluviométrico anual, é de 21,6ºC e 1728 mm respectivamente.
Figura 1: Área de estudo localizada na Fazenda Amizade.
Fonte: Autor (2020).
3.2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Foi utilizado o VANT Phantom 4 Avanced (Figura 2), desenvolvido pela empresa DJI, modelo do tipo quadricóptero (quatro hélices). A plataforma possui autonomia de 30 minutos de voo, equipado com sensor de 1 polegada de 20 megapixels, o que permite a obtenção de imagens com elevada resolução espacial. O equipamento realiza voos autônomos (com rota de voo programada anteriormente) para geração de produtos cartográficos confiáveis.
Figura 2: Phantom 4 Advanced.
Fonte: Autor (2020).
O sensor acoplado no VANT, para aquisição das imagens, possui 1'' CMOS, lente FOV 84° e comprimento focal de 8,8 mm / 24 mm (equivalente no formato de 35 mm) f / 2.8 - f / 11foco automático a 1 m, velocidade de obturador mecânico 8 a 1/2000 s e de obturador eletrônico 8 a 1/8000 s, com resolução de 5472 × 3648, proporção de 4: 3: 4864 × 3648, com 20 Megapixels, com comprimento focal de 4.73 mm, capaz de gerar imagens com GSD de até 1,15 cm/pix.
Os comandos de voos podem ser realizados nos três eixos: a) para frente e para trás (Pitch); b) direita e esquerda (Roll); c) para cima e para baixo (Elevator), além da rotação no próprio eixo para direita e esquerda (Yaw). A plataforma possui um sistema embutido denominado Inertial Measurement Unit (IMU), que possibilita o controle da altitude por meio de um sensor de inércia e um altímetro barométrico. O sistema Compass realiza a leitura da informação geomagnética com o auxílio do GPS aumentando a acurácia do cálculo da posição e altura da plataforma. O VANT, também possui um sistema de estabilização da câmera, um gimbal de três eixos, que auxilia na qualidade das imagens obtidas da plataforma durante o voo, possibilitando uma boa coleta de imagens.
3.2.1 AQUISIÇÃO DAS IMAGENS
Foi realizado um plano de voo por meio do software de missões autônomas Drone Deploy® na área de interesse do projeto. A velocidade para captura das imagens foi estipulada em 8 m/s (aproximadamente 28,8 km/h), podendo haver variação dependendo da velocidade e direção do vento. O levantamento foi configurado para recobrimento/sobreposição frontal (Overlap) de 80% e lateral (Sidelap) de 70%, bem como altitude de voo na ordem de 100 metros, observando também as condições do levantamento e o regulamento especial da agência reguladora (ANAC, 2017), que define as regras gerais para o uso civil de aeronaves não tripuladas no Brasil.
O teto de voo de 120 metros definido pela ANAC, não foi alcançado pois a área de interesse do projeto é relativamente pequena e o sensor usado apresenta pequena distância focal. Podemos observar na Figura 3 as faixas de voo realizadas pelo VANT.
Figura 3: Plano de voo no Drone Deploy
Fonte: Autor (2020).
3.2.2 SEGURANÇA
A utilização e operação desta tecnologia exige um elevado grau de segurança, desde a decolagem, a programação do voo, até a sua aterrissagem. Desta maneira,
o VANT, deve oferecer segurança em sua operação para não proporcionar riscos à situação de desastres, devendo o operador (piloto remoto) estar capacitado em missões de Operação VLOS – Operação na qual o piloto mantém o contato visual direto com o VANT (sem auxílio de lentes ou outros equipamentos).
3.2.3 MOSAICO E ORTOFOTO
A missão gerou 61 imagens no formato JPEG para uma área de 5 hectares. No caso da plataforma Phantom 4 Advanced, os logs de voo são carregados automaticamente quando as imagens são importadas, já que todas essas informações de atributos da imagem estão no EXIF de cada imagem (JPEG) importada.
Desta forma, as imagens possuem pontos de amarração, no sistema de coordenadas geográficas (latitude/ longitude), sendo adotado o WGS84 (UTM 21 Sul) como datum horizontal. Durante as incursões em campo, serão coletados pontos de controle por meio de GPS geodésico objetivando garantir a calibração e o georreferenciamento das imagens, bem como melhoria da acurácia do posicionamento e resultado final (Ortomosaico).
Para processamento dos produtos cartográficos foi utilizado o software Agisoft Metashape de fotogrametria (licença temporária gratuita – 30 dias), onde foi possível gerar as nuvens de pontos densa para geração dos modelos de MDS e MDT, Curvas de nível, Modelo Texturizado, bem como o ortomosaico com GSD de ordem centimétrica, desta forma, empregando uma resolução espacial elevada para os produtos cartográficos gerados no presente projeto.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Quanto ao Georreferenciamento e processamento das imagens, podemos observar na Tabela 1 os erros médios totais de posição das imagens, fundamentados por meio do GPS interno do VANT, apresentados no relatório de dados gerado pelo software de Metashape após o processamento fotogramétrico. Observa-se que os erros dos eixos X (Longitude), Y (Latitude) e Z (Altitude) obtidos no levantamento, podem estar relacionados com acentuada flutuação topográfica em um curto espaço, atendendo a ordem de 22 metros entre a cota mais elevada e a mais baixa. Normalmente essa diferença topográfica abrupta em áreas de pequenas e médias extensões afetam mais a variável de altitude. No entanto, o eixo Z apresentou erro aceitável, mesmo que relacionados à menor precisão desse eixo de altitude nos GPS de navegação em comparação aos eixos x e y. Segundo Ferreira (2014) e Rodrigues (2020) os seguintes fatores podem afetar a precisão da posição (X, Y e Z) dos GPS: disposição geométrica da constelação de satélites, bem como efeitos atmosféricos no momento do levantamento podem causar distúrbios de sinal e erros nos respectivos eixos X, Y e Z.
Tabela 1: Erro médio de posição das imagens total e parcial dos eixos x, y e z. X error (m) Y error (m) Z error (m) Total error (m)
0.6876 2.0455 1.006 3.7295
Na figura 4 podemos observar a espacialização do erro Z, representado pelas cores da elipse, concomitante, os erros X, Y são representados pela forma de elipse, assim, as localizações estimadas das câmeras são marcadas com um ponto preto. A representação as elipses X e Y podem apresentar a discrepância do valor do erro médio de Y apresentado na tabela 1.
Figura 4: Localizações de câmeras e estimativas de erros
Fonte: Autor (2020).
Todas os parâmetros confrontados, como distâncias e declividade, apresentaram desvios abaixo do erro total de <3,72m, apontado na Tabela 1, corroborando elevado nível de equivalência entre as distâncias medidas com a fita métrica medida em campo e a precisão das coordenadas passadas por meio do Log de voo do Phantom 4 Advanced, contendo à posição do próprio VANT, no momento que cada imagem foi registrada pela câmera embarcada.
Essas informações do Log de voo são utilizadas pelo software fotogramétrico no momento da geração dos produtos cartográficos, utilizando tais informações para georreferenciar as bases. Nessa etapa, o Google Earth também foi utilizado a título de comparação por ser uma plataforma bastante utilizada no mercado para tais fins. Nos Rótulos de distâncias definidos (Tabela 2), o levantamento com VANT obteve
ao ponto que a medição do Solo Preparado (Rótulo 1), a diferença foi submétrica, na ordem de 0,75m, assim como os resultados encontrados por Cassemiro e Pinto (2014) e Ataíde (2016), em estudos de distâncias obtidos por meio de ortomosaicos gerados por VANT e confrontados por aferição local pelo Google Earth e fita métrica respectivamente. Com relação ao Rótulo 3 (Declividade do perfil) a diferença entre as duas plataformas foi de 40cm.
Tabela 2: Correlações entre distâncias e declividade aleatórias do ortomosaico em relação
às obtidas por Google Earth.
Rótulo Medidas Google Earth (m) Levantamento com VANT (m) Fita métrica medida em campo Diferença (m) do Google Earth Diferença (m) do Levantamento do VANT 1 Solo Preparado (Entre Área Construída e Via de acesso) 172,28 170,17 169,42 2,86 0,75 2 Solo Preparado (Via de acesso a oeste e a Vegetação baixa a leste) 187,51 185,12 184,05 3,46 1,07 3 Declividade do perfil 3,0 3.4 x x X
A Tabela 2 aponta medições realizadas na Fazenda Amizade por meio de mapeamento aéreo com VANT e confrontados com aferições das distâncias obtidas em softwares Google Earth, a fim de verificar a correspondência entre distâncias e declividade entre as três fontes de dados na área de interesse.
No Rótulo 2 apresentou maior discrepância do levantamento com VANT, em relação a fita métrica medida em campo, o que pode haver relação com o valor do Erro médio de posição das imagens total e parcial dos eixos Y, onde o mesmo apresentou mais contraposição de valores tendenciosos ao erro.
A Figura 5, aponta para um melhor entendimento, aponta a área dos rótulos na qual é possível observar as linhas de aferição de distâncias em que foi realizado as medições.
Figura 5: Linhas de aferição de distâncias na Fazenda Amizade.
Fonte: Autor (2020).
4.1 ORTOMOSAICO
A resolução espacial obtida para o mosaico ortorretificado, apresentado na Figura 6 corresponde ao GSD na ordem de 2,7cm, o que apresenta o levantamento da área com uma boa acurácia em relação a distância da amostra do solo. Diferentes VANTs, utilizados para levantamento aéreo irão oferecer resoluções espaciais distintas, dependendo principalmente da altitude de voo, bem como da flutuação topografia do terreno, bem como a configuração dos sensores utilizados. Em levantamento aéreo topográfico em uma área agrícola, fazendo-se uso do VANT Mavic Pro, Rodrigues et al., (2018), encontraram GSD na ordem de 1,37cm, porém, realizando o teto de voo em cotas mais baixas.
Figura 6: Ortomosaico.
Desta forma, as imagens obtidas pelo VANT e sobrepostas, resultando nos ortomosaicos gerados no estudo, apresentaram resolução espacial superior a esses sistemas orbitais com obtenção de imagem de alta resolução. Rodrigues et al. (2017) e Jorge e Inamasu (2014), destacam essa vantagem técnica, torna as plataformas de VANTs e seus respectivos produtos cartográficos gerados versáteis para pesquisas, necessitam de uma flexibilidade diária de dados, como em muitas atividades no campo das ciências agrárias e que não seja necessário um recobrimento na casa de milhares de hectares/dia.
Também vale ressaltar as técnicas de fotogrametria empregados em levantamentos por meio de plataformas de VANTs, favorecem a geração de modelagem da paisagem, onde a estereoscopia vai permitir registro de duas vistas, de uma cena e de objetos imageados, assim, gerando além de um cenário 2D, um cenário tridimensional, por meio da sobreposição de imagens.
Dentre diversos parâmetros a se configurar em um levantamento aéreo, sendo que a sobreposição de imagens é essencial na qualidade do mapeamento, impactando de forma direta nos resultados. Desta forma, a sobreposição mínima que deve ser empregada para levantamentos com VANTs, deve ser na ordem de 70%
lateral e frontal. Segundo Casemiro e Pinto (2014), quanto mais elevado o nível de sobreposição das imagens em Overlap e Sidelap, mais informações será composta na nuvem de pontos, o que irá refletir na construção do ortomosaico, assim, minimizando problemas de imperfeições encontradas nas extremidades e buracos em regiões de interesse, que estão frequentemente associados a regiões com baixa sobreposição. De tal modo, pode ser notado falhas (buracos) na periferia do ortomosaico (Figura 6), corroborando tal afirmação. Na área central do levantamento, onde foram realizadas as medidas de distâncias e declividade, houve uma sobreposição elevada, apresentado na Figura 7 com nove (9) ou mais de 9 imagens sobrepostas, denominando uma área mais extensa na redundância de “pontos homólogos”, ou seja, pontos que aparecem em mais de uma fotografia, capturados de diferentes perspectivas, o que aponta ser a região de maior confiabilidade quanto a sua acurácia.
Figura 7: Densidade de fotos e nível de sobreposição para geração do ortomosaico.
4.2 USO E COBERTURA DO SOLO
Contudo, abaixo na Tabela 3 são apresentados sete (7) classes de uso e cobertura do solo, onde pode ser destacado a classe ‘Solo Preparado’, na ordem de 6,6 hectares.
Tabela 3: Classes de uso e cobertura do solo na Fazenda Amizade
Uso e cobertura Área (m2)
Área Verde 21623,02 Construção 6331,08 Lagos Piscicultura 2474,10 Solo Exposto 2893,87 Solo Preparado 66550,27 Vegetação Baixa 6692,42 Vias de Acesso 4836,49 Total 105,378.25
A Figura 8 apresenta a distribuição espacial das tipologias localizadas na área de interesse da Fazenda Amizade, apresentando um nível de detalhamento elevado desse mapa, permitindo a composição da classe ‘Curvas de nível’, apresentando um valor acurado referente a flutuação topográfica da área levantada com o VANT.
Figura 8: Uso e cobertura do solo
Fonte: Autor (2020).
Dessa forma, um mapa temático de uso e cobertura do solo pode ser elevado ao status de planta topográfica, uma vez que apresenta, além das classes de uso, valores relativos à declividade do terreno em escalas cartográficas muito grandes, inferiores a 1/1000. Ataíde (2016) e Rodrigues et al. (2018) apontam que além do mais alto nível de detalhamento (resolução espacial muito alta), o uso de VANTs, possibilita uma resolução temporal muito flexível, senso adequada de acordo com a necessidade do comportamento das paisagens em menores intervalos de tempo, com maior vigor do que sistemas convencionais de média resolução temporal e espacial, refletindo em mapas de uso e cobertura do solo com informações menos dinâmicas.
4.3 MODELOS 3D DA PAISAGEM
O modelo construído por meio de nuvens esparsas e posteriormente por nuvem densa apresenta problemas com sobreposição nas extremidades, em diferentes intensidades. Como pode ser observado na Figura 9, as extremidades
altitude, como é o caso da copa das árvores. Esse efeito é uma limitação da fotogrametria, onde modela alvos apenas no que é recoberto por sucessivas imagens, criando uma informação redundante, bem como um ponto de falha por “pontos homólogos”, onde o algoritmo dos softwares não consegue encontrar pontos de amarração na mosaicagem das imagens e sucessivamente na geração do modelo 3D.
Figura 9: Modelo 3D (Nuvem densa de pontos).
Fonte: Autor (2020).
Todavia, isso pode ser minimizado com a adesão de um plano de voo cruzado, também conhecido como Doble Drid, o que impactaria em um tempo de coleta de dados com o dobro do tempo no levantamento aéreo realizado. Tal varredura com uma grade de voo dupla aumentaria a densidade da nuvem de pontos nas regiões com vegetação mais densa e elevada, porém, por não se tratar da área central da fazenda, tal procedimento não foi realizado, visto que dobraria o número de imagens coletadas e elevaria significativamente o tempo de processamento do modelo.
Contudo, foi construído o modelo texturizado (Figura 10), onde o mesmo aplica interpolação de dados nas camadas abaixo da copa das árvores onde não há informação, dado a limitação da fotogrametria aérea. É gerado uma base TIN (Triangular Irregular Network) e posteriormente cruzado com os dados do ortomosaico, onde o mesmo atua com uma cobertura sob a malha TIN e construindo o Modelo texturizado em 3D (Figura 11).
Figura 10: Modelo 3D (Texturização)
Fonte: Autor (2020).
Figura 11: Modelo 3D (Triangular Irregular Network - TIN)
Fonte: Autor (2020).
A geração desses produtos fotogramétricos, concebidos por intermédio de imagens digitais permitem empregar uma série de tomadas de decisões, principalmente no âmbito das ciências agrarias, como: a medição remota de copas de árvores em grandes áreas voltadas para prática de silvicultura, bem como mensurar os diâmetros de copa e altura de indivíduos arbóreos. No projeto desenvolvido por Schuster (2018), foi estimado o volume de madeira por meio de imagem gerada por meio de VANT em um sistema silvipastoril. O mesmo concluiu que os resultados foram promissores na detecção e mensuração da altura de árvores, indicando espaçamento entre linhas e plantas a fim de reduzir a sobreposição das copas, elevando a possibilidade de se obter modelos tridimensionais da paisagem apresentando um novo nível na tomada de decisões, baseadas em mapas tridimensionais e cruzados
5 CONCLUSÃO
O uso VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado), para levantamento em área rural específica, tendo como proposta uma elevada resolução espacial, na geração de mapas do uso e cobertura do solo e modelagem da paisagem em 3D, mostrou um resultado bastante satisfatório, pois se apresenta como uma possibilidade robusta e flexível na aquisição de dados cartográficos em áreas de atividade agrícola.
A aquisição de modelos tridimensionais por meio da metodologia empregada com fotogrametria, gerando produtos como ortomosaicos georreferenciados, nuvens de pontos e modelos digitas, sinalizaram as potencialidades do uso dessa plataforma em áreas de atividade agrícola, apresentando-se como alternativa aos métodos tradicionais de análise de uso do solo e mensuração de variáveis do terreno.
A geração do mapa de uso e cobertura do solo com detalhamento elevado, viabilizou a demonstração quantitativa das classes de ocupação do solo na Fazenda Amizade, possibilitando também a composição da classe curvas de nível.
Do ponto de vista operacional, verificou-se que a plataforma utilizada no levantamento com o Phantom 4 Advanced, proporciona benefícios de cunho técnico e econômico quando considerado aos métodos tradicionais de levantamento.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALCÂNTARA, Enner. Sensoriamento Remoto I. Departamento de Cartografia, 2016.
ANAC. Informação de utilidade pública. Orientações para Usuários de Drones. 1.
ed. Brasil, maio 2017. Disponível em:
<https://www.anac.gov.br/assuntos/paginastematicas/drones/orientacoes_para_usua rios.pdf>. Acesso 29 de setembro de 2020.
ATAÍDE, D. H. S. Aplicação de vant no mapeamento do uso e cobertura do solo e na geração de modelos 3d da paisagem. 2016. 44 f. Monografia (Graduação em Engenharia Florestal) – Universidade Federal rural do Rio de Janeiro.
BALDIVIESO, THIAGO JOÃO MIRANDA. Um Estudo do Uso de VANTS para a
Reconstrução de Cenas 3D. 2020.
BARCELOS, Anna Carolina et al. O uso de veículo aéreo não tripulado (VANT) em
monitoramentos de campo: aplicabilidades e viabilidades. 2017.
CASSEMIRO, G. H. M., PINTO, H. B. Composição e processamento de imagens aéreas em alta resolução obtidas com drone. 2014. 40 f. Monografia (Graduação em Engenharia Eletrônica) – Universidade de Brasília, Brasília.
DA SILVA, Daniel Carneiro. Evolução da Fotogrametria no Brasil. Revista Brasileira
de Geomática, v. 3, n. 2, p. 16, 2015.
DE ALMEIDA TEIXEIRA, Thiara Messias et al. UNIDADES GEOAMBIENTAIS E MODIFICAÇÕES NO USO DO SOLO DO MUNICÍPIO DE FORMOSA-GO. Revista Geografica Academica, v. 13, n. 2, p. 48-66, 2020.
FERREIRA, A. M. R. Avaliação de Câmara de Pequeno Formato Transportada por Veículo Aéreo não Tripulado – VANT, para Uso em Aerolevantamentos. 2014. 93
FRANCO, Lucas dos Santos. Um método de planejamento de rotas de voo de
VANTs multirotor para cobertura de áreas utilizando a meta-heurística ACO.
(2019).
JORGE, L. A. C.; INAMASU, R. Y. Uso de veículos aéreos não tripulados (VANT) em Agricultura de Precisão. In: BERNARDI, A. C. C. et al. Agricultura de precisão: Resultados de um novo olhar. 1. ed. Brasília, DF: Embrapa, 2014. Cap 08, p. 109-134.
JORGE, LA de C.; INAMASU, Ricardo Y. Uso de veículos aéreos não tripulados (VANT) em agricultura de precisão. Embrapa Instrumentação-Capítulo em livro
científico (ALICE), 2014.
OTAKE, Vinicius Seiji. Produtos cartográficos gerados a partir de drones e
aplicações na agricultura. 2017.
RODRIGUES, B. T. Topografia na validação de modelo de terreno obtido por meio de aeronave remotamente pilotada - RPA 2020. 93 f. Tese (Doutorado em Energia na Agricultura) – Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – SP.
RODRIGUES, B. T.; RODRIGUES, M. T.; CAMPOS, S.; CAMPOS, M.; TARUMOTO, M. B. Possibilidades e métodos de utilização no uso de DRONES/VANTS na agricultura. In: PUTTI, F. F.; SILVA, A. L. C.; GABRIEL FILHO, L. R. A. (Org.). Tecnologias em agricultura sustentável. Tupã: Associação Amigos da Natureza da Alta Paulista, 2017. p. 249-269.
RODRIGUES, Lucas Soares et al. Plano de voo autônomo e arquitetura
Drone-as-a-Service para cobertura de redes IoT. 2020.
RODRIGUES, M. T.; RODRIGUES, B. T.; OTANI, T. M.; TAGLIARINI, F. S. N.; CAMPOS, S. Levantamento topográfico por meio de veículo aéreo não tripulado (VANT). Energia na Agricultura, V. 33, n.4, p. 367-372, 2018.
ROSA, Ricardo da et al. Método bioinspirado para exploração e mapeamento de
ambientes internos com múltiplos VANT. 2020.
SCHUSTER, R. F. Utilização de imagem aérea no inventário florestal em sistema
silvipastoril 2018. 46 f. Monografia (Graduação em Engenharia Florestal ) –
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – PR.
Soares, L., Paixão, M. A., & Kobiyama, M. Bibliografia de trabalhos que utilizam
VANT no Brasil no período de 2007-2018.
SOUZA, João Pedro Guerreiro. Mapeamento do uso e cobertura do solo da ilha de
Florianópolis Santa Catarina, gerado a partir da fusão de índices normalizados. Engenharia Ambiental e Sanitária-Pedra Branca, 2020.
