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– Aquisição de Dados, Cartografia, Perfilador Laser, Sistemas de Informações Geográficas, Mapeamento, Mapeamento a Laser.
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– Este trabalho apresenta o Perfilador Laser ou mapeamento a laser, sistema baseado em tecnologia laser, aerotransportado, e com características que permitem a aquisição de milhares de pontos por segundo. Todos esses pontos são georrefenciados e possuem erros na ordem dos decímetros. O Perfilador Laser vem sendo utilizado em todo o mundo, porém destacam-se as aplicações no setor elétrico. O funcionamento desse sistema e as principais aplicações da área de distribuição de energia elétrica são apresentados e discutidos. Em breve o Brasil terá essa tecnologia à disposição através da entrada em operação de um equipamento extremamente preciso e do desenvolvimento de soluções particulares ao setor elétrico brasileiro.
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Com a popularização dos Sistemas de Informações Geográficas – SIG aplicados ao gerenciamento de redes de distribuição de energia elétrica, as atenções se voltaram aos processos de aquisição de dados, digitalização, e a importante tarefa de atualização de informações.
Mundialmente, o setor de geoprocessamento trabalha com números que relacionam o desenvolvimento de sistemas com a aquisição de dados na ordem de 1:3, ou seja, gasta-se três vezes mais com a formação da base de dados de que com o sistema computacional propriamente dito.
Entende-se por aquisição de dados todas as tarefas referentes ao levantamento de dados, transformações necessárias, digitalização e inclusão no banco de dados geográfico. Dados referentes às estruturas e equipamentos da rede elétrica, como transformadores e postes, são mais fáceis e quase que imediatamente adquiridos. A atualização desses dados também é executada de maneira rápida já que todas as atualizações da rede são
documentadas computacionalmente, permitindo a
integração de sistemas.
No entanto, informações sempre atualizadas referentes a novos clientes, loteamentos, construções, vegetação e obstáculos nas faixas de linha de transmissão de energia são difíceis de se obter. Muitas empresas fizeram altos
investimentos na aquisição de base de dados
cartográficos, mas esqueceram-se que essas bases ficariam desatualizadas em curto espaço de tempo.
Outro aspecto importante, que muitas vezes por dificuldades técnicas ou financeiras é suprimido, é o levantamento da terceira coordenada (cota) do terreno. Um modelo digital de terreno – MDT pode ser bastante útil em projetos de ampliação de redes ou no traçado de novas redes.
Procurando preencher essas deficiências de informações, tanto de atualizações como de cotas, o Perfilador Laser aerotransportado tem sido utilizado com sucesso em todo o mundo. Essa tecnologia também é conhecida como mapeamento a laser.
A técnica mais antiga de obtenção de dados topográficos, o levantamento de dados em campo, é um processo lento, caro e trabalhoso. O perfilamento a Laser veio trazer rapidez não só na obtenção, como também no processamento dos dados digitais, permitindo coletar a elevação do terreno de várias dezenas de quilômetros
quadrados em um único dia, e levando-se
aproximadamente cinco vezes esse tempo, ou seja, cinco dias para processar esses dados e gerar o modelo digital de superfície. Comparativamente, o levantamento em campo levaria meses para coletar e processar os dados da mesma área.
Essa tecnologia de última geração permite que a partir de um vôo sobre uma determinada região possam ser determinados milhares de coordenadas (X, Y, Z). Esses pontos se distribuem sobre o solo e sobre estruturas verticais como prédios e pontes. Todo o processo é digital e automático, o que proporciona maior precisão, confiabilidade e redução de prazo e preço da execução de projetos[1].
Outra característica ímpar do Perfilador Laser é a
capacidade de detectar a geometria de cabos
transmissores de energia elétrica e de suas estruturas associadas. Essas informações possibilitam a modelagem da catenária e do solo, permitindo calcular flechas, distâncias mínimas ao solo, e a interferência da vegetação[2].
Pretende-se neste trabalho descrever o funcionamento do Perfilador Laser, a tecnologia intrínseca, as principais aplicações no setor elétrico mundial e as soluções que estão sendo propostas em termos do setor elétrico brasileiro.
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Mapas topográficos de elevação da superfície da Terra promovem informações cruciais para uma série de aplicações científicas, militares e para os setores públicos
e comerciais. Apesar de informações de topografia serem obtidas, armazenadas e analisadas por vários séculos, novas tecnologias para melhorar os mapas topográficos continuam a ser desenvolvidas. Inicialmente os mapas de curva de nível eram criados a partir de dados obtidos através de métodos de levantamentos em campo. Nos últimos cinqüenta anos, a fotografia aérea e mais recentemente os sistemas óticos digitais também passaram a ser usados. Nos últimos cinco anos, o Perfilador Laser, também conhecido como altímetro laser
ou ainda LiDAR (` ] X ]X \ ]_ [ '[ ` ` ), sistema
que faz uma varredura do terreno a partir de tecnologia laser, está se tornando a ferramenta operacional preferida em empresas de mapeamento, aerolevantamento e fotogrametria.
A utilização do laser como instrumento de sensoriamento remoto vem, na verdade, acontecendo há mais de 30 anos. Nas décadas de 60 e 70, vários experimentos demonstraram o poder do uso do laser em satélites, na percepção lunar, em monitoramentos atmosféricos e estudos oceanográficos. Na década de 80, a altimetria a laser passou a ser essencialmente feita através de instrumentos transportados por aeronaves, como por exemplo, os equipamentos desenvolvidos pela NASA: o
AOL ( ]U _ X Y \ \ X [ _ ` Y [ \ ) e o ATM
( Y a _ Y X _ *_ ` Y [ \ [ *X Y). Perfiladores Laser
também tem sido utilizados com sucesso em missões espaciais. A NASA tem duas missões planejadas: a VCL, envolvendo cobertura de vegetação e a GLAS, envolvendo aplicações de geociências. O Perfilador Laser também tem sido usado para gerar mapas
detalhados de Marte, através do MOLA ( [ Y 'a X Y X Y
*[ X Y W]UX ]X Y), atualmente em órbita ao redor do
planeta. Todavia, apenas nos últimos cinco anos foi que o Perfilador Laser passou a ser usado comercialmente. O Perfilador Laser é capaz de gerar modelos digitais densos e precisos de topografia e da estrutura vertical da superfície alvo, tornando-se uma ferramenta atraente para usuários finais de dados topográficos em várias áreas de aplicação. Para qualquer aplicação que exija modelos digitais de elevação com alta densidade, alta resolução e precisão da ordem de decímetro, o Perfilador Laser
oferece capacidade técnica ímpar, baixo custo
operacional e tempo de pós-processamento reduzido,
quando comparado às formas tradicionais de
levantamentos de dados.
Os componentes básicos do sistema do Perfilador Laser são: um laser \ [ X Y, um GPS ('W_ a [ W_ ]_ `
]X U ), o INS (Sistema Inercial de Navegação), e um
rack de controle, onde se encontra o computador que gerencia o sistema, conforme ilustrado na figura 1. O sistema pode ser instalado tanto em aviões como em helicópteros. Uma característica que torna o Perfilador Laser único é o fato dele poder ser utilizado dia e noite, já que não é necessário luz solar para se obter as informações. Seu princípio de funcionamento está baseado na emissão de feixes laser em direção à superfície terrestre (figura 2). Na superfície terrestre estes feixes são refletidos por obstáculos, que podem ser
construções ou o próprio terreno, e são captados pelo sensor (figura 3). Para cada feixe emitido é registrado o tempo de percurso aeronave – terreno/obstáculo – aeronave. A partir do tempo de percurso do laser é possível determinar distância percorrida utilizando para tal a velocidade da luz.
Figura 1 – Componentes do Perfilador Laser.
A posição, orientação e variação de altitude da aeronave
são combinadas através de metodologias de
processamento para produzir uma posição tridimensional do ponto da superfície da Terra que foi iluminado por cada pulso laser. Para grandes áreas, são necessárias várias linhas de vôo com uma sobreposição planejada para permitir uma cobertura contínua. Uma vez processados os dados obtidos a partir do Perfilador Laser, do GPS e do INS, é possível gerar um modelo digital de terreno (DTM) e modelo digital de elevação (DEM) da área levantada.
Figura 2 – Funcionamento do Perfilador Laser.
O Perfilador Laser só consegue fazer uma medição de tempo por vez. Essa restrição é compensada através da emissão de milhares de feixes por segundo. Para se criar um mapa tridimensional (figura 4), são efetuadas entre 2.000 e 80.000 medições por segundo, cada uma delas emitidas para pontos diferentes da superfície. Para tanto são utilizados espelhos móveis que funcionam como
defletores do laser. O espelho direciona o laser para o solo, mudando essa direção a cada segundo. O feixe laser é escaneado em linhas quase perpendiculares à direção em que a aeronave está voando. Como a aeronave está em movimento, ela mede pontos em linhas diferentes a cada vez, produzindo faixas com valores da elevação da superfície que a depender do tipo de Perfilador Laser, podem variar de 50 m a 9 km de largura. O diâmetro da área de cobertura de cada feixe laser no solo também pode variar de 20 cm a 25 m.
Figura 3 – Emissão de feixes laser.
O Perfilador Laser, operando na posição infravermelha do espectro, gera dados com medidas precisas das estruturas construídas pelo homem ou das superfícies naturais que podem ser usados para construir modelo tridimensional de edificações e modelo tridimensional de vegetação. Em aéreas urbanas, edificações podem ser extraídas do contexto e telhados e muros podem ser modelados a partir dos dados de elevação. Além de edificações, outras estruturas construídas pelo homem, como linhas de transmissão, torres e pontes podem também ser observadas nos dados do Perfilador Laser. Quanto à vegetação, pesquisadores têm conseguido separar árvores individuais de florestas, extraindo alguns atributos diretamente dos dados de elevação, como área e altura da copa. Como o laser tem um feixe estreito, o pulso muitas vezes penetra através de pequenas aberturas nos extratos da vegetação, refletindo a partir de superfícies mais baixas permitindo assim o mapeamento da superfície abaixo da vegetação. O mapa resultante dessa nova superfície pode ser usado em análises hidrológicas e geomorfológicas, em que informações sobre a elevação do terreno são necessárias para o estudo da direção do fluxo da água, erosão e controle de inundações.
Como a área de cobertura de cada feixe pode variar de 20 cm a 25 m, é possível que uma porção do laser encontre um ou mais objetos antes de atingir o solo. Esses
encontros geram retornos parciais do feixe de laser, caracterizando o caminho percorrido pelo feixe. O Perfilador Laser armazena dados do primeiro pulso retornado do feixe e também do último pulso retornado pelo mesmo feixe. De posse desses dois tipos de informações, é possível gerar modelos digitais a partir do primeiro pulso, do último e de ambos. Essa característica tem sua importância reforçada pela facilidade em se extrair estruturas verticais.
Cada pulso laser que retorna ao equipamento traz informações não só da estrutura vertical da superfície, como textura, altura e formato de objetos, mas também da reflectividade desses estruturas, detectadas através de técnicas avançadas de processamento e classificação. Modelos temáticos podem ser gerados a partir da análise dessas informações, representando a densidade ou altura de uma floresta, mostrando o percentual de superfícies porosas (vegetação, areia, terra) contra não porosas (asfalto, concreto).
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Figura 4 – Modelo digital de elevação.
Em conjunto com o Perfilador Laser, é acoplada uma câmera de vídeo que documenta todo o vôo, registrando
em cada Y [ UX dados da coordenada (X,Y) da cena. De
posse dessas imagens, é possível realizar pesquisas de feições conhecidas e referenciá-las aos pontos coletados pelo Perfilador Laser.
Também é comum utilizar uma câmera digital associada ao equipamento laser para auxiliar na visualização da geometria e brilho da superfície, levando-se em conta a alta resolução de suas imagens. Além disso, a câmera digital pode operar com várias bandas espectrais. Portanto, a combinação das técnicas de perfilamento a laser e de fotografia digital multi-espectral ou termal otimiza uma série de tarefas de sensoriamento remoto que até pouco tempo requeria muita análise e interação manual. Uma desvantagem em relação à combinação da câmera digital ou da câmera de vídeo ao Perfilador Laser é que as primeiras necessitam ser operadas à luz do dia. A imagem digital é uma matriz de células onde cada célula contém um valor. No caso de imagens tradicionais, as células contêm valores de brilho; no caso de imagens de elevação, elas contêm valores de elevação.
O Modelo Digital de Elevação é uma representação matemática contínua que descreve o formato da superfície onde a elevação é função da longitude e latitude. Dois tipos de MDE são úteis: o modelo digital de superfície (MDS), que contém os valores da elevação da Terra como ela se encontra, incluindo árvores e edificações; e o Modelo Digital de Terreno (MDT), que deriva do MDS, após a aplicação de funções que filtram a vegetação e as estruturas construídas pelo homem. Ele contém a elevação pura do terreno semelhante aos mapas topográficos.
Tanto os modelos digitais de elevação, quanto as imagens digitais de elevação podem ser utilizados para se obter visão ortogonal e visão oblíqua da superfície. Ambos também são considerados representações de dimensão 2.5 ao invés de tridimensional. Isto ocorre porque, para cada localização da superfície, somente uma elevação é obtida, quando na verdade pode haver várias superfícies com diferentes valores de elevação no mesmo local: uma ponte tem a superfície de cima e outra em baixo, mas só a de cima é detectada pelo laser e mostrada nos modelos.
Portanto uma representação verdadeiramente
tridimensional, imagem ou modelo, deve suportar vários níveis verticais de qualquer estrutura, ou seja, para se ter uma visão oblíqua real, de qualquer perspectiva, são requeridos dados verdadeiramente 3D para que se possa obter dados da parte inferior da ponte.
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De acordo com suas características funcionais, as principais aplicações em que o Perfilador Laser tem sido utilizado são: criação de MDT (Modelo Digital de
Terreno); monitoramento de linhas de
transmissão/distribuição e da vegetação próxima, com modelagem de catenária e localização de torres;
monitoramento e propagação de inundações;
monitoramento de erosão; modelagem hidrológica; na área florestal na determinação de altura de vegetação e remoção virtual de cobertura vegetal; modelagem tridimensional de cidades; cálculos de volumes extraídos de jazidas; na área de telecomunicações especialmente no estudo de propagação de sinais.
Especificamente na área de distribuição de energia elétrica destacam-se as seguintes aplicações: de linhas de
transmissão/distribuição, mapeamento urbanos e,
enchentes urbanas.
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Uma das aplicações mais significativas da altimetria a laser vem beneficiar o setor elétrico. O Perfilador Laser, tem capacidade de mapear torres, linhas de transmissão de energia de alta e baixa tensão, e instalações elétricas, como subestações (figuras 5 e 6)[3]. Essas aplicações vem sendo utilizadas, há alguns anos, com sucesso em todo o mundo, fundamentalmente na obtenção de dados espaciais e tridimensionais dessas estruturas.
Esse mapeamento é feito geralmente a partir de pequena aeronave ou helicóptero, voando a altitudes de 300 a 400m, com velocidade de 100 a 180 km/h, cobrindo uma área tipo “corredor” com largura de 50 a 200 m. Podem ser mapeados centenas de quilômetros por dia, sem a necessidade de ocupar fisicamente a área, representando uma grande diferença nesta técnica quando comparada a técnicas concorrentes, como o levantamento em campo, que depende da altura da vegetação, densidade de florestas além de requisitos de infra-estrutura, levando semanas ou meses para cobrir a mesma área.
As exigências operacionais e de manutenção do setor elétrico requerem uma elevada quantidade de dados, principalmente com relação a características físicas das estruturas de transmissão (dados espaciais de cabos, transformadores e torres), além das características do terreno onde estão inseridas
Observa-se que tanto para projetistas como para empresas prestadoras de serviço, existem algumas funções básicas que podem ser estudadas a partir dos dados adquiridos pelo Perfilador Laser, e são descritas a seguir:
• Monitoramento de linhas de transmissão com o
objetivo de manutenção e atualização de dados;
• Identificação de locais com risco de interferência de
vegetação ou do terreno com os cabos energizados;
• Localização de trechos onde os níveis mínimos de
segurança relativos a distâncias mínimas (cabo/solo e cabo/vegetação) não são aceitáveis.
Através de um levantamento com o Perfilador Laser é possível coletar uma nuvem muito densa de pontos ao longo de uma linha ou corredor e quase sempre com múltiplos retornos do pulso laser: o primeiro proveniente da própria estrutura da linha (cabos e torres) e o último pulso com informações da superfície do terreno. Através de algoritmos de pós-processamento combinados com os valores de intensidade de reflectância, é possível separar e classificar esses diferentes pulsos, proporcionando a geração de novas informações.
Após o processamento e classificação dos dados torna-se possível a modelagem geométrica tridimensional dos objetos (figuras 7 e 8)[4], possibilitando uma série de análises como a localização de interferência de árvores e outras estruturas na faixa de domínio, localização de torres e modelagem da catenária dos cabos. A determinação e vetorização da catenária é de extrema importância pois permite que sejam calculadas as distâncias em relação à vegetação e a altura mínima em relação ao solo em condições extremas de temperatura (figura 9).
Figura 5 – Linha de transmissão de energia elétrica
Figura 7 – Modelo 3D de linha de transmissão
Figura 8 – Modelo 3D de linha de transmissão
Um dos graves problemas que atingem os centros urbanos, com relativa freqüência, são as enchentes. As conseqüências desses eventos são prejuízos sociais e econômicos de alta magnitude mas que infelizmente não conseguem fazer com que investimentos sejam realizados em programas de planejamento urbano como o mapeamento das regiões constantemente afetadas, mediante estudos hidráulicos e estatísticos.
Estão atualmente disponíveis modelos computacionais precisos que fazem uso de equações complexas, modelando o fluxo de água em três dimensões. Recursos computacionais não são mais restrições como no passado. Profissionais capacitados e com vasta experiência em problemas de drenagem urbana estão ávidos por aplicar todos esses conhecimentos de maneira prática.
Entretanto, muitos projetos acabam não fazendo uso de toda a ciência existente pela falta de dados topográficos precisos. As cartas topográficas, quando existentes, são desatualizadas e em escalas incompatíveis com o tipo de resultado que se deseja.
Com a utilização do Perfilador Laser será possível obter, de maneira precisa, informações relativas ao relevo da região estudada e possibilitará a geração de cartas de enchentes.
A distribuição de energia elétrica poderá se beneficiar à medida que terá a informação de regiões mais sujeitas à inundações, possibilitando a implantação de programas especiais nessas regiões como mudança do gabarito de localização dos medidores de energia elétrica, relocação de transformadores, e melhor proteção de subestações. O caso da cidade de União da Vitória no estado do Paraná é um bom exemplo desse tipo de aplicação. União da Vitória está localizada às margens do rio Iguaçu e ao longo do último século vem sofrendo constantes enchentes. Fruto da preocupação das autoridades municipais, estaduais e dos próprios moradores organizados em uma associação, vários estudos foram realizados de maneira a se obter os níveis atingidos por diferentes probabilidades de enchentes. De posse desses níveis, a integração com sistemas de informações geográficas (figura 10) foi o passo definitivo que possibilitou a prefeitura gerar um novo plano de ocupação do município. A concessionária local de distribuição também se valeu dessas informações para alterar a altura dos medidores de energia de residências que constantemente eram atingidas pelas enchentes. Antes dessa providência, era constante os riscos de acidentes e custos de religamento de energia após as enchentes. A figura 11 mostra a região de União da Vitória atingida por enchentes em média a cada 5 anos.
Figura 10 – Integração sistema de informações geográficas com métodos hidrodinâmicos
Figura 11 – Mapa de enchente para 5 anos de recorrência.
Uma outra aplicação da altimetria laser que desperta grande interesse é a informação 3D de ambientes urbanos. Devido ao aumento da densidade de pontos que podem ser coletados através do sistema de levantamento aerotransportado laser, os dados de altimetria laser tem fornecido cada vez mais informações a respeito de feições urbanas, tornando-se portanto uma excelente alternativa para levantamentos fotogramétricos.
O potencial dos dados laser para geração de modelos 3D de feições urbanas tem sido investigado por muitos autores nos últimos anos. deriva parâmetros para modelos CAD 3D de primitivas básicas de edifícios através do método dos mínimos quadrados, minimizando a distância entre o modelo digital de superfície gerado pelo laser scanner e os correspondentes pontos na primitiva geométrica do edifício.
A geração de mapeamentos urbanos baseados unicamente em dados adquiridos pelo Perfilador Laser geralmente tem a forma apresentada na figuras 12 e 13[5].
A partir desse mapeamento é possível identificar novas construções e arruamentos apenas sobrepondo duas imagens tomadas em diferentes datas. Essa tecnologia tem sido muito utilizada em empresas de distribuição de energia para cadastrar novos consumidores e loteamentos. Outra facilidade do mapeamento urbano em 3D é a criação de cidades virtuais onde é possível realizar um passeio pelas ruas de uma cidade verificando fachadas e estruturas elétricas.
Figura 12 – Mapeamento urbano 3 D.
A introdução da tecnologia de Perfilamento Laser ou mapeamento a laser, possibilitará o desenvolvimento de soluções inéditas para o setor de distribuição de energia elétrica, com ganho de produtividade em atividades convencionais de aquisição e atualização de dados e com
obtenção de informações antes não disponíveis
automaticamente, como por exemplo geometria de estruturas de transmissão.
Esses dados e soluções permitirão que sistemas computacionais sejam desenvolvidos e tragam rapidez e precisão a tarefas importantes, quer seja na manutenção de redes elétricas, quer seja no planejamento de novas redes.
O nível de precisão, a velocidade e a versatilidade permitida pela tecnologia tem chamado a atenção dos conhecedores dos métodos tradicionais limitados.
As soluções que foram descritas neste trabalho são
realidade mundiais e estarão disponíveis às
concessionárias de distribuição de energia do Brasil, em breve espaço de tempo. O LACTEC – Instituto de Desenvolvimento para Tecnologia estará operando ainda este ano um equipamento com essas características, trazendo soluções adaptadas às especificidades do nosso país. q u}~*}us 'r 'r'r vu ~*r [1] Axelsson, P. ]X ` Y [ ]X X _ Y _ Y W[ ][ _ Y U Y X ][ ]_ [ _ *_ ` Y [ \ [ ][ \ V ]_ ^
Symposium on Digital Photogrammetry. Instanbul, Turquia. 1998.
[2] Axelsson, P. “Processing of Laser Scanner Data –
Methods and Algorithms”. _ V Y [ W _
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[3] Medvedev, E. “Combining Laser and Digital Photography Data for Automation of Orthophoto Map Production”. ]X Y [ ]_ [ W Y a _ Y XX U _ ]X
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[4] Medvedev, E. “Automatic Calibration Procedure for Laser Scanning Systems”. ]X Y [ ]_ [ W Y a _ Y X 'X U _ ]X
X `_ X Y X \ X [ a ]_ . San
Francisco, CA. 2001.
[5] Optech Inc. [ ][6Y _ \ X ` [ V [ W _ Y] X
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