Geração de modelos digitais de elevação com base em técnicas de estereoscopia digital, por meio de imagens VANT: Subsídio a identificação de manchas de
desmatamento em áreas de preservação permanente
Osvaldo José Ribeiro Pereira1 Rafael Tamamaru2
1
Centro de Energia Nuclear na Agricultura - USP Av. Centenário, 303 - Caixa Postal 96
13416-000 – Piracicaba - SP, Brasil [email protected]
2
Geobuilder, Tecnologia em Geoinformação LTDA Rua: Dr. Gurgel. 387 - Sala 33
Centro, CEP: 19010-020 – Presidente Prudente – SP, Brasil [email protected]
Abstract. Nowadays the georeferenced management of rural zones has becoming increasingly present in Brazil, by the utilization of orbital images or orthophotos acquired by manned airplanes, however, the acquisition methods of such products are expensive, which makes it inaccessible to small farmers. Given this, it’s necessary to consider the adoption of cheaper orthophotos collected by unmanned air vehicles, so called UAVs. Aiming to discuss the application of such data, the principal goal of this study was to present a methodology for semi-automatic generation of digital elevation models (DEMs) and orthomosaics using photos acquired by non-metric cameras in the visible range of electromagnetic spectrum, onboard an ultra-light UAV. Using the derivate data, it was identified deforested areas located on environmental preservation zones surrounding the rivers. The study site is located near the city of Figuerião which is located on the state of Mato Grosso do Sul/Brazil. Through the adopted methodology it was possible to generate a DEM and an orthophoto with an spatial resolution of 0.6 and 0.2 m, respectively. The results have showed that the generated data was helpful to aid the management of small farms, especially, regarding the mitigation of environmental problems, nevertheless, it’s still necessary increase the application of UAVs in photogrammetric missions which will make possible the improvement of methods and techniques to process data derivate from photographs taken by UAVs.
Key Words: Photogrammetry; UAV; environmental preservation zones, fogrametria, VANT, áreas de preservação permanente.
Introdução
Devido ao desenvolvimento recente da aerofotogrametria por meio de VANT’s (Veículos Aéreos não Tripulados), tal técnica ainda não foi consolidada como um método padrão de imagemento da superfície terrestre. O emprego comercial desta tecnologia, sobretudo no Brasil, tem como escopo a inspeção de linhas de transmissão de energia, vigilância policial, levantamento de condições meteorológicas e aplicações voltadas a agricultura de precisão (Medeiros, 2007). Inúmeros trabalhos acadêmicos deflagraram as potencialidades de dados de sensoriamento remoto levantados por câmeras imageadoras acopladas a VANT’s, sobretudo, no que se refere ao mapeamento de aspectos de interesse em zonas de cultivo ou áreas de preservação permanente (Herwitz et al., 2002; Lelong et al., 2008; Eisenbeiss, 2008; Medeiros et al., 2007; Agüera et al., 2011). Tais estudos tiveram como foco o aprimoramento dos métodos e técnicas utilizadas para o levantamento de imagens por meio de VANT’s e trouxeram importantes contribuições.
Com relação ao cenário nacional, salienta-se que as pesquisas envolvendo VANT’s são ainda escassas, sobretudo devido ao fato de não haver ainda uma legislação específica que regulamente a operação dessa categoria de aeronaves no espaço aéreo brasileiro. Atualmente, qualquer atividade civil que pretenda realizar levantamentos fotogramétricos com o auxílio de
aeronaves não tripuladas está sujeita a avaliação de viabilidade do voo de acordo com normas estabelecidas pelo Departamento de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro (DCEA), o qual, no ano de 2009, emitiu uma circular (Circular de Informações Aeronáuticas: AIC29/09 de 19/11/2009) como um primeiro esforço no sentido de regulamentar a operação de VANT’s em território nacional. Esta circular estabelece, de forma provisória, que qualquer operação que envolva a aplicação de VANT’s deve ser aprovada pelos órgãos da aviação civil e militar, por meio da emissão de uma autorização NOTAM. Nos EUA, Austrália e Canadá, bem como em grande parte da Europa, já foram estabelecidas diretrizes e regras gerais para regulamentar a operação de aeronaves não tripuladas, fato que tem contribuído para a consolidação dos VANT’s como alternativa viável a levantamentos fotogramétricos tradicionais.
Considerando-se que ainda não foram definidas diretrizes específicas, os aerolevantamentos vêm sendo realizados, sobretudo, em áreas rurais (aquelas que não se enquadram nas zonas restritas de acordo com a circular AIC29/09), voltados a estudos ambientais, vistorias de linhas de transmissão de energia e como subsídio a mitigação de problemas em regiões de lavoura. As missões são realizadas atualmente por empresas privadas e instituições de pesquisa e somente nos últimos anos foram evidenciadas esforços para o lançamento dos produtos derivados, no mercado. Tais produtos estão relacionados, sobretudo, a ortomosaicos multiespectrais na faixa do visível com resolução espacial submétrica (1 a 0,08 m). As técnicas atuais de ortorretificação destes mosaicos adotam pontos de controle coletados em campo, porém, tal tarefa pode ser dispendiosa e exigir levantamento em solo que poderão demandar maior tempo para a disponibilização do produto final. Nesse contexto surge a possibilidade de ortorretificação com base em MDE’s (Modelos Digitais de Elevação) derivados de estereoscopia digital. Diante disso, além da possibilidade de ortorretificação precisa dos mosaicos tem-se ainda a oportunidade de geração de mapas topográficos refinados, por meio de técnicas automáticas implementadas em softwares baseados em algoritmos SQM (Structure from Motion Procedures, da sigla em Inglês).
O método utilizado pelo algoritmo possibilita a segmentação de pontos chave em imagens tomadas pelas câmeras, em angulações distintas. Tais pontos são então representados nos planos X, Y e Z. Posteriormente são gerados automaticamente os parâmetros de calibração da câmera e um mosaico georreferenciado e ortorretificado. O resultado final é análogo a produtos obtidos por meio de imageamentos por laser aerotransportado, porém, a estereoscopia digital não tem a capacidade de penetrar a superfície dos alvos o que inviabiliza, por exemplo, a derivação de MDE’s representando a altura do dossel superior da vegetação e da superfície do solo. Mesmo considerando-se tal limitação, estudos recentes têm mostrado que a aplicação dessa técnica pode resultar em produtos de grande interesse para mapeamentos topográficos de detalhe, beneficiando-se dos atuais avanços nos métodos de coleta de imagens por VANT e nos softwares de tratamento de imagens (Lebourgeois et al., 2008; Neitzel e Klonowski et al., 2011).
Por se tratar de uma técnica menos dispendiosa que levantamentos por laser aerotransportado e possibilitar a geração de MDE’s com resolução espacial submétrica e ainda a mosaicagem e ortorretificação das imagens, é possível que nos próximos anos os mapeamentos topográficos lancem mão aos produtos derivados de aerolevantamentos por meio de aeronaves não tripuladas. A grande vantagem desta categoria de levantamento está no fato de possibilitar a derivação de respostas rápidas auxiliando na mitigação do problema que motivou o levantamento. O diagnóstico rápido e preciso do problema pode ser a chave para a proposição de métodos eficazes de solução, como exemplo de tal condição pode ser apontada a ocorrência de processos erosivos em áreas de APP. Esse fenômeno pode ocorrer em áreas desmatadas ou mesmo em pequenas clareiras em floresta, passível de detecção por
meio de imagens multiespectrais com alta resolução espacial, com o apoio de MDE’s refinados.
Este trabalho teve como objetivo propor um método rápido de geração de MDE’s e ortomosaicos georreferenciados, através de imagens multiespectrais coletadas por sensores não métricos acoplados a VANT’s. Objetivou-se ainda, por meio destes dados, identificar áreas de ocorrência de desmatamento em zonas de APP, buscando apresentar um estudo prático baseado em fotogrametria VANT, que auxilie no processo de gestão georreferenciada de propriedades rurais.
2. Material e Métodos 2.1. Área de estudos
A área de estudos está localizada no município de Figueirão/MS (Figura 1). Caracterizada por relevo plano, levemente ondulado com ocorrência de Neossolos Quartzarênicos nas zonas rebaixadas e Neossolos Litólitcos nas formações mais elevadas na região nordeste da área. Destaca-se a presença de morros testemunho no planalto central da bacia do Paraná, associados a formações cuestiformes do planalto da Caiapônia. O clima é caracterizado como tropical (Aw - Brasil central) quente e úmido com ocorrência de períodos secos (2 a 3 meses) de acordo com BRASIL (1990). A área ilustrada na Figura 1 (direita) tem 1,90 km² compreendendo zonas de APP e pastagens para a prática de pecuária extensiva, sendo cortada pelo Rio Figueirão.
Figura 1: Localização da área de estudos no contexto do estado do Mato Grosso do Sul, com pontos em vermelho representando as coordenadas centrais das fotografias tomadas pelo VANT Tiriba (AGX)
2.2. Materiais 2.2.1. VANT 2.2.1.1 Aeronave
Adotou-se a aeronave modelo Tiriba (AGX, São Carlo – SP, 2011), com autonomia de voo de 30 a 45 min, capacidade de aquisição de imagens fotográficas georreferenciadas, com captura simultânea de vídeo transmitido em tempo real para a estação de controle em solo por meio de tecnologia Wireless e voos realizados mediante planejamento automático. A aeronave é lançada manualmente, conta com unidades barométricas e inerciais que possibilitam a aquisição de cenas com menores distorções, semelhantes a missões de aerolevantamento tradicional.
2.2.1.2. Sensor imageador e sistema de georreferenciamento.
Foi utilizado um sensor não métrico (câmera fotográfica Cannon®: 10 MP) com capacidade de coleta de cenas no espectro da luz visível, ligada diretamente ao sistema de posicionamento (GPS) acoplado, possibilitando a aquisição automática das fotos georreferenciadas, salientando-se que as fotografias podem ser tomadas manualmente conforme seja constatada a necessidade, de acordo com o vídeo enviado em tempo real para a estação de controle. A resolução espacial é variável estando diretamente relacionada com a altitude de voo. No presente estudo (altitude média de voo de 300 m) tal resolução foi de aproximadamente 0,20 m. A câmera foi posicionada em NADIR, coletando imagens sempre na mesma angulação, porém, com visão estereoscópica devido ao deslocamento do avião.
Para o georrefereciamento das imagens adotou-se um receptor GPS portátil com 10 Hz, que coletou a coordenada central de cada cena. Tal informação foi automaticamente armazenada na estação de controle em solo e associada às cenas, possibilitando a mosaicagem georreferenciada. Como padrão adotou-se o sistema de coordenadas geográficas WGS 84 (World Geographic System, 1984).
O sistema automático de aquisição de fotografias e de georreferenciamento forneceu como dados finais as imagens e um arquivo de texto com informações associadas às mesmas. Este arquivo é organizado em linhas e colunas (linhas: apresentam as informações de cada cena; colunas: categoria de informação), sendo de essencial importância para o adequado georreferenciamento e mosaicagem dos dados. Tais colunas apresentam os seguintes dados: identificador da cena; longitude em graus; latitude em graus e altitude da aeronave.
2.3. Métodos
A metodologia dividiu-se em duas etapas básicas: aquisição dos dados e processamento para a derivação de ortomosaicos e MDEs; segmentação de aspectos de interesse com base nos produtos derivados das cenas obtidas pelo voo VANT e através de dados disponibilizados na rede mundial de computadores (MDEs ASTER com 30 m de resolução espacial, gerados mediante estereoscopia digital de pares adquiridos pelo satélite imageador Terra). Ao final realizou-se uma análise comparativa entre os dados supracitados (MDE VANT e ASTER), buscando segmentar feições de erosão nas áreas de APP.
2.3.1. Processamento das imagens adquiridas pelo VANT
No presente estudo adotou-se o software AgiSoft Photoscan 0.8.3 e o Sistema de Informação Geográfica (SIG) ArcGis 10.0.
Foram selecionadas 28 fotos para a geração do mosaico georreferenciado, as quais recobriram uma área de 4,97 km², cada qual com sobreposição longitudinal (ℓ) de 60 % e lateral (q) de 50 %. Sendo assim toda a área foi imageada com, no mínimo, dois ângulos de visada diferentes, possibilitando modelagem tridimensional por meio de estereoscopia digital. Salienta-se que, inicialmente o voo não foi concebido para a geração de MDE’s, pois, porcentagens maiores de sobreposição são aconselháveis para a obtenção de resultados mais precisos, sobretudo em áreas de superfície mais rugosa que exigem mapeamento tridimensional mais detalhado (Remondino et al., 2011).
A calibração das câmeras e orientação das cenas foi feita em uma mesma etapa por meio de algoritmos automáticos de reconhecimento de padrões espectrais semelhantes em cenas tomadas em diferentes ângulos para uma mesma área (SQM). Mediante os pontos de controle realizou-se então a reconstrução métrica tridimensional, geração da grade triangular e obtenção da ortofoto com o auxílio de diferentes algoritmos de mosaicagem. O MDE resultante e a ortofoto foram exportados para formatos compatíveis com o SIG ArcGis 10.0. Realizou-se então análise detalhada da topografia da área com base nas imagens ASTER e
nos dados derivados do VANT com o intuito de identificar manchas de desmatamento em áreas de APP.
Para a seleção das feições de relevo de interesse (áreas de solo exposto), adotou-se o método desenvolvido por Jenness (2006), denominado SPC® (Slope Position Classification), que classifica o relevo com base em um índice relacionado à posição topográfica das formas de relevo (Topographic Positon Index; TPI®). A partir deste método buscou-se selecionar as feições topográficas locais que permitissem identificar áreas de solos exposto nas zonas de APP.
3. Resultados e Discussão
Considerando-se que o objetivo central do presente trabalho foi buscar a obtenção rápida de resultados relevantes para a identificação de áreas de solo exposto, não foram adotados métodos de georreferenciamento das cenas por meio da distribuição de pontos de controle em solo. Utilizou-se como base o georreferenciamento automático através das coordenadas fornecidas pelo GPS acoplado ao VANT. Tal técnica forneceu como resultado uma ortofoto com RMSE (Root Mean Square Error) médio de 5,7 m e 2,1 m para os planos horizontais e verticais, respectivamente. Tais parâmetros foram calculados automaticamente pelo algoritmo de mosaicagem e triangulação implementado no AgiSoft PhotoScan®.
A ortofoto resultante permitiu mapeamento em escala de 1:6.000, com resolução espacial de 0,15 m. Para o MDE padronizou-se a resolução espacial de 0,6 m por meio de interpoladores lineares, com o intuito de agilizar o tempo de processamento computacional. O modelo gerado serviu de base para o georreferenciamento do MDE ASTER. Como foi grande a diferença entre a resolução espacial dos dois modelos utilizados, constatou-se que o MDE ASTER não foi capaz de segmentar de maneira adequada as feições erodidas, permitindo somente uma estimativa geral das áreas mais rebaixadas nas zonas de APP. Já para o modelo gerado por meio das fotografias obtidas pelo VANT, constatou-se que a derivação do índice de posição topográfica, por meio a adoção de um interpolador circular com 3 m de raio (Jenness, 2006), viabilizou a identificação mais precisa das manchas de erosão na área de APP que corta o trecho analisado (Figura 2).
Figura 2: MDE ilustrando a área onde foram evidenciados processos erosivos (A); Ortofoto da mesma área
com destaque para as zonas desmatadas na região de APP (buffer de 30 m), com rio (em azul) representado ao centro (B)
O algoritmo de segmentação das feições de relevo permitiu selecionar áreas em diferentes estágios de desmatamentos, submetidas a fenômenos de erosão. Tais zonas estão localizadas no perímetro da área de APP, de acordo com um buffer de 30 m (considerou-se esta distância
com base na resolução CONAMA 005/85 (art. 3°, II). Caso seja levado em conta o novo código florestal aprovado em 2012 deveriam ser preservados 15 metros ao redor de rios com leito de até 10 m de largura).
Como pode ser observado na Figura 2, as áreas desmatadas estão representadas em diferentes cores, de acordo com a altura média dos dosséis da vegetação, sendo assim, tons esverdeados ilustram áreas de vegetação herbácea e arbustiva, os tons amarelados representam zonas ocupadas por gramíneas e os alaranjados, áreas de solo descoberto com maior suscetibilidade a processos erosivos, considerando-se, sobretudo, a cobertura pedológica da área que é dominada por Neossolos Quartzarénicos, altamente susceptíveis a processos sazonais de perda de solo. A segmentação de tais feições foi possível por meio de diferenciação altimétricas entre células vizinhas (pixels), buscando a criação de um modelo que ilustre a posição topográfica relativa de determinada área com relação a vizinhança. A Figura 3 ilustra a abrangência dos tipos de cobertura de solo identificados na área de APP.
Figura 3: Abrangência em porcentagem dos tipos de cobertura de solo
identificados no limite da zona de APP representada na Figura 1
Por meio de interpretação visual da ortofoto e com base nas classes apresentadas na Figura 3 constatou-se que grande parte da área está preservada e mesmo as zonas com cobertura vegetal mais esclerófila encontram-se em fase de recuperação, porém, uma porcentagem considerável da APP (23%) está susceptível a processos erosivos. Diante disso destaca-se a necessidade de adoção de medidas mitigadoras buscando-se evitar a evolução do processo de perda de solo. A adoção de um MDE refinado pode auxiliar no processo de recuperação dessa área por possibilitar estudos quantitativos voltados as regiões de maior sensibilidade, viabilizando a inferência precisa dos pontos de interesse nas APP.
4. Considerações Finais
A adoção de métodos automáticos de geração de MDE por meio de fotografias com visão estereoscópica, tomadas por VANT’s mostrou ser uma alternativa eficiente para o mapeamento tridimensional detalhado de pequenas superfícies no terreno, considerando-se que foi possível a estimativa rápida de atributos de interesse, com base em técnicas fotogramétricas semiautomáticas.
Devido ao atual estado da arte, a coleta de fotografias por VANT’s ainda carece de aprimoramentos com o escopo de consolidar-se como um método padrão de gestão georreferenciada rural e urbana. Além da necessidade de popularização de tal tecnologia destaca-se ainda a urgência na consolidação de uma legislação específica que estabeleça normas gerais para a operação de VANT’s no espaço aéreo nacional, a exemplo de outros países que já adotaram tal medida.
Agradecimentos
Ao CNPQ pelo fomento de bolsa de pesquisa, a empresa AGX tecnologia pela disponibilização das fotografias tomadas por VANT e a UNESP – Presidente Prudente pelo apoio e difusão de conhecimento.
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