MARCIANO CARNEIRO
GERAÇÃO DE MODELO DIGITAL DE TERRENO POR RESTITUIÇÃO AEROFOTOGRAMÉTRICA COM APOIO DE VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO
DE PEQUENO PORTE: ESTUDO DE CASO NA PEDREIRA DA EMPRESA INCOPEL - ESTÂNCIA VELHA / RS
CANOAS, 2016.
MARCIANO CARNEIRO
GERAÇÃO DE MODELO DIGITAL DE TERRENO POR RESTITUIÇÃO AEROFOTOGRAMÉTRICA COM APOIO DE VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO
DE PEQUENO PORTE: ESTUDO DE CASO NA PEDREIRA DA EMPRESA INCOPEL - ESTÂNCIA VELHA / RS
Dissertação de mestrado apresentada para a banca examinadora do Programa de Pós- Graduação em Avaliação de Impactos Ambientais do Centro Universitário La Salle - UNILASALLE, como exigência para a obtenção do título de Mestre em Avaliação de Impactos Ambientais.
Orientador: Prof. Dr Rubens Müller Kautzmann
CANOAS, 2016.
MARCIANO CARNEIRO
GERAÇÃO DE MODELO DIGITAL DE TERRENO POR RESTITUIÇÃO AEROFOTOGRAMÉTRICA COM APOIO DE VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO
DE PEQUENO PORTE: ESTUDO DE CASO NA PEDREIRA DA EMPRESA INCOPEL - ESTÂNCIA VELHA / RS
Dissertação de mestrado apresentada para a banca examinadora do Programa de Pós- Graduação em Avaliação de Impactos Ambientais do Centro Universitário La Salle - UNILASALLE, como exigência para a obtenção do título de Mestre em Avaliação de Impactos Ambientais.
Aprovado pela banca examinadora em 07 de abril de 2016.
BANCA EXAMINADORA:
________________________________________
Prof. Dr Rubens Müller Kautzmann Orientador - UNILASALLE
________________________________________
Prof. Dr. Silvio Roberto Taffarel Coorientador - UNILASALLE
_________________________________________
Prof. Dr. Julio Cesar Farret UFSM
________________________________________
Prof. Dr. Rute Henrique da Silva Ferreira UNILASALLE
________________________________________
Dr. Telmo Fernando Perez de Quadros DNPM
AGRADECIMENTOS
Dedico este trabalho a Deus por sempre ter guiado meus passos a fim de que pudesse vencer esta etapa tão importante para minha realização profissional.
À minha esposa, Kelly e ao meu filho Filippo, pelo incentivo, compreensão e encorajamento, durante todo este período.
Ao meu falecido pai, José Carneiro, um exemplo de luta e superação e que me inspirou a ser um homem melhor e ter objetivos na vida.
Á minha mãe, Valmira Carneiro, que me colocou em primeiro lugar em sua vida, ofereceu-me o melhor e oportunizou a realização dos meus sonhos.
Aos meus queridos sogros, Leucir e Nair, pelo incentivo.
Aos meus queridos irmãos, Marcelo, Jaqueline e, em especial, minha irmã Valéria que fez a revisão do Português.
Agradeço ao meu orientador, Prof. Doutor Rubens Muller Kautzmann, pela disponibilidade, atenção, paciência, dedicação e profissionalismo.
Aos membros da comissão examinadora, em especial, ao Prof. Dr Julio Cesar Farret, pela colaboração inestimável neste trabalho.
Aos colegas da empresa Allcomp, em especial, Luis e Ricardo, pelo incentivo.
Ao amigo, Fernando Erthal, pela infinita disponibilidade e ajuda no trabalho de campo.
Aos meus colegas de mestrado, em especial, Eduardo pelos momentos partilhados com muito entusiasmo.
Enfim, a todos que, de uma forma ou de outra, contribuíram para a realização deste trabalho.
RESUMO
O interesse por Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) tem crescido rapidamente.
O aperfeiçoamento dos programas de restituição digital e dos sensores aerotransportados em VANTs, bem como o avanço da própria tecnologia deste tipo de aeronave são os principais motivos do crescimento do uso desta ferramenta geodésica. Atualmente, o Brasil e outros países trabalham no desenvolvimento de VANTs para diferentes mercados, destacando a agricultura de precisão e o mapeamento urbano. As tecnologias empregadas em VANTs evoluem consideravelmente, como caso dos sistemas autônomos, os quais estão se tornando confiáveis e sofisticados. O objetivo da presente pesquisa é estudar a viabilidade técnica do emprego de dados planialtimétricos resultantes de restituição de aerofotos digitais geradas em câmeras a bordo de VANT de pequeno porte, para geração de MDT capaz de dar suporte ao cálculo de volumes em cavas de minas. O experimento foi realizado na pedreira da empresa INCOPEL, sediada no município de Estância Velha - RS, onde foram instalados alvos de controle para restituição da imagem e alvos amostrais nas sete bancadas da pedreira. Foram feitos estudos comparativos entre os valores das elevações ortométricas de referência, medidas com técnica GNSS RTK, e as suas correspondentes medidas no software de fotogrametria Photoscan. Verificou-se, ainda, a correlação entre as variáveis do experimento. Os resultados apontam para um bom potencial de uso do produto testado nesta pesquisa para as finalidades de cálculo de volumes em cavas de minas.
Palavras-chave: VANT. Sensoriamento Remoto. Avaliação de impactos ambientais.
Geodésia. Topografia. Modelagem 3D.
ABSTRACT
The interest in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has been increased fast. Recent advances in computer technology, software and sophisticated sensors are the main reasons for the increase of this technology. Nowadays, Brazil and other countries work for the development of UAV for different markets, highlighting the precision agriculture and urban mapping. The technologies used in UAV evolve considerably, which it is the case of the autonomous systems which are becoming reliable and sophisticated. The objective of the this research is to study the technical feasibility of the use of planialtimetric data obtained from digital aerial photography taken by cameras on board small UAV for the generation of MDT that it is able to give support for volume calculations in mines. The experiment was done at INCOPEL quarry in Estância Velha - RS where it was installed control targets for aerial restitution of the pictures and sample targets on the seven workbenches of the quarry. Thus, comparative studies were done between orthometric elevations measured with GNSS RTK technique and the ones that were measured in the photogrammetry software PhotoScan. It was also checked the correlation between the experiment variables. The results shows a promising perspective to use this search final product for volume calculations in mines.
Keywords: UAV; Remote Sensing; Environmental Impact Assessment; Geodesy;
Topography; 3D Modeling.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Categorias de VANT ... 18
Figura 2 - Integração dos principais sensores ... 19
Figura 3 - Representação de um elipsoide de revolução ... 25
Figura 4 - Forma geoidal representando por um modelo geoidal global. ... 26
Figura 5 - Interseção do cilindro secante com a superfície esférica de referência .... 28
Figura 6 - Divisão de fusos e zonas ... 29
Figura 7 - O sistema de coordenadas Cartesiano Espacial Geocêntrico ... 30
Figura 8 - Representação das coordenadas curvilíneas elipsoidais e altura elipsoidal do ponto P ... 31
Figura 9 - Diferença de FOV e IFOV ... 35
Figura 10 - IFOV ... 35
Figura 11 - Recobrimentos lateral e longitudinal em uma imagem fotogramétrica... 36
Figura 12 - Grade retangular regular ... 44
Figura 13 - Exemplo de Triangulação de Delaunay ... 45
Figura 14 - Pontos-chaves localizados em duas imagens ... 48
Figura 15 - Pedreira da INCOPEL em Estância Velha/RS ... 51
Figura 16 - Placas de polietileno nas dimensões 0,9m x 0,9m ... 52
Figura 17 - Levantamento dos alvos amostrais com GNSS RTK ... 53
Figura 18 - Plataforma VANT (DRONE) – DJI Modelo Phanton Pro ... 55
Figura 19 - Sensor DJI, modelo FC300X, 2015. ... 56
Figura 20 - Fluxograma de coleta de imagens ... 57
Figura 21 - Faixas de voo ... 57
Figura 22 - Relatório do Ponto Preciso do ponto de referência (BASE)... 61
Figura 23 - Resultados da sobreposição de imagens – MDT1 ... 64
Figura 24 - Resultados da sobreposição de imagens – MDT2 ... 65
Figura 25 - Resultados da sobreposição de imagens – MDT3 ... 65
Figura 26 - Janela do Software Photoscan que apresenta os produtos gerados ... 69
Figura 27 - Exemplo de mensuração de altitude ortométrica no MDT1, ponto amostral V7 realizada no ortomosaico gerado no software Photoscan ... 69
Figura 28 - Vista do MDE1 Controlado no Photoscan. ... 70
Figura 29 - Vista do MDE2 Controlado no Photoscan. ... 71
Figura 30 - Vista do MDE3 Controlado no Photoscan. ... 71
LISTA DE TABELAS
Quadro 1 - Classes de RPAs ... 21
Tabela 2 - PEC-PCD Planimétrico ... 40
Tabela 3 - PEC-PCD para os Modelos Digitais de Terreno (MDT), de Elevação (MDE) e de Superfície (MDS) ... 40
Tabela 4 - PEC-PCD Altimétrico ... 41
Tabela 5 - Custo do Sistema de mapeamento ... 59
Tabela 6 - Coordenadas dos Pontos de controle ... 61
Tabela 7 - Coordenadas do Pontos amostrais ... 62
Tabela 8- Resultados da calibração da Câmera do DJI Phantom Pro – MDT1 ... 63
Tabela 9 - Resultados da calibração da Câmera do DJI Phantom Pro – MDT2 ... 63
Tabela 10 - Resultados da calibração da Câmera do DJI Phantom Pro – MDT3... 63
Tabela 11 - Erro Médio Quadrático Planialtimétrico do MDT1 ... 66
Tabela 12 - Erro Médio Quadrático Planialtimétrico do MDT2... 66
Tabela 13 - Erro Médio Quadrático Planialtimétrico do MDT3 ... 67
Tabela 14 - Erro Médio Quadrático Planimétrico calculados MDT1 ... 67
Tabela 15 - Erro Médio Quadrático Planimétrico calculados MDT2 ... 67
Tabela 16 – Erro Médio Quadrático Planimétrico calculados MDT3 ... 68
Tabela 17 - Erro Médio Quadrático Altimétrico ... 68
Tabela 18 - Altitudes medidas no ortomosaico gerados no software Photoscan ... 70
Tabela 19 - Discrepâncias GNSS x MDT1 ... 72
Tabela 20 - Discrepâncias GNSS x MDT2 ... 72
Tabela 21 - Discrepâncias GNSS x MDT3 ... 73
Tabela 22 - Média das discrepâncias ... 73
Tabela 23 - Médias de Altitude ortométricas ... 73
Tabela 24 - Coeficiente de Correlação ... 75
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
3D - Tridimensional
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ANAC - Agência Nacional da Aviação Civil
ARP - Aeronave Remotamente Pilotada
CAVE - Certificado de Autorização de Voo Experimental CECEA - Departamento de Controle do Espaço Aéreo CONCAR - Comissão Nacional de Cartografia
DEM - Digital Model Terrein DOG - Difference of Gaussian ECEF - Earth Centered/Earth Fixed EMQ - Erro Médio Quadrático FOV - Field Of View
GNSS - Global Navigation Satellite System GRS80 - Geodetic Reference System 1980 GPS - Global Positioning System
GSD - Ground Sample Distance IFOV - Instantaneous Field Of View IMU - Unidade de Medição Inercial
IBGE - instituto Brasileiro de Geografia e Estatística INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais ISO - International Standards Organization MDS - Modelo Digital de Superfície
MNS - Modelo Numérico de Superfície MDT - Modelo Digital do Terreno MTOM - Massa Máxima de Decolagem NBR - Norma Brasileira
NOTAM - Notice to Airmen
PTL - Plano Topográfico Local RLS - Regressão Linear Simples RMS - Root Mean Square
RPAS - Remotely Piloted Aircraft System RPA - Remotely Pilot Aircraft
SAD69 - South American Datum 1969 SAL - Sistema Astronômico Local
SIG - Sistema de Informações Geográficas SIFT - Escale Invariant Feature Transform
SIRGAS - Sistema de Referência Geocêntrico das Américas SGL - Sistema Geodésico Local
STL - Sistema Topográfico Local TIN - Triangulação irregular Network
UAV - Unmanned Aerial Vehicle/Unmanned Airbone Vehicle UTM - Universal Transversa de Mercator
VANT - Veículo Aéreo Não Tripulado
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12
1.1 Objetivo ... 14
1.1.1 Geral... 14
1.1.2 Específicos ... 14
2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 16
2.1 Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) ... 16
2.1.1 Unidade de Medição Inercial (IMU) ... 19
2.1.2 Vant DJI Phantom 3 Professional ... 19
2.2 Legislação ... 20
2.3 Superfícies de referência da terra ... 24
2.3.1 Modelo elipsoidal biaxial de revolução ... 24
2.3.2 Modelo geoidal ... 25
2.4 Modelo plano ... 27
2.4.1 Sistema de projeção ... 27
2.4.4.1 Características da projeção UTM ... 27
2.4.2 Plano Topográfico Local ... 29
2.5 Sistemas de coordenadas ... 30
2.5.1 Sistema de coordenadas cartesianas elipsoidais ... 30
2.5.2 Sistema de coordenadas geodésicas (ou curvilíneas) ... 31
2.6.1 Sistema Geodésico Brasileiro – SIRGAS ... 32
2.7 Métodos de Posicionamento por GNSS ... 32
2.7.1 Posicionamento diferencial ... 32
2.7.1.1 Posicionamento Diferencial Estático ... 33
2.7.1.2 Posicionamento Diferencial em Tempo Real (Real Time Kinematic - RTK) .. 33
2.8 Fotogrametria ... 33
2.8.1 Fotogrametria Digital ... 37
2.8.1.1 Pontos de apoio Aerofotogramétrico ... 37
2.8.1.2 Fases do processo de produção fotogramétrica ... 38
2.8.1.3 Resolução espacial do pixel no terreno e a escala do mapa ... 38
2.9 Modelo Numérico de Terreno ... 42
2.9.2 Estruturação dos dados ... 43
2.9.2.1 Estruturação dos dados em uma malha regular ... 43
2.9.2.2 Estruturação dos dados em uma rede triangular ... 44
2.9.2.3 Modelagem da superfície ... 45
2.9.3 Algoritmo SIFT (Scale Invariant Feature Transform) ... 46
2.9.3.1 Etapas do Algoritmo ... 46
2.9.3.1.1 Detecção dos extremos ... 46
2.9.3.1.2 Descritor dos pontos Chave ... 49
3 METODOLOGIA ... 51
3.1 Área do experimento ... 51
3.2 Levantamento de Campo ... 52
3.2.1 Pontos de Controle ... 52
3.2.2 Pontos amostrais ... 53
3.3 Levantamento Aerofotogramétrico ... 54
3.3.1 Características do VANT utilizado ... 54
3.3.2 Sensor utilizado na pesquisa ... 55
3.3.3 Plano de voo ... 56
3.3.4 Realização dos voos ... 57
3.4 Processamento dos dados ... 58
3.4.1 Custo do Sistema de mapeamento ... 59
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 60
4.1 Processamento de dados GNSS ... 60
4.2 Processamento das imagens ... 62
4.2.1 Calibração e Ajustes da câmera ... 62
4.2.2 Resolução espacial do pixel no terreno ... 64
4.2.3 Verificação da escala final ... 66
4.2.4 Coleta de elevação no ortomosaico ... 68
4.2.5 Modelo Digital do Terreno (MDT) ... 70
4.2.6 Análise estatística ... 72
5 CONCLUSÃO ... 76
6 TRABALHOS FUTUROS... 77
REFERÊNCIAS ... 78
ANEXO A ... 81
1 INTRODUÇÃO
O termo Veículo Aéreo não Tripulado (VANT) é nomenclatura universal que identifica uma aeronave que pode voar sem tripulação, ou, em inglês, Unmanned Aerial Vehicle ou Unmanned Airborne Vehicle (UAV) ou Drones, como são popularmente conhecidos no mundo todo.
A aerofotogrametria realizada a partir de sensores (especialmente câmeras digitais) colocados a bordo de VANTs tem sido utilizada em escala crescente nos últimos anos. Inicialmente pensado com fins militares, o espectro de aplicações desta tecnologia tem aumentado, destacando-se a agricultura de precisão, o monitoramento de impactos ambientais, o cadastro urbano, o sensoriamento remoto, o mapeamento de áreas em geral (JORGE, 2003) e, inclusive, o mapeamento de cavas de minas, objeto da presente pesquisa.
Este crescimento no uso de VANTs se deve a fatores como capacidade de sobrevoar áreas de difícil acesso ou hostis, baixo custo e facilidade de operação, facilidade de operação, baixo risco de acidentes fatais e utilização em espaços reduzidos com baixa altitude de vôo (grandes escalas). Tais qualidades tornam esta tecnologia atrativa para ser utilizada em áreas de mineração (objeto deste trabalho), onde há cada vez mais preocupações com a segurança do operador do instrumento topográfico e do pessoal auxiliar.
Um dos países líderes no uso de VANTs são os Estados Unidos. Outros países como Japão, Coréia do Sul, Austrália, França, Inglaterra, Itália, Alemanha, também são referência neste assunto. O Japão se destaca com mais de 2000 VANTs aplicados em pulverização e outras aplicações na agricultura (DE GARMO, 2004). O monitoramento de impactos ambientais realizados com VANTs são apresentados por Longhitano (2006).
Associada à preocupação com segurança, especialmente tendo em vista o baixo peso dos VANTs, está a preocupação com a estabilidade dos mesmos, especialmente nas decolagens e no enfrentamento de turbulências. Esta estabilidade também é importante no aspecto da qualidade geométrica das aerofotos feitas a partir de câmeras a bordo deles. Instabilidade da plataforma aérea de aquisição ou falta de precisão na determinação dos parâmetros de posição (coordenadas) e orientação das imagens (medição inercial), refletem-se na
dificuldade em garantir a sobreposição requerida no processamento aerofotogramétrico da imagem (aerofoto).
Alguns trabalhos de pesquisa têm sido atualmente direcionados a estes dois aspectos de segurança e estabilidade e que atestam o “estado-da-arte” da tecnologia dos VANTs, como pode ser visto em trabalhos de obtenção de dados dendrométricos de Eucalyptus benthamii Maiden et Cambage nos estudos de Slompo et al. (2013) e uso de VANTs em agricultura de precisão em estudos de Jorge (2003).
No Brasil, em que a tendência é regulamentar a atividade mesmo em fases incipientes e sem o devido conhecimento das técnicas mais adequadas, já existe regulamentação de uso de VANTs. Esta regulamentação, como não poderia deixar de ser, restringe-se a alguns procedimentos de segurança de voo e de autorização para realizar mapeamentos, principalmente em áreas urbanas. Embora em versão inicial e carecendo de ajustes, esta regulamentação parece que, num primeiro momento, atende às demandas da comunidade profissional que atua no setor.
A utilização de topografia convencional, imagens de satélites ou aerolevantamentos realizados com sensores de grande porte implicam custo elevado dos produtos finais, além de necessitar condições climáticas favoráveis em um longo período de tempo.
Mapeamentos realizados com VANT na mineração enquadram-se como casos de fotogrametria de médio, pequeno ou, mais frequente, de micro levantamentos.
A presente pesquisa avalia a qualidade e o custo dos produtos gerados em software de modelagem de terreno obtidos a partir de uma câmera digital colocada a bordo de um VANT de pequeno porte, bem como a viabilidade técnica e econômica do seu uso na geração de MDT para finalidade de medir de volumes em cavas de minas.
1.1 Objetivo 1.1.1 Geral
A presente pesquisa avalia a qualidade técnica e a viabilidade econômica do emprego dos produtos gerados em levantamentos topográficos utilizando aerofotos obtidas a partir de câmera digital colocada a bordo de VANT de pequeno porte, e gerados em software de modelagem de terreno (MDT) para finalidades de uso em mapeamento de minas.
1.1.2 Específicos
Para alcançar o objetivo geral, a pesquisa compreende o confronto do produto gerado na técnica utilizando VANT com seu correspondente gerado no posicionamento através do GNSS. Isto será buscado através da consecução dos seguintes objetivos específicos:
a) Escolha da área do experimento;
b) Escolha dos equipamentos e softwares utilizados para levantamento com VANT e com GNSS;
c) Elaboração de planejamento do voo tendo em vista o tamanho da área a ser mapeada, a escala desejada (relacionada à altura de voo) e o recobrimento necessário;
d) Materialização de alvos de boa definição em pontos estrategicamente distribuídos ao longo da área a ser recoberta;
e) Determinação precisa das coordenadas de referência dos alvos com tecnologia GNSS com controle de qualidade;
f) Realização do experimento em campo;
g) Processamento digital das aerofotos com obtenção das coordenadas de interesse com respectiva precisão nominal;
h) Verificação da acurácia planialtimétrica do levantamento aerofotogramétrico, utilizando VANT multirotor através da comparação entre coordenadas em relação aos pontos de controle (alvos);
i) Análise específica das discrepâncias na altimetria entre os levantamentos GNSS e aerofotogramétrico empregando VANT nos sete pontos amostrais de cada bancada da pedreira;
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT)
Observa-se atualmente a utilização de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTS) ou, em inglês, Unmanned Aerial Vehicle (UAV) ou Unmanned Airborne Vehicle (UAV) em variados segmentos tanto militares quanto civis. Observa-se crescente avanço tecnológico nos últimos anos na estrutura computacional, softwares de plano voo mais amigáveis, materiais mais leves e resistentes, receptores GPS e sensores mais precisos e avançados. Esses podem voar de forma autônoma, semiautônoma ou manualmente guiados por um piloto em terra usando um controle remoto. Observa-se a utilização de VANTs em filmagens, fotografias, entregas de encomendas, atividades agrícolas, missões militares, mapeamento de imagens 3D, monitoramento meteorológico, missões de busca, missões de governos, defesa civil, defesa aérea, patrulha de fronteiras, combate a incêndios, combate ao crime, inspeção de plataformas de petróleo, distribuição de remédios em ambientes hostis, dentre outros.
Uma das características mais importantes na aquisição de um VANT é o GIMBAL, termo que vem do inglês e significa cardam. O termo se refere aos suportes articulados de câmera que possibilitam estabilizar a mesma enquanto a aeronave faz suas manobras e a posiciona de acordo com os comandos do operador. Atualmente os gimbals mais precisos são acionados por motores elétricos brushless e não há engrenagens como os gimbals, que utilizam servos.
Portanto, a sua capacidade de estabilização e suavidade dos movimentos são muito superiores.
Com o aumento de fabricantes instalados no mercado nos últimos anos, o valor médio dos VANTS reduziu em 50%, fazendo com que os mesmos se popularizassem.
A Associação Internacional de Sistemas de Veículos Não Tripulados (AUVSI, na sigla, em inglês) revelou um estudo, em 2013, sobre o impacto econômico que esta tecnologia causaria no mercado dos EUA no período de 2015 a 2025: um valor de 13,2 bilhões de dólares. Além disso, serão criados 34 mil empregos na indústria e 70 mil novos pontos de trabalho. Tudo isso devido aos altos custos de voos aerofotogramétricos convencionais e imagens oriundas
de sensores orbitais (satélites). Logo, o VANT é a solução ideal para preencher uma lacuna: a necessidade de alta resolução com baixo custo de aquisição de dados, permitindo ainda a integração em Sistema de Informações Geográficas.
Na legislação em vigor para voos através de VANT, a ANAC (Agência Nacional de Aviação Civil) define VANT como RPAS (Remotely Piloted Aircraft System) que significa “Sistema de Aeronaves Remotamente Pilotadas”. Ela constitui uma subcategoria dos Veículos Aéreos Não Tripulados e exclui as aeronaves não tripuladas totalmente autônomas, ou seja, mesmo o avião exercendo suas atividades automaticamente, o voo deve ser monitorado e, o operador devidamente treinado, deve ter a capacidade de interferir a qualquer momento. Atualmente, para a execução de voos com VANT é necessária uma autorização da ANAC, chamada de CAVE (Certificado de Autorização de Voo Experimental) e do CECEA (Departamento de Controle do Espaço Aéreo) chamado NOTAM (“Notice to Airmen”) que significa “Aviso aos Aeronavegantes”, que tem por finalidade divulgar antecipadamente toda informação aeronáutica que seja de interesse direto e imediato à segurança. Para isso, é importante esclarecer os tipos de equipamentos e suas categorias.
VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) é a terminologia oficial prevista pelos órgãos reguladores brasileiros do transporte aéreo para definir este tipo de veículo. A legislação brasileira caracteriza como VANT toda a aeronave projetada para operar sem piloto a bordo, mas de caráter não recreativo e com carga útil embarcada. Ou seja, nem todo DRONE pode ser considerado um VANT, já que um Veículo Aéreo Não Tripulado utilizado como hobby ou esporte enquadra-se, por definição legal, na legislação pertinente aos aeromodelos e não na de um VANT.
Do mesmo modo, há dois tipos de VANT. O primeiro e mais conhecido é o ARP - Aeronave Remotamente Pilotada, ou RPA na sigla em inglês (Remotely- Piloted Aircraft). Nesta subcategoria o piloto não está a bordo, mas controla a aeronave remotamente a partir de uma interface qualquer (computador, simulador, dispositivo digital, controle remoto). A outra subcategoria de VANT é a chamada "Aeronave Autônoma" que, uma vez programada, não permite intervenção externa durante a realização do voo. No Brasil, as aeronaves autônomas têm o seu uso proibido. Assim, o termo ARP é a terminologia corre ta
para se referir a aeronaves remotamente pilotadas de caráter não recreativo - um drone que deve se submeter à legislação vigente.
Há ainda a categoria SARP, ou Sistema de ARP. Além da aeronave, um SARP inclui todos os recursos necessários para que ela voe: a estação de pilotagem remota, o link ou enlace de comando que possibilita o controle da aeronave , os equipamentos de apoio. É comum também o uso do termo em inglês RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems).
Podemos classificar os VANTs em duas categorias:
Figura 1 - Categorias de VANT
ASAS FIXAS ASAS GIRATÓRIAS
Fonte: Site do fabricante DJI, 2015.
A escolha de asa fixa ou móvel depende basicamente do objetivo do trabalho.
Sabe-se que as aeronaves de asas fixas possuem configurações mais limitadas, mas geralmente com apenas um motor na parte traseira. A decolagem depende basicamente de seu porte, podendo ser realizada de forma manual (arremesso) ou através da catapulta.
As nomenclaturas dos multirotores dependem basicamente da quantidade de motores: quadricóptero (quatro motores), hexacópteros (seis motores) e octacópteros (oito motores). A decolagem é de forma vertical, garantindo segurança nos sensores embarcados.
2.1.1 Unidade de Medição Inercial (IMU)
Uma Unidade de Medição Inercial é um dispositivo eletrônico que, através de uma combinação de sensores, mede e relata a velocidade, a orientação e as forças inerciais presentes no equipamento. A IMU é o “coração” do sistema eletrônico do VANT, é onde ocorre o controle de posição com o controle de altitude barométrica.
Uma combinação de vários sensores intercomunicantes se funde em um filtro de Kalman. Os micros controladores processam os dados e os enviam aos motores.
Um veículo aéreo não tripulado voa com velocidade constante e tem em seu corpo três girômetros e três acelerômetros (strapdown), cuja acurácia é típica de sensores disponíveis comercialmente para aplicações aeroespaciais, os quais se encontram alinhados com o sistema de coordenadas fixo ao corpo. A Figura 1 apresenta a integração dos principais sensores que compõem uma IMU responsável por fornecer de maneira conjunta uma estimativa completa da atitude em voo em relação a um sistema de coordenadas conhecido.
Figura 2 - Integração dos principais sensores
Fonte: CARDEIRA; BALTAZAR, 2004.
2.1.2 Vant DJI Phantom 3 Professional
De modo geral, o VANT DJI Phantom Vision Pro, com quatro motores elétricos brushless é leve e altamente confiável. Não há equipamento ou sistema de transmissão para seu comando e nem servos auxiliares para a navegação. A velocidade de cada motor determina o voo. Os motores elétricos de velocidade relativamente lenta garantem baixas vibrações, e o sistema opera em nível de ruído
muito baixo. Para possibilitar um modo de voo autônomo, é equipado com todos os sensores necessários para controlar o voo e realizar as missões e tarefas sem um operador humano. É também equipado com recursos de segurança GOHOME para o caso do operador perder o sinal com o VANT, garantindo um pouso seguro se acontecer um problema técnico.
A construção do sistema, com baixo peso e peças flexíveis, torna possível a operação em locais povoados, sem perigo de prejudicar seriamente as pessoas ou infraestrutura em caso de acidente. O sistema não necessita de local de pouso e decolagem preparado e pode estar no ar em poucos minutos após a chegada ao local do voo.
Uma das vantagens mais significativas para a utilização deste equipamento refere-se ao fato de ter incorporado às suas características preocupações pertinentes à fotogrametria tradicional, tais como estabilidade de voo por sensores inerciais e GPS, altura constante, registros das informações de toda a rota de voo, georreferrenciamento de imagens e facilidade de programação do planejamento de voo.
2.2 Legislação
O VANT possui regras próprias que diferem da já conhecida atividade de aeromodelismo, por isso precisa de certificação e autorização para voo. Para operação experimental de RPAS, deve ser solicitado à Agência Nacional da Aviação Civil - ANAC um Certificado de Autorização de Voo Experimental – CAVE conforme as seções 21.19 e 21.193 do Regulamento Brasileiro da Aviação Civil nº 21/10 de 23 setembro de 2010 – Departamento de Controle de Espaço Aéreo - DECEA – Veículos Aéreos Não Tripulados. Para operações de fins lucrativos, operações caracterizadas como não experimentais, deve ser encaminhado à ANAC um requerimento devidamente embasado destacando as características da operação pretendida e do projeto do RPAS, de modo a demonstrar à ANAC que o nível de segurança do projeto é compatível com os riscos associados à operação.
A Instrução Suplementar nº 21-002 intitulada “Emissão de Certificado de Autorização de Voo Experimental para Sistemas de Veículos Aéreo Não Tripulado”, de 05 de novembro de 2012 e retificada em 23 de novembro de 2012
para RPAs acima de 25Kg voando acima de 400 Pés ou 121,92 metros acima da superfície terrestre ou além da linha de visada, ainda que abaixo desta altura.
Além disso, o registro de aeronaves, no Registro Aeronáutico Brasileiro – RAB é um pré-requisito necessário para emissão de um Certificado de Autorização de Voo Experimental. Até o momento, pouquíssimos CAVE foram autorizados para uso civil de RPAs no Brasil. Para o caso de aeromodelos, há a Portaria DAC n°
207, de 07 de abril de 1999, que estabelece as regras para a operação do aeromodelismo no Brasil.
A atual legislação para operação de Veículos Aéreo Não Tripulados utilizou como referência a Portaria DAC n° 207, criando assim regras nova s para este tipo de operação:
a) Altura de voo maior que 120 metros somente com autorização (CAV);
b) Proibido voos sobre área urbana, aeroportos e aglomerados de pessoas;
c) Espaço aéreo restrito;
d) Apenas o ARP é permitido;
e) Autorização da ANATEL, ABC e DECEA.
f) Em 30 de janeiro de 2013, o comitê VANT apoiado pela ABIMDE apresentou uma proposta para ANAC segundo a classificação MTOM (massa máxima de decolagem). Tabela 01 mostra as classes de RPAs segundo MTOM.
Quadro 1 - Classes de RPAs
Fonte: MTOM, 2015.
Esta por sua vez apresenta como regra geral que todas as empresas executem trabalhos utilizando RPAs de qualquer classe as quais deverão ser registradas na ANAC para obtenção da licença de operação. Nesta licença, que deve ser renovada anualmente, estarão definidas as regras para operar os RPAs, a qualificação da operação e equipe de acordo com cada classe. Licenças de voo adicionais serão necessárias apenas para voos que não seguirem as regras básicas de cada classe ou classe especial que vier a ser citada.
RPAs de classe A, B e C podem voar sem licença de voo ou NOTAM e sem sistema de Sense and Avoid, cumprindo todas as premissas abaixo:
a) Voo não pode ser totalmente autônomo. O piloto em comando tem que ter controle total do RPA em qualquer etapa do voo;
b) Voo diurno VFR e VMC – Linha direta de visada (Direct Line of Sight) – máximo 500m;
c) Voo de no máximo 500 ft (150m) AGL;
d) Retorno e / ou pouso automático na perda do link de comando (rádio);
e) Retorno e / ou pouso automático se o RPA sair do “envelope operacional”
permitido (classe B, C, D e E);
f) Presença de sensor barométrico para informar a altura a qualquer momento;
g) Voo a 150m de pessoas ou área populosa de uma cidade ou outros locais classificados como proibidos;
h) Voo a mais de 5.500m de um aeroporto (voo com distâncias menores apenas com autorização prévia do ATC);
i) Voo em espaço aéreo controlado ou restrito apenas com autorização prévia;
j) Avaliação prévia da fixação da carga paga e condições meteorológicas conforme a capacidade de voo do RPAs;
k) Presença de um log de todo o voo executado;
l) Pré-revista de segurança do local de voo;
m) Licença / aprovação do proprietário da terra onde será executado o voo quando pertinente;
n) Operação de acordo com o manual do VANT;
o) Seguro contra terceiros;
p) Tanto o RPAs quanto a estação de terra devem ter visíveis o número da licença de operação concedida pela ANAC e os dados de contato do operador. Se o RPAs for pequeno demais para afixar as informações, devem estar disponíveis na estação de terra. Não será exigida certificação de aero navegabilidade das classes A e B. As classes C e D poderão, a critério da ANAC, serem sujeitas à inspeção para verificar condições de aero navegabilidade. A classe E é regida por norma unificada tipo EASA.
Em 2015 a ANAC apresentou novas regras que estavam em fase de consultoria pública, que iniciaram no dia 3 de setembro com duração anunciada de 30 dias, onde interessados podiam enviar sugestões por e-mail para a ANAC. A previsão de lançamento dos novos procedimentos para utilização dos VANTs no Brasil ficou para o primeiro semestre de 2016. As regras apresentadas priorizavam a segurança do espaço aéreo – que terá apoio do DECEA – e o controle da operação e fabricação dos VANTs brasileiros e importados.
A proposta divide todas as Aeronaves Remotamente Pilotadas (RPA) em três classes:
a) Classe 1 (peso maior que 150 Kg) – Aeronaves deverão ser certificadas pela ANAC, serão registradas no Registro Aeronáutico Brasileiro (RAB) e pilotos deverão possuir Certificado Médico Aeronáutico (CMA), licença e habilitação. Todos os voos deverão ser registrados.
b) Classe 2 (peso menor ou igual a 150 Kg e maior que 25 Kg) – Aeronaves não precisarão ser certificadas, mas os fabricantes deverão observar os requisitos técnicos exigidos a ter o projeto aprovado pela agência. Também deverão ser registrados no RAB, e pilotos deverão possuir CMA, licença e habilitação. Todos os voos, ser registrados.
c) Classe 3 (peso menor ou igual a 25 Kg) – Se operados até 400 pés acima do nível do solo (aproximadamente 120 metros) e em linha visada visual, serão apenas cadastrados (apresentação de informações sobre operador e o equipamento). Não será requerida CMA nem será necessário registrar os voos. Licença e habilitação somente serão requeridas para quem pretender operar acima de 400 pés. As operações
de RPA até 25 Kg só poderão ocorrer a uma distância mínima de 30 metros de uma pessoa.
d) Idade mínima – Os pilotos de RPA das três classes deverão ser maiores de 18 anos.
e) Seguro – Será exigido seguro com cobertura de dados a terceiros para todos os RPA (das três classes), com exceção de órgãos de segurança pública e defesa civil.
f) Atividades ilícitas ou invasão de privacidade – Atividades ilícitas ou invasão de privacidade com uso de RPA serão naturalmente tratadas pelas autoridades de segurança pública competente.
2.3 Superfícies de referência da terra
O modelo real da Terra não é perfeito, ou seja, existem irregularidades da superfície do terreno (relevo), formada pelas cadeias de montanhas, campos, fossas oceânicas e pântanos, o que dificulta a sua representação.
Os resultados da presente pesquisa são mostrados planimetricamente em coordenadas da projeção UTM (adotada oficialmente no SGB) e altimetricamente no formato de altitudes ortométricas (ou geoidais). Os tópicos a seguir mostram um breve amparo conceitual a essas duas formas de representação geodésica da posição de pontos sobre a Terra.
2.3.1 Modelo elipsoidal biaxial de revolução
É o modelo matemático mais usual em Geodésia para representar a Terra.
Ele é formado pela rotação de uma elipse biaxial em torno de seu menor, o que lhe confere o formato achatado nos polos. Nele são realizados os cálculos geodésicos e definidos sistemas de coordenadas elipsoidais cartesianas e curvilíneas que permitem o perfeito posicionamento matemático sobre este modelo, independentemente do método de posicionamento utilizado.
Figura 3 - Representação de um elipsoide de revolução
Fonte: Adaptada de Silva, 2015.
As expressões a seguir mostram o cálculo do achatamento (f), da primeira excentricidade (e) e da segunda excentricidade (e’) a partir da definição do semi-eixo maior (a) e do semi-eixo menor (b) do elipsoide (Torge, 2001).
O SGB adota o sistema SIRGAS, cujo valor do semi-eixo maior (a) é 6378137 metros e o valor do achatamento (f) é de 1/298,257222101, a partir dos quais todos os demais parâmetros podem ser derivados.
2.3.2 Modelo geoidal
O geoide pode ser entendido como uma superfície equipotencial coincidente com o nível médio não perturbado dos mares, prolongado através dos continentes. A variação da distribuição e das massas na Terra, bem como a rotação da Terra, fazem com que o geoide tenha uma forma geométrica irregular. Isto causa variação na direção da vertical (perpendicular ao geoide, fornecida pelo nível de bolha e base
do nivelamento dos equipamentos geodésico) de ponto para ponto (Andrade, 2008).
Essas características são basicamente diferentes do elipsoide, onde a forma geométrica é regular, a perpendicular a ele não tem medida direta e é chamada de normal.
É por este motivo que o elipsoide se presta mais para posicionamentos planimétricos, enquanto que o geoide tem a sua maior importância nos trabalhos de altimetria, especialmente nas grandes obras de engenharia, pois é segundo o geoide que os fluidos (como a água, por exemplo) se movimentam sobre a Terra.
As diferenças angulares entre a vertical e a normal são chamadas de “desvios da vertical” e podem ser usadas para calcular a distância entre o geoide e o elipsoide, chamada de “ondulação geoidal”. Com ela pode-se obter a altitude ortométrica de pontos em que se conheça a altitude elipsoidal fornecida, por exemplo, por GNSS. A ondulação geoidal pode ser obtida por modelos do geopotencial. O SGB utiliza o modelo do geopotencial chamado “Mapgeo”, desenvolvido pelo IBGE disponibilizado gratuitamente. É dessa forma que foram obtidas as altitudes ortométricas utilizadas nesta pesquisa.
Figura 4 - Forma geoidal representando por um modelo geoidal global.
Fonte: Adaptada de Silva, 2015.
2.4 Modelo plano
Na Topografia e Cartografia, as representações gráficas são planas e representadas por meio de plantas, cartas e mapas, portanto possuem deformações e distorções.
2.4.1 Sistema de projeção
Cartografia é a parte da Geodésia que trata da representação plana do modelo de referência (tridimensional). O produto final da Cartografia é a carta ou o mapa.
Conforme Silva (2015), as cartas geográficas e topográficas são representações planas da superfície terrestre. As mesmas são obtidas a partir do uso de um sistema de projeção cartográfico, estabelecendo uma relação pontual e unívoca entre as superfícies de referência e de representação. A superfície de referência é representada por um sistema de coordenadas geodésicas tridimensionais curvilíneas (φ, λ, h) ou cartesianas (X, Y, Z) e a superfície é plana é definida por uma sistema de coordenadas retangulares plano (X,Y).
2.4.4.1 Características da projeção UTM
A projeção UTM é uma projeção que pode ser visualizada como um cilindro secante à superfície de referência, orientado de forma que o seu eixo esteja no plano do Equador. Por ser um cilindro secante, ele apresenta um diâmetro menor que o da superfície de referência, possuindo assim duas linhas de interseção entre o cilindro e a superfície de referência (elipsoide).
Figura 5 - Interseção do cilindro secante com a superfície esférica de referência
Fonte: Adaptada de Silva, 2015.
Para controlar as deformações, a área de projeção da superfície sobre o cilindro é limitada a 6° de amplitude, gerando várias áreas chamadas de fusos. A representação gráfica da projeção UTM é realizada sobre um sistema de coordenadas retangulares planas, cuja abcissa é denominada Este, representada pela letra E e sua ordenada denominada Norte, representada pela letra N.
Características da projeção UTM:
a) Amplitude dos fusos: 6°;
b) Latitude da origem 0°: (Equador);
c) Longitude da origem: Longitude do meridiano central do fuso;
d) Falso Norte: 10.000.000 metros;
e) Falso Este: 500.000 metros;
f) Fator de escala no meridiano central: 0.9996 (redução);
g) Numeração dos fusos: 1 a 60, a partir do antemeridiano de Greenwich para leste.
h) Limites das latitudes: 84°N e 80°S;
Figura 6 - Divisão de fusos e zonas
Fonte: Adaptada de Silva, 2015.
2.4.2 Plano Topográfico Local
O objetivo principal da topografia é efetuar o levantamento através da execução de medições de ângulos, distâncias e de diferentes níveis, que permitam representar uma porção limitada da superfície terrestre em uma escala gráfica adequada e geralmente grande. As operações efetuadas em campo, com o objetivo de coletar dados para posterior representação, denominam-se levantamento topográfico.
De acordo com a NBR 13133 (ABNT, 1994), despreza-se a influência dos erros sistemáticos devidos à curvatura e ao desvio da vertical. Este plano é perpendicular à vertical no ponto da superfície origem do levantamento, podendo também ser perpendicular à normal. Pode-se realizar o transporte de coordenadas geodésicas sobre o elipsoide também usando medidas angulares e lineares. Neste caso o levantamento será geodésico.
Na Topografia, trabalha-se com medidas lineares e angulares, realizadas sobre a superfície da Terra e a partir destas medidas calculam-se coordenadas, áreas, volumes.
A representação planimétrica resultante no produto da presente pesquisa é plano local, uma vez que as coordenadas “UTM” obtidas não se originaram de
transformação a partir de suas correspondentes geodésicas, mas sim por cálculo direto sobre o plano cartesiano originado na restituição.
2.5 Sistemas de coordenadas
Determinar a posição de um ponto significa determinar as suas coordenadas.
E calcular as coordenadas de um ponto significa estabelecer a sua posição em relação a um sistema de coordenadas e a uma superfície de referência ou de projeção.
2.5.1 Sistema de coordenadas cartesianas elipsoidais
Este tipo de sistema de coordenadas é definido de maneira que sua origem seja o centro da Terra (geocêntrico). Os eixos (X,Y) pertencem ao plano do Equador, o eixo (Z) coincide com o eixo médio de rotação da Terra e o eixo (X) é direcionado de maneira a interceptar um meridiano adotado como referência (Green Wich).
Segundo Leick (2004), todos que utilizam o GNSS o fazem em relação ao sistema de coordenadas geocêntrico definido pela Agência de Defesa e Mapeamento dos Estados Unidos (DMA), chamado de ECEF (Earth-Centered/Earth- Fixed).
Figura 7 - O sistema de coordenadas Cartesiano Espacial Geocêntrico
Fonte: Adaptada de Silva, 2015.
2.5.2 Sistema de coordenadas geodésicas (ou curvilíneas)
O sistema de coordenadas curvilíneas representa a posição dos pontos no espaço através da latitude (φ), da longitude (λ) e da altitude elipsoidal (h), quando adotado o elipsoide como superfície de referência, ou quando adotado a esfera como superfície de referência.
A latitude elipsoidal de um ponto é o ângulo formado entre a normal (N) que passa pelo ponto e o plano equatorial, com valores de 0° a 90°, Norte (+) ou Sul (-).
A longitude geodésica é o ângulo formado no plano equatorial entre o meridiano convencional de Greenwich e o meridiano que passa pelo ponto considerado, com valores de 0° a 180°, Leste (+) ou Oeste (-).
Figura 8 - Representação das coordenadas curvilíneas elipsoidais e altura elipsoidal do ponto P
Fonte: Adaptado de Zannetti, 2006.
2.6 Sistema Geodésico de Referência
Sistema Geodésico de Referência é formado por um conjunto de parâmetros que definem a forma e as dimensões da Terra utilizados em um modelo adotado por determinada instituição ou país. Alguns exemplos desses parâmetros são o elipsoide e sua geometria, a velocidade de rotação, a constante gravitacional e o fator dinâmico de forma J2. Um sistema geodésico é materializado por um conjunto de
pontos geodésicos implantados na superfície terrestre descritores dessa superfície na Terra como um todo ou em uma determinada região de interesse.
Silva (2015) destaca suas finalidades, que vão desde o atendimento a projetos científicos, amarrações e controle de trabalhos geodésicos até o apoio aos levantamentos topográficos.
No Brasil o SGB adota o Sistema Internacional de Referência Geodésico para a América do Sul (SIRGAS).
2.6.1 Sistema Geodésico Brasileiro – SIRGAS
a) Referência (“amarração”) geodésica global: Internacional Terrestrial Reference System (ITRS) materializado pelo Internacional Terrestrial Reference Frame (ITRF);
b) Figura geométrica para a Terra: Elipsoide do Sistema Geodésico de Referência de 1980 (Geodetic Reference System 1980 – GRS80);
c) Datum vertical: Imbituba (SC);
d) Origem do sistema: Centro de massa da Terra;
e) Orientação: Polos e meridianos de referência consistentes em ±0,005” com as direções definidas pelo BIH (Bureau Internacional de Heure) em 1984,0;
f) Época de referência das coordenadas: 2000,4.
2.7 Métodos de Posicionamento por GNSS
O GNSS é o sistema global de navegação por satélites que contempla sistemas de navegação com cobertura global, de uma ou mais constelações de satélites, que permite determinar a posição de pontos no globo terrestre com relação a um referencial específico. Este posicionamento pode ser classificado como absoluto ou diferencial.
2.7.1 Posicionamento diferencial
O posicionamento diferencial é quando as coordenadas são determinadas com relação a um referencial materializado por um ou mais vértices com
coordenadas conhecidas. Neste caso, é necessário que dois ou mais receptores GNSS coletem dados simultaneamente para que ao menos um dos receptores ocupe um vértice de referência.
O posicionamento diferencial pode ser estático ou cinemático, em tempo real ou pós-processado e utilizando somente a observável código ou código mais fase da onda portadora.
2.7.1.1 Posicionamento Diferencial Estático
Esta é a técnica pioneira das aplicações, talvez devido à praticidade e simplicidade. No posicionamento relativo estático, tanto o ou os receptores dos vértices de referência quanto o ou os receptores dos vértices de interesse devem permanecer estacionados (estáticos) durante todo o levantamento.
2.7.1.2 Posicionamento Diferencial em Tempo Real (Real Time Kinematic - RTK)
A técnica de levantamento RTK é similar à técnica de levantamento DGPS, diferenciando-se desta pelo fato de utilizar as medições das fases das portadoras e das pseudodistâncias (código) para a medição das distancias entre os satélites e as antenas GNSS, ao invés de somente as pseudodistâncias.
No modo RTK existe uma comunicação entre a antena do receptor base e a antena remota. Através deste link as correções (com base em fase e/ou código) geradas na base são transmitidas para o receptor remoto. O receptor remoto explora as correções recebidas e as combina com as suas observações para determinar em tempo real as suas próprias coordenadas com uma precisão de aproximadamente 10 mm na horizontal e 20 mm na vertical.
2.8 Fotogrametria
Segundo Coelho e Brito (2007) etimologicamente, a palavra fotogrametria vem do grego photon (luz), graphos (escrita) e metron (medições) e significa medições executadas através de fotografias. Outra forma de expressar o termo seria
a ciência e tecnologia de se obter informação confiável por meio de imagens adquiridas por sensores.
Pode-se classificar, segundo Coelho e Brito (2002), vários objetivos da fotogrametria, sendo uma das principais a redução do trabalho de campo no levantamento de coordenadas de um ou vários objetos e o tempo de obtenção de tais informações. Contudo, o principal objetivo da fotogrametria é “a reconstrução de um espaço tridimensional, chamado de espaço-objeto, a partir de um conjunto não- vazio de imagens bidimensionais, chamado de espaço-imagem.
Segundo Silva (2015), há diversas razões pelas quais o termo sensoriamento remoto se tornou restrito ao uso de sensores de radiação eletromagnética. Em primeiro lugar, a radiação não necessita de um meio de propagação, como os demais campos. Assim sendo, os sensores puderam ser colocados cada vez mais distantes dos objetos a serem medidos, até que passaram a ser colocados em satélites, dando também uma conotação de distância física à palavra “remoto”.
Os sistemas de sensoriamento remoto fornecem dados para diversas aplicações e podem ser utilizados em áreas urbanas, para fins de cadastro, planejamento urbano e apoio ao setor imobiliário. Percebe-se a grande utilização na geologia, cartografia, oceanografia, hidrologia e na área florestal.
É importante entender que para cada trabalho executado, utiliza-se um tipo de sensor, por isso é importante conhecer as suas características para que se possa ter o máximo de resolução espacial espectral e radiométrica.
Nos sensores ópticos, a resolução espacial está relacionada diretamente ao campo de visada do sensor (Field of View) e do campo de visada instantâneo do inglês Instantaneous Field of View (IFOV). A figura 2 ilustra a diferença entre FOV e IFOV (Fonte: Livro Sensoriamento Remoto).
O IFOV é o ângulo de visibilidade instantânea do sensor e determina a área da superfície terrestre que é “vista” pelo mesmo. A dimensão da área do terreno é determinada pelo IFOV e pela distância do sensor à superfície imageada.
O FOV define a largura da faixa imageada pelo sensor.
D = Hβ Onde:
D = distância do elemento de amostragem no terreno (em metros);
H = altura da plataforma (em metros);
Β = IFOV (em radianos).
Onde:
D = dimensão do detector (metros)
F = distância focal do sistema óptico (metros)
A figura 10 e 11 ilustra o IFOV para que seja possível perceber a relação entre as propriedades do sensor e a resolução espacial na superfície.
Figura 9 - Diferença de FOV e IFOV
Fonte: Adaptado de Novo, 2010.
Figura 10 - IFOV
Fonte: Adaptado de Novo, 2010.
A figura 12 mostra o recobrimento longitudinal de uma fotografia aérea. O planejamento aerofotogramétrico é geralmente planejado para prover aproximadamente 60% de superposição entre fotografias. Isso permite a obtenção da estereoscopia (3D) quando as duas são usadas em estereoscópio. A superposição entre faixas de voo varia de 20% a 40% e é chamada de Recobrimento Lateral.
Figura 11 - Recobrimentos lateral e longitudinal em uma imagem fotogramétrica
Fonte: Adaptada de Novo, 2015.
É importante distinguir entre o elemento de resolução no terreno e o tamanho do pixel. A grande maioria das imagens dos sensores remotos é formada por matrizes de elementos de imagem ou pixels. Os pixels das imagens são geralmente quadrados e representam certa área no terreno.
Se um sensor tem uma resolução de 20 metros e uma porção da imagem é visualizada em resolução plena, o pixel e a resolução são termos equivalentes.
Neste caso, o tamanho do pixel e a resolução espacial são os mesmos. Entretanto, é possível visualizar uma imagem com o tamanho do pixel maior do que a resolução do sensor.
2.8.1 Fotogrametria Digital
A fotogrametria digital surgiu, nos anos 80, e teve como grande inovação a utilização de imagens digitais, fonte primária de dados. A imagem digital pode ser adquirida diretamente de uma câmara digital, através da digitalização matricial de uma imagem analógica, submetendo-a a um scanner.
Nos anos 90, esse ramo da fotogrametria realmente pôde ser usado de maneira extensiva, graças ao desenvolvimento de computadores com capacidade suficiente para o processamento interativo de imagens digitais, gerando elevados volumes de dados. O restante do processamento se dá de maneira semelhante à fotogrametria analítica, sendo possível, hoje em dia, a elaboração de produtos digitais (além das cartas digitais) que necessitam de processamento computacional extremamente elaborado, como as ortoimagens ou imagens ortorretificadas (imagens em perspectiva ortogonal) e os mosaicos digitais, que consistem na junção de várias imagens. Esses mosaicos são considerados não-controlados, se não houver tratamento sobre as imagens, ou controlados, caso as imagens já houverem sido ortorretificadas.
Os aparelhos atualmente empregados também mudaram. São chamados de estações fotogramétricas digitais (ou seja, estações de trabalho inteiramente voltadas para a fotogrametria). Computadores comuns também podem ser aproveitados para esse fim e são chamados de computadores repotencializados por receberem hardware e software específicos.
2.8.1.1 Pontos de apoio Aerofotogramétrico
Os pontos de apoio aerofotogramétricos são pontos no terreno com coordenadas conhecidas em um determinado sistema de referência e que podem ser claramente identificadas na fotografia, que servem de orientação.
De maneira geral, os pontos de controle devem ser identificáveis e bem definidos em todas as fotografias, situados em locais adequados e, posteriormente, levantados e executados depois da obtenção das mesmas. Ainda, serem, simetricamente, centrados no ponto de controle e terem dimensões que
proporcionem uma imagem adequada na fotografia. As dimensões do alvo devem ser escolhidas com base na escala desejada para fotografia.
Vários são os tipos de alvos artificiais usados como ponto de apoio fotogramétrico. É desejável que tenha uma cor que possibilite um bom contraste de cores.
2.8.1.2 Fases do processo de produção fotogramétrica
Neste item será apresentada a sequência de procedimentos necessários para a geração de produtos fotogramétricos em sua Estação Fotogramétrica Digital.
Preparação – A fase de preparação começa com a definição do projeto, incluindo informações sobre o tamanho do projeto, tolerâncias, escala, calibração da câmera, pontos de controle e parâmetros do sistema.
Procedimentos de orientação - O processo de orientação determina o relacionamento entre o sistema de coordenadas da câmera e da imagem. Consiste em transformar as coordenadas das marcas conhecidas na fotografia para os valores fornecidos pelo certificado de calibração da câmera.
Aerotriangulação - Na fotogrametria digital, a aerotriangulação é realizada para obtenção das coordenadas dos pontos de apoio fotográfico sendo automatizada significando redução de tempo no processo de produção fotogramétrica. A execução desta operação é feita pelo método de correlação de imagem, envolvendo preparação do bloco de fotos, medição, cálculos e ajustamento das observações.
Produção de Ortofoto Digital – A ortofoto equivale geometricamente ao mapa, com projeção ortogonal, de modo que, todos os pontos se apresentam na mesma escala. Assim todos os elementos presentes nas fotografias podem ser medidos, vetorizados e representados na forma de mapas sendo possível a medição de distancias, posições, ângulos e áreas.
2.8.1.3 Resolução espacial do pixel no terreno e a escala do mapa
Segundo Brito (2002), quando se trata de imagens aéreas da superfície terrestre obtidas por meio de sensores digitais aerotransportados, o detalhe mais
importante para a definição da precisão e da acurácia com que se necessita obter o produto cartográfico não é a escala da foto e a altitude de voo, como no caso de câmeras aéreas convencionais, e sim o tamanho ou resolução espacial do pixel no terreno, também conhecido com GSD (em inglês, Ground Sample Distance).
Para a definição do GSD, que corresponde ao tamanho do pixel no terreno, este parâmetro está para a fotogrametria digital como a escala do voo (calculada como a razão entre a distância focal e a altura de voo) está para a fotogrametria convencional. Podendo-se calcular a GSD como:
Sendo,
hv – Altura de Voo,
f – Distância Focal da Câmera
d = Dimensões Físicas do Pixel no Sensor CCD.
Segundo a Comissão Nacional de Cartografia (CONCAR), para que um produto digital possa ser aceito como produto de referência do Sistema Cartográfico Nacional (SCN), e consequentemente para a Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE), a exemplo do previsto para o Padrão de Exatidão Cartográfico (PEC) para produtos impressos em papel, noventa por cento (90% ou 1,6449*EMQ) dos erros dos pontos coletados no produto cartográfico/topográfico (ortoimagem), quando comparados com as suas coordenadas homólogas levantadas em campo por método de alta precisão, devem apresentar valores iguais ou inferiores aos previstos no Padrão de Exatidão Cartográfico (PEC) e Produtos da Cartografia Digital (PCD). Também devem apresentar valores de EMQ também iguais ou inferiores aos previstos conforme indicado a seguir.
Na Tabela 2, o PEC-PCD Planimétrico e o EP das classes “B”, “C” e “D”
correspondem, nessa ordem, as classes “A”, “B”, “C” do PEC Planimétrico previstas no Decreto nº 89.817, de 20 de junho de 1984.
Tabela 2 - PEC-PCD Planimétrico
Fonte: CONCAR, 2011.
A Tabela 3 estabelece o PEC-PCD para os Modelos Digitais de Terreno (MDT), de Elevação (MDE) e de Superfície (MDS) e para os Pontos Cotados. Os valores previstos para a classe “A” (PEC-PCD) foram definidos a partir de adaptações dos estudos realizados por Merchant (1982) e ASPRS (1989), nos quais o PEC-PCD = 0,27*Equidistância do produto cartográfico e o EP = 1/6*Equidistância do produto cartográfico. As classes“B”, “C” e “D” do PEC-PCD correspondem, em ordem, as classes “A”, “B”, “C” do PEC Altimétrico previstas no Decreto 89.817, de 20 de junho de 1984.
Tabela 3 - PEC-PCD para os Modelos Digitais de Terreno (MDT), de Elevação (MDE) e de Superfície (MDS)
Fonte: CONCAR, 2011.
Na Tabela 4, o PEC-PCD Altimétrico e o EP das classes “A”, “B” e “C”
correspondem, respectivamente, às classes “A”, “B” e “C” do PEC Altimétrico previstas no Decreto 89.817, de 20 de junho de 1984.
Tabela 4 - PEC-PCD Altimétrico
Fonte: CONCAR, 2011.
A seguir são indicadas, respectivamente, as fórmulas utilizadas para calcular o EMQ para a planimetria e altimetria.
em que: n – é o número de pontos da amostra
XiT , YiT – Coordenadas planimétricas obtidas em campo, para o ponto i XiC , YiC – Coordenadas planimétricas do mesmo ponto na Ortoimagem.
A fórmula a utilizar no cálculo do Erro Médio Quadrático para a altimetria:
em que: n – é o número de pontos da amostra
ZiT – Cota altimétrica obtida em campo, para o ponto i ZiC – Cota altimétrica do mesmo ponto na Ortoimagem.
2.9 Modelo Numérico de Terreno
Segundo Silva (2015), um DTM (Digital Terrain Model) ou MDT (Modelo Digital de Terreno) ou ainda MNT (Modelo Numérico de Terreno) pode ser definido como uma representação matemática computacional que descreve a superfície.
As funções matemáticas empregadas são denominadas interpolações e a superfície a ser apresentada é a superfície modelada. Ao conjunto formado pelos dados discretos, as funções de interpolação e os recursos de uso prático da superfície modelada dá-se o nome de MDT.
O Modelo Digital de Terreno pode ser empregado em variados ramos da engenharia que utiliza informações sobre relevo do terreno, como:
a) Traçado de curvas de nível;
b) Traçado de perfis do terreno;
c) Terraplanagem;
d) Cálculo de volumes;
e) Mapas de declividade;
f) Retificação de imagens aéreas para geração de ortofotos;
g) Outros.
Além dos produtos básicos descritos acima, dependendo da aplicação desejada, pode-se gerar:
a) Geração de mapas de declividade;
b) Determinação de linhas de visadas;
c) Determinação de redes de drenagem.
Aplicativos de computador desenvolvidos para tal fim realizam este tipo de trabalho. O programa contém módulos para a captura de dados, para a modelagem da superfície e para geração de produtos derivados.
O MDT desconsidera os elementos artificias do mesmo, como vegetação, construções e outros. Ao modelo que considera os elementos artificiais do terreno dá-se o nome de Modelo Numérico de Superfície - MNS ou Modelo Digital de Superfície - MDS.
Quando uma superfície é modelada a partir de pontos gerados automaticamente, tem-se um MDS. Para se obter o MDT, aplicam-se técnicas de
filtragem, a partir das quais, todos os elementos não pertencentes ao terreno são ocultados.
A aquisição dos dados de campo para modelagem de terreno consiste basicamente no emprego de técnicas de determinação de coordenadas tridimensionais de pontos característicos da superfície do terreno, conforme indicado a seguir:
a) Nivelamento geométrico;
b) Nivelamento trigonométrico;
c) Nivelamento a partir do GNSS;
d) Escaneamento terrestre;
e) Escaneamento aéreo LIDER ou RADAR;
f) Malhas de pontos geradas a partir de técnicas aerofotogramétricas manuais ou por correlação automática de imagens;
g) Digitalização de documentos cartográficos.
Independente da técnica de medição acima citada, o resultado será um arquivo com número do ponto e as coordenadas (N,E,Z) de cada ponto.
2.9.2 Estruturação dos dados
A estruturação dos dados coletados em campo consiste na estruturação geométrica dos mesmos, tendo em vista a modelagem da superfície e podendo ser pontual, triangular, malha regular e híbrida.
2.9.2.1 Estruturação dos dados em uma malha regular
A malha regular pode resultar diretamente na distribuição geométrica dos dados coletados em campo, que já podem ser levantados na forma de uma malha regular, ou pode resultar da aplicação de um método de interpolação em função dos pontos vizinhos aos vértices da malha.
Figura 12 - Grade retangular regular
Fonte: INPE, 2013.
2.9.2.2 Estruturação dos dados em uma rede triangular
Nesta estruturação, os dados coletados em campo são unidos 3 a 3 de maneira a formarem uma rede de triângulos uniNdo todos os pontos disponíveis para o modelo. A este processo de formação de triângulos dá-se o nome de triangulação ou TIN (Triangulação Irregular Network).
Existem três condições para a formação dos triângulos de um MDT:
a) Para cada conjunto de pontos o TIN gerado deve ser único;
b) A forma geométrica dos triângulos deve ser otimizada para que cada triângulo seja o mais equilátero possível;
c) Cada triângulo é formado pelos vizinhos mais próximos, ou seja, a soma dos três lados deve ser a mínima possível.
Segundo Truler (2015), existem inúmeros algoritmos para geração de TIN, mas o que satisfaz as três condições acima é o algoritmo de Triangulação de Delaunay. Este tipo de algoritmo inicia a escolha do ponto de partida de um ponto situado no centro geométrico do conjunto de dados, sendo que após isso o próximo passo consiste em encontrar o ponto mais próximo para formar a base do primeiro triângulo. Em seguida, cria-se um círculo com diâmetro igual à distância entre os pontos e verificam-se quantos pontos estão inseridos no círculo. Caso tenha apenas um ponto, ele é escolhido como o terceiro vértice do triângulo. Se houver mais de
