INTEGRAÇÃO DE SENSORES PARA MAPEAMENTOS RÁPIDOS NA AGRICULTURA DE PRECISÃO: DESENVOLVIMENTO E CALIBRAÇÃO DO SISTEMA

INTEGRAÇÃO DE SENSORES PARA MAPEAMENTOS RÁPIDOS NA

AGRICULTURA DE PRECISÃO: DESENVOLVIMENTO E CALIBRAÇÃO

DO SISTEMA

NILTON NOBUHIRO IMAI JOÃO FRANCISCO GALERA MÔNICO

PAULO DE OLIVEIRA CAMARGO UNESP/FCT, Departamento de Cartografia {hasegawa,nnimai,galera, paulo}@prudente.unesp.br

RESUMO - Este trabalho tem como objetivo apresentar um sistema de aquisição e processamento de dados que está sendo implementado para aplicações de Agricultura de Precisão e mostrar como a integração de geotecnologias pode ser utilizada para adquirir informações geográficas com agilidade. O sistema foi projetado para registrar os dados coletados por um receptor GPS, simultaneamente, a cada imagem adquirida pelo sistema. Foram realizadas adaptações no programa de fototriangulação, desenvolvido no departamento de Cartografia da FCT/UNESP, para integrar os dados fornecidos pelo GPS. A determinação dos elementos de calibração da câmara foi realizada, utilizando-se do procedimento das câmaras convergente. Devido à inclinação nas imagens a retificação foi implementada para dar maior fidelidade geométrica nas coordenadas calculadas. Para validar o processo foram realizados experimentos com o sistema em uma área teste montada nas dependências da FCT-Unesp, cujos resultados são apresentados no trabalho.

ABSTRACT - This paper present a system for acquisition and data processing, which is being implemented for precision farming applications and to show how to the integration of geotechnologies can be used for acquisition of geographical information in an easy way. The system was projected to register GPS collected data, simultaneously with each image registered by the system. Adaptations were accomplished in the phototriangulation program developed by the UNESP/FCT Cartography Department, in order to use positions provided by GPS. The camera calibration was performed using the convergent cameras procedure. Due to the camera inclination the retification was implemented to provide better geometric quality. To assess the process experiments were carried out in a test area. The results will be shown in this paper.

1. INTRODUÇÃO

O reconhecimento intuitivo, pelo agricultor, de que as plantas, o solo, a atmosfera, assim como os diferentes níveis de interação entre os fatores ambientais são intensamente afetados pela posição geográfica das áreas de cultivo, se refletia nas técnicas de manejo adotadas em produções de menor escala. Nesses sistemas de produção, o agricultor realizava tratamento diferenciado conforme a posição da cultura no terreno, ainda que baseado em conhecimento informal e não sistematizado. Infelizmente, devido às complexas interações entre os diferentes fatores determinantes da produção, a operação informal desses sistemas de informação utilizados cotidianamente pelos agricultores, os impede de adquirir, organizar, armazenar e processar dados sistematizados sobre os processos produtivos explorados na propriedade, dificultando o ajuste do desempenho das culturas ao meio ambiente. Nesse contexto, a adoção de processos mecanizados característicos das áreas de produção muito extensas dificulta, ainda mais, esse ajuste. Dessa forma, a

impossibilidade de gerenciar um grande volume de dados e usar sistematicamente a informação gerada como um dos principais insumos de suporte ao aprimoramento da produção agrícola, ainda atribui ao agricultor nacional, baixa competitividade.

Contudo, a adoção de geotecnologias como o Sistema de Posicionamento Global (GPS), o Sistema de Informações Geográficas e o Sensoriamento Remoto, introduziu a agricultura num novo ciclo de revoluções tecnológicas, denominado “revolução da informação”, caracterizado pelo uso intenso da tecnologia da informação espacial, da qual considera-se que a Agricultura de Precisão seja uma conseqüência.

A relevância da Agricultura de Precisão conduziu a Unesp de Presidente Prudente, em conjunto com a Embrapa (Centro Nacional de Pesquisa da Soja -CNPSo) e a Unesp de Botucatu, com o apoio do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), a proporem o desenvolvimento de um projeto para o estudo e implementação de um sistema de gerenciamento localizado de recursos da produção com soja, denominado “Processos precursores e implementação da Agricultura de Precisão em sistemas integrados de produção com soja:

qualidade e sustentabilidade”. Esse projeto fundamenta-se no gerenciamento localizado dos recursos utilizados na produção de soja, considerando sub-áreas homogêneas.

Dentre os desafios a serem superados por essa proposta pode-se destacar a necessidade de fontes de dados que viabilizem a obtenção de informações a respeito dos fatores ambientais que influenciam o desenvolvimento de uma produção agrícola. Nesse sentido, imagens multiespectrais podem constituir fonte de dados adequada para obter essas informações quando obtidas de forma a possibilitar tratamento tanto da sua geometria quanto das respostas espectrais. Entretanto, os sistemas orbitais de aquisição de imagens multiespectrais não são capazes de adquirir, sistematicamente, dados de culturas de verão, livres de cobertura de nuvens, nas regiões sul e sudeste do país. Um sistema de aquisição de imagens digitais multiespectrais aerotransportado pode constituir uma alternativa que viabilize o uso das imagens de sensoriamento remoto para obter informações georeferenciadas necessárias em aplicações de Agricultura de Precisão.

Desta forma, este trabalho apresenta o sistema de aquisição e processamento de dados que está sendo implementada para aplicações de Agricultura de Precisão, mostrando como a integração de geotecnologias pode ser 2. CONCEPÇÃO DO SISTEMA

Mapeamentos rápidos são muito importantes para diversas aplicações como: Agricultura de Precisão, gerenciamento de assentamentos rurais e gestão de recursos naturais. Devido ao dinamismo associado aos

xxxx

fenômenos naturais, de interesse a essas aplicações, é primordial que as informações georeferenciadas, que subsidiam os processos de tomada de decisões, sejam adquiridas com a rapidez exigida pela evolução de cada fenômeno. Não se pode tomar a decisão mais adequada quando a informação necessária não está disponível a tempo de interferir no processo evolutivo de interesse.

As aplicações mencionadas requerem que as informações adquiridas sejam integradas a uma base de dados geográficos. Desta forma, os dados adquiridos por um sensor de imageamento devem ser georeferenciados e, em alguns casos, retificados para análise temporal. Apesar de ser possível utilizar pontos de apoio cuja localização seja conhecida, a tarefa de levantar esses pontos pode implicar em elevação significativa dos custos de aquisição da informação. Dados sobre a posição da câmara no momento da aquisição de cada imagem podem ser úteis ao processo de reconstrução, garantindo maior fidelidade à forma dos objetos imageados. Nessa concepção, o sistema é composto por dois sub-sistemas: de Aquisição de Dados e de Processamento e Análise desses dados.

2.1. SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS

No processo de aquisição, os receptores GPS integrados no sistema devem fornecer dados auxiliares que podem tornar a imagem mais adequada à finalidade. Desta forma, o sistema foi projetado para registrar os dados coletados por um receptor GPS, simultaneamente a cada imagem adquirida pelo sistema. Nesse sentido, foram realizadas ligações entre a câmara digital e o receptor GPS com o PC a partir das portas de comunicação RS-232 (serial). A figura 1 mostra um esquema dessas ligações.

câmara sinal de vídeo analógico R S -232 fram e grabber portas d e comunicação computador GPS teclado arquivos de im a g e m dados d igitais de imagens com u n icação R S -232 controle da câm a ra Monitor do computador Visualização de imagens coletas pela câm a ra

Figura 01: Sistema de aquisição – Conexão da Câmara IR com o GPS a partir do computador – (Fonte: Duncan Tech - Manual).

2.1.1. Câmara Digital

A câmara da DuncanTech é completamente digital e os dados de imagem são gerados em formato digital. Para adquirir os dados de imagem, com esse tipo de câmara, o sistema deve ter um frame grabber capaz de realizar aquisição paralela de um número apropriado de canais de imagens digitais à profundidade correta de bits. Um frame

grabber digital é um dispositivo capaz de ler os dados

digitais de pixels produzidos pela câmara e transferir essa informação para a memória do computador como uma imagem. Essa câmara digital é do tipo “colorido infra-vermelho” (CIR) na qual as bandas correspondentes ao vermelho, verde e infra-vermelho próximo podem ser adquiridas. A quarta porta de comunicação pode ser usada para dados processados caso a câmara digital fosse configurada para realizar processamento interno. A figura 2 mostra um esquema dessa câmara digital.

Figura 2. Esquema da câmara digital (Fonte: : Duncan Tech – Manual)

2.1.2. Receptor GPS

A integração entre os sensores GPS e a câmara digital pode ser realizada de duas formas: usando o sinal GPS com pulsos de um segundo ou pelo tempo de disparo do obturador (ASHTECH, 1994).

No caso da técnica que usa pulsos de um segundo do GPS, o sinal enviado serve de impulso para disparar o obturador da câmara ou um processo de armazenamento de imagem. Nesse procedimento há um “atraso do sinal”, ou seja, desde o momento que o receptor recebeu o sinal até o disparo do processo de coleta de uma imagem decorre um tempo. Para câmaras métricas com dispositivos (adaptadores) para controle de disparo via sinal GPS há uma incerteza de 0,010 segundo (ASHTECH, 1994).

Pelo tempo de disparo do obturador, o sinal de sincronização é enviado pela câmara para o receptor GPS, através do dispositivo (adaptador) de controle de disparo. Nessa técnica o sincronismo entre o disparo do obturador e posição da antena GPS não acontece, mas o tempo do disparo é registrado para um posterior pós-processamento. A posição gerada pelo GPS é decorrente do intervalo de tempo registrado para capturar as observações que, geralmente, não coincide com o do disparo. Assim, a posição do centro de fase da antena GPS, no instante do disparo, é obtida pela interpolação entre os tempos adjacentes para calcular a posição da câmara.

2.1.3. Integração de Sensores

Um sinal, oriundo do receptor GPS, recebido pela porta serial e controlado por um programa no PC foi usado para sincronizar a captura da imagem e a aquisição de dados posicionais. Desta forma, esse procedimento assume um erro sistemático constante no sincronismo entre o instante da coleta da posição pelo receptor GPS com o instante da coleta da imagem.

O aplicativo administra a aquisição e o armazenamento dos dados em arquivos no disco do PC. O monitor de vídeo do computador e o teclado são usados como uma interface com o operador para controle do sistema. Para testar e validar um protótipo desse sistema, foi construída uma estrutura metálica sobre uma carreta agrícola, com uma fonte de energia própria (gerador). A figura 02 mostra a estrutura montada na carreta.

(a)

(b)

Figura 02: (a) - Sistema de aquisição montada sobre uma carreta; (b) - Estrutura montada sobre a carreta agrícola.

2.1.4. Integração dos Programas de Aquisição de Imagens com o Sinal GPS.

O processo de aquisição de imagens digitais, controlado pelo sinal GPS, foi implementado adaptado-se um programa a partir das sub-rotinas disponibilizadas pelo fabricante do frame grabber (National Instruments).

O sistema de aquisição, com as comunicações estabelecidas, realiza o processo com duas aplicações integradas: uma recebe o sinal GPS e o outra adquire as imagens. O receptor GPS envia ao PC, através da porta serial, um bloco de informações, programados neste projeto com intervalo de um segundo. O programa recebe o sinal GPS, desenvolvido em linguagem C - DOS, cria um contador e o grava em um arquivo no disco rígido. O programa de aquisição das imagens faz a leitura desse arquivo e grava, no disco rígido, a hora (do computador) e a imagem contida no buffer da placa da câmara, conforme o intervalo estabelecido no projeto.

2.2. SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE DADOS

2.2.1. Posicionamento com GPS

Posicionamento diz respeito à determinação da posição de objetos com relação um referencial específico. Pode ser classificado em posicionamento absoluto ou relativo. O objeto a ser posicionado pode estar em repouso, ou em movimento, o que gera um complemento à classificação com respeito ao referencial adotado. No primeiro caso, trata-se do posicionamento estático, enquanto o segundo diz respeito ao posicionamento cinemático (Monico, 2000).

No posicionamento absoluto ou por ponto, as coordenadas estão associadas diretamente ao geocentro e, no relativo, a posição de um ponto é determinada em relação à de outros(s) cujas coordenadas são conhecidas.

No primeiro caso é necessário apenas um receptor para a determinação das coordenadas de um ponto, enquanto no relativo, o usuário deve dispor de no mínimo dois receptores, ou utilizar apenas um, e dispor de dados obtidos de um ou mais estações de referências dos Sistemas de Controles Ativos. Como exemplo, no Brasil, tem se a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC). Pode-se ainda utilizar o DGPS (Differential

GPS), WADGPS (widre area DGPS) e o RTK (Real Time Kinematic), no caso do posicionamento relativo

cinemático em tempo real.

Em fotogrametria a aplicação mais comum do GPS é o estabelecimento de pontos de apoio para a fototriangulação. No entanto, o potencial de aplicação vai muito além; compreendendo fases desde a execução do vôo, determinação dos centros perspectivos, até a determinação de atitude da câmara (Dal Poz e Camargo,1998).

2.2.2. Calibração da Câmara

A câmara de vídeo digital MS3100-CIR possui um

chip CCD de 6,4x4,8mm com 1392x1040 detectores,

arranjados como uma matriz, cujo tamanho é de 0,0046mm. As objetivas (intercambiáveis) podem ser trocadas, as quais estão disponíveis nas distâncias focais de 17,00 e 28,00 mm. Neste trabalho, assumiu-se que o tamanho do chip de CCD utilizado seja de 34,8x26mm, tornando-a equivalente a uma câmara analógica de 35mm. Assim, para manter o relacionamento da geometria interna da câmara MS3100-CIR, a distância focal nominal de 17,00mm deverá ser substituída pela distância de 93,00mm, com o pixel de 0,025mm de dimensão.

As equações de colinearidade, acrescidas de parâmetros intrínsecos é o modelo funcional para calibração (LUGNANI, 1987). O modelo matemático de calibração, utilizado neste trabalho, considera três componentes: a distorção radial simétrica, a distorção descentrada e os parâmetros de afinidade (GALO, 1993 e GALO et al, 1999). Neste trabalho, serão determinados somente os parâmetros k1, x0, y0, A e B, pois os outros, para câmaras de pequeno formato, podem ser negligenciados devido à pequena influência dos seus efeitos ( GALO, 1993).

2.2.3. Fototriangulação por feixes perspectivos com injunção Posicional dos CPs.

O processo de fototriangulação consiste em determinar coordenadas de pontos no espaço objetos (X, Y e Z), a partir de observações realizadas nas imagens, com um mínimo de informações do sensor, juntamente ao conhecimento das coordenadas de alguns pontos (apoio) no terreno. Na solução da fototriangulação determina-se, simultaneamente, além das coordenadas dos pontos no espaço objeto, os parâmetros de orientação exterior de todas as fotografias envolvidas no processo, para tanto, ela depende das coordenadas (determinadas no terreno) de alguns pontos de apoio.

Receptor GPS Estabelecimento Comunicação GPSà PC Micro Computador Câmara – InfraVerm. Placa de aquisição Sinal proveniente do GPS Transmissão de 7,5 imagens por segundo Sinal GPS Programa 01: - recebe o sinal GPS – - gera um contador – arquivo em disco. Programa 02: - lê o arquivo e - captura a imagem – em função do ∆t estabelecido. - Armazena a imagem no disco. Looping até que o processo deja abortado

Figura 03: Fluxograma do processo de aquisição de imagens georeferenciadas.

Assim, para diminuir a quantidade de pontos de apoio terrestre necessários para o processo de reconstrução 3D, o conhecimento da posição dos centros perspectivos (CP) da câmara vem contribuir de forma significativa no processamento da fototriangulação. Essa determinação pode ser realizada integrando-se vários sensores (câmara, GPS e sistema inercial). Neste trabalho foi realizada a integração, somente, da câmara digital como GPS, a fim de determinar a posição espacial do centro perspectivo. A figura 04 representa a geometria do sistema montado.

Na figura 04, existem três sistemas de coordenadas : x’, y’ e z’ representa o sistema de coordenadas fotogramétricas; XL, YL e ZL representa o sistema de coordenadas cartesianas local; XG, YG e ZG representa o sistema de coordenadas cartesianas geocêntrico – relativo ao WGS84;

Na integração dos sensores, conforme o esquema mostrado na figura 04, o centro de fase da antena GPS não coincide com o centro perspectivo da câmara, gerando assim três parâmetros de translação (∆x’, ∆y’,

∆z’). Os valores de ∆x’, ∆y’ e ∆z’ são as coordenadas do centro de fase da antena GPS no sistema de coordenadas fotogramétrica. Essa posição excêntrica (CF) da posição da antena GPS em relação ao centro perspectivo da câmara pode ser escrita como:





















∆

∆

∆

+





















=





















'

'

'

z

y

x

R

Z

Y

X

Z

Y

X

XCF, YCF e ZCF são as coordenadas do centro de fase da antena GPS, no referencial local;

XCP, YCP e ZCP são as coordenadas do centro perspectivo da câmara, no referencial local; e

R é a matriz de rotação da câmara, definidos pelos ângulos de Euler.

A equação 01 deverá ser tratada, no processamento da fototriangulação simultânea do bloco, como observações adicionais. Desta forma, foi realizada uma adaptação no programa de fototriangulação de modo a possibilitar a determinação do deslocamento da posição do centro de fase da antena GPS no sistema fotogramétrico, nesse caso, mais três parâmetros incógnitos são acrescidos na solução do sistema. Na prática, determinam-se os valores de ∆x’, ∆y’, ∆z’ por métodos diretos (medindo com teodolitos ou colocando a antena na direção do eixo ótico da câmara). Desta forma, as equações 01 são tratadas como observações adicionais e os parâmetros definidores do centro de fase da antena GPS como sendo conhecidos (injuncionados).

2.2.4. Retificação Fotogramétrica de imagens digitais. Uma das alternativas para realizar um mapeamento rápido e a baixo custo é a geração de mapas a partir de imagens obtidas de uma câmara digital. Essa técnica possibilita a aquisição das imagens em plataformas móveis, que podem ser adaptadas em qualquer condição de tomada.

No entanto, essas imagens são, geralmente, adquiridas com grandes inclinações (devido à impossibilidade de estabilizar a plataforma de forma adequada) em levantamentos fotogramétricos de modo cinemático, provocando erros devido à inclinação, além dos provocados pela variação do relevo.

Assim, para diminuir o erro no mapeamento, devido à inclinação, pode-se retificar as imagens. Esse produto é mais apropriado para realizar um mapeamento rápido, devido à sua maior fidelidade geométrica. Ainda, no caso de mapeamentos de culturas mecanizadas, o fator deslocamento do relevo pode ser negligenciado pois, no caso de grãos cultivados em território nacional, o relevo das áreas aproveitadas é pouco movimentado.

A retificação é o processo de fabricação de uma imagem vertical equivalente de uma imagem inclinada (WOLF-1988; LUGNANI-1987). Para gerar uma imagem

ZG O L G YG ZL YL XL ∆z’ ∆y’ f y’ x’ CF z’ CP XG ∆x’ Antena GPS Centro Perspectivo

Figura 04: Modelo esquemático do sistema de aquisição monitorado por GPS – Sistemas de coordenadas envolvidos no sistema.

retificada faz-se necessário à realização da orientação interior das coordenadas medidas para a determinação dos parâmetros de orientação exterior da imagem.

A orientação interior é realizada corrigindo os erros provocados pelas distorções das lentes e deslocamento do ponto principal (valores estes determinados no processo de calibração da câmara) e quando necessário (dependendo da altitude de vôo) da refração fotogramétrica.

Para realização da Orientação Exterior pode ser utilizada a técnica chamada de Resseção Espacial ou fototriangulação, o modelo matemático utilizado é a equação de colinearidade.

A imagem retificada é obtida transferindo tons de cinza de uma imagem digital para uma malha fina e regular, que representa a projeção ortogonal, ou seja, em um sistema de coordenadas 3D com a coordenada Z constante. Para isso são necessários: a imagem digital da área, os valores das orientações interior e exterior. A figura 05 representa o processo de geração de uma foto retificada.

A geração da imagem digital retificada pode ser realizada através de dois métodos: direto e indireto, de forma semelhante ao da produção de ortofoto. Neste trabalho foi implementado o método indireto de geração da imagem retificada.

O método indireto consiste, em projetar os pixels da imagem retificada para a imagem digital, através da equação de colinearidade direta, e um processo “inverso” de correção de erros sistemáticos. Em outras palavras, é necessário introduzir todos os erros sistemáticos para encontrar, na imagem bruta de entrada, a posição correta do ponto projetado.

Entretanto, é usual realizar na prática apenas a transformação do referencial fotogramétrico para o fiducial (translação do ponto principal), e deste para o digital (Coluna e Linha) utilizando-se da transformação afim. Posteriormente, é necessário aplicar algum método de interpolação de tons de cinza.

Este método é, portanto, composto por três etapas:

- transformação de pixels do referencial da imagem retificada para o referencial fotográfico;

- transformação do referencial fotográfico para o referencial da imagem digital; - reamostragem radiométrica.

O método indireto realiza, em relação ao método direto, um processo inverso para transferência dos tons de cinza da imagem de entrada para a imagem retificada. 3. Experimentos e Resultados

Para validar o processo foram realizados experimentos com o protótipo implantado na carreta numa área teste instalada nas dependências da FCT-Unesp, cujos resultados são apresentados neste trabalho.

O receptor GPS Reliance foi utilizado para a determinação da posição do CP, coletando sinais dos satélites e enviando-os para o PC, de segundo em segundo. Esses dados foram processados com a técnica de posicionamento relativo cinemático pós-processado. Duas estações bases foram instaladas para o processamento. Para o processo de determinação do deslocamento do centro de fase da antena em relação ao CP foram realizadas: observações topográficas e fotogramétricas, utilizando pontos de apoio levantados por GPS, no modo relativo estático.

3.1. Tomada fotográfica

O processo de gravação da imagem no disco rígido é um dos fatores definidores do intervalo de tempo entre tomadas consecutivas, com a configuração utilizada no sistema montado, cada imagem gravada demora três segundo para liberar o acesso para nova operação no PC. Desta forma, os intervalos entre as tomadas fotográficas não poderiam ser menores que 3 segundos. Neste trabalho, adotou-se o intervalo entre as tomadas de 4 segundos, configuração que permitiu superposição entre fotos consecutivas maior que 60%. O controle para o disparo da câmara foi realizado utilizando-se dos sinais GPS (de segundo em segundo) recebidos pela porta serial, neste caso no quarto sinal o programada armazenava a imagem no disco rígido.

Para identificar a posição correspondente ao instante da aquisição da imagem, sincronizou-se o relógio do PC com o do GPS, antes da aquisição. Após o pós-processamento das observações foi identificada a imagem e a posição correspondente dada pelo GPS, verificando-se os instantes registrados nos arquivos de sincronismo.

3.2. Posicionamento com GPS

As coordenadas dos pontos de apoio, num total de 48 pontos, foram determinadas utilizando-se da técnica de posicionamento semicinemático pós-processado. O receptor Z-12 Field Suveyor foi utilizado como base na estação com coordenadas conhecidas e o Reliance como móvel. A taxa de coleta de dados em ambos os receptores foi de 1 segundo. Na estação móvel, cada ponto foi Figura 05: Modelo de geração de imagem retificada.

ocupado durante 1 minuto. A precisão (1σ) dos pontos levantados para as componentes horizontais foi da ordem de 1,6 cm e para a componente h de 4,3 cm. A figura 06 mostra a disposição dos pontos de apoio utilizados no processamento.

Para a determinação do CP foi utilizado o posicionamento cinemático pós-processado. Neste caso, a cada 1 segundo foi realizado uma determinação do CP, durante o trajeto do trator, ao mesmo tempo em que eram tomadas as imagens. No percurso total foram determinadas 2172 posições, e a precisão (1σ) das componentes horizontais foi da ordem de 0,2 cm e para h de 4,4 cm. A figura 07, mostra o percurso realizado pelo trator para a aquisição das imagens e de posicionamento.

3.3. Processamento dos dados

3.3.1. Calibração da Câmara

Para que as informações geométricas contidas nos sensores digitais possam ser utilizadas com finalidade de reconstrução 3D, faz-se necessário à determinação das constantes de orientação interior do sensor, condição esta que é alcançada calibrando-se a câmara. Essa calibração consiste, basicamente, na determinação dos parâmetros intrínsecos de orientação interior, simulando uma câmara ideal.

Desta forma, foram obtidas imagens dos pontos de pontos de apoio levantados por GPS com diversas inclinações (convergentes), a figura XX representa essa configuração.

Os valores dos parâmetros calibrados, são apresentados na Tabela 01, cujo processamento foi realizado com programa desenvolvido por Galo (1993). Tabela 01: - Valores obtidos na calibração da câmara

digital MS-3100

Parâmetros Valor Desvio-padrão

F 88.2272 mm ±0.7785

X0 0.2169 mm ± 0. 6407

Y0 1.5233 mm ± 4.3710

K1 -0.1311934x10-04 ±0 .6175x10-05 3.3.2. Fototriangulação com equações de observação do CP

Para determinar o deslocamento entre o centro perspectivo e o centro de fase da antena foi modificado o programa de fototriangulação, introduzindo essas informações como observações adicionais no processamento. Para validar este procedimento e verificar a eficiência da utilização da informação de posição do centro de fase da antena GPS, foram gerados vários experimentos, simulando um bloco com uma faixa com 10 fotos, apoiado por apenas quatro (4) pontos nos extremos.

Os dados foram gerados considerando a utilização de uma câmara grande angular (focal de 152,00 mm) na escala de 1/8000 sobre um terreno com variação de relevo de 100 metros.

As figuras 08, 09, 10 e 11 mostram os desvios padrão e as discrepâncias máximas dos processamentos utilizando diversas configurações de modelos e desvios nas observações dos dados simulados.

---- Deslocamento do trator para coleta de

Figura 07: Trajeto percorrido pelo trator na aquisição dos dados.

....

Os valores indicados nas Figuras xx1 a xx4, mostram que o processamento utilizando informações de posição do centro de fase da antena GPS como injunção aos centros perspectivos melhoram os resultados da fototriangulação, confirmando assim, a aplicação desse procedimento em projetos fotogramétricos.

No caso da determinação do deslocamento (∆x’, ∆y’, ∆z’), entre o CP e o CF, com os dados obtidos neste projeto, verificou-se uma tendência no centro perspectivo da câmara. A posição do centro perspectivo da câmara converge para a posição do centro de fase. Essa tendência pode estar ocorrendo devido à instabilidade do centro perspectivo, pois com a utilização das equações de observação (01) do centro de fase da antena GPS, verifica-se que há uma correlação com o centro perspectivo da câmara.

Desta forma, para verificar essa tendência, foram simulados três blocos com três fotos (15 pontos por modelo) e com 9 pontos de apoio (todas as fotos têm pontos de apoio) e com o CF deslocado de (3, 2, 1) metros do CP. Foram introduzidos erros aleatórios de 0,015 mm, 0,025 mm e 0,075 mm nas observações das fotocoordenadas, na qual, foram processados a fim de determinar os deslocamentos. A tabela 02 mostra os valores obtidos nesses experimentos.

-3 -2 -1 0 1 2 3 1 2 3

____ com injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ com injunção do CF, 6 pontos por modelo; ____sem injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ sem injunção do CF, 6 pontos por modelo;

Figura 11: Discrepâncias Máximas entre as coordenadas -observação gerada com desvio de 0,025 mm. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 2 3 (m)

____ com injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ com injunção do CF, 6 pontos por modelo;

____sem injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ sem injunção do CF, 6 pontos por modelo;

Figura 10: Desvios Padrão dos erros das coordenadas – observação gerada com desvio de 0,025 mm.

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 1 2 3 (m)

____ com injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ com injunção do CF, 6 pontos por modelo; ____sem injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ sem injunção do CF, 6 pontos por modelo;

Figura 09: Discrepâncias Máximas entre as coordenadas -observação gerada com desvio de 0,015 mm. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1 2 3 (m)

____ com injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ com injunção do CF, 6 pontos por modelo; ____sem injunção do CF, 15 pontos por modelo; ____ sem injunção do CF, 6 pontos por modelo; Figura 08: Desvios Padrão dos erros das coordenadas – observação gerada com desvio de 0,015 mm.

Tabela 02: Valores do deslocamento entre o CF e CP obtidos no processamento, considerando a posição do CF como observação no processamento .

CF – CP ∆x’ (m) ∆y’ (m) ∆z’ (m) σobs = 0,015 mm 2.874 1.734 1.045 σobs = 0,025 mm 2.831 1.596 1.088 σobs = 0,075 mm 2.611 0.910 1.303

A tabela 02 mostra que os valores calculados dos deslocamentos são dependentes dos ruídos introduzidos nas observações das fotocoordenadas, indicando que um erro ou uma indefinição nas coordenadas pode influenciar no cálculo desses parâmetros.

Desta forma, realizou-se o processamento da fototriangulação sem a utilização do centro de fase da antena com maior rigor no critério de convergência, determinando-se assim os parâmetros de orientação exterior da câmara. Obtido esses valores obteve-se os deslocamentos entre os dois pontos, no sistema de coordenadas do espaço objeto.









































−





















=





















∆

∆

∆

Z

Y

X

Z

Y

X

R

z

y

x

'

'

'

Esse procedimento foi aplicado nos dados simulados, aplicados no processamento da tabela 02, obtendo-se os valores apresentados na tabela 3.

Tabela 03: Valores do deslocamento entre o CF e CP obtidos pelo processamento da fototriangulação e calculando os valores utilizando as equações (2).

CF – CP ∆x’ (m) ∆y’ (m) ∆z’ (m) σobs = 0,015 mm 2.986 1.848 1.035 σobs = 0,025 mm 2.982 1.730 1.080 σobs = 0,075 mm 2.959 1.140 1.305

Em função dos valores obtidos nas tabelas 02 e 03 aplicou-se o procedimento semelhante ao adotado para obter os dados da tabela 03.

Aplicando-se a equação (2) em todas as fotos obteve-se os seguintes valores para os parâmetros:

∆x’ = -0.090 ± 0.0075 ∆y’ = 0.226 ± 0.0331 ∆z’ = 0.869 ± 0.1084

cujos, valores medidos com o auxílio de uma régua de invar foram,

∆x’ = 0.000 ∆y’ = 0.094 ∆z’ = 0.803

3.3.3. Retificação Fotogramétrica

Com os elementos de orientação, as fotografias foram retificadas, resultando na imagem mostrada na figura 12.

A fim de validar o processo de retificação foi realizado um georeferenciamento na imagem retificada, utilizando-se de cinco de apoio e, foi verificada a precisão do processo colhendo-se as coordenadas na imagem georeferenciada, comparando-a aos obtidos por GPS. Para tanto, foram utilizados os modelos geométricos de transformação afim e projetiva.

Tabela 04: Desvios padrão das discrepâncias das coordenadas. Transformação Afim Projetiva Coordenadas Desvios Padrão X(m) ±0.812 ±0.390 Y(m) ±0.260 ±0.034

Tabela 05: Discrepâncias máximas entre as coordenadas obtidas no georeferenciamento da imagem retificada e por GPS. Transformação Afim Projetiva Coordenadas Discrepâncias X(m) 2.577 0.703 Y(m) 0.539 0.052 (a) (b)

Figura 12: (a) Imagem inclinada obtida pela câmara digital; (b) Imagem retificada no plano médio dos pontos de apoio.

Observando-se os valores obtidos nas tabelas 04 e 05, nota-se uma discrepância máxima de 0,703 m e desvio padrão de ±0,390 m. Com esse valor de desvio, pode-se mapear (conforme PEC – Padrão de Exatidão Cartográfica) na escala 1/1300 ou menores.

4. Discussões e conclusões

Neste trabalho não foram consideradas todas as correções citadas nas bibliografias especificas, tais como erros sistemáticos oriundos do posicionamento GPS (DAL POZ e CAMARGO, 1998).

O presente trabalho além de fornecer subsídios práticos para a implementação do sistema a ser aplicado em Agricultura de Precisão, proporciona a experimentação prática para aplicações em aerolevantamentos. Proporciona também o embasamento prático para mapeamento fotogramétrico, utilizando uma técnica relativamente nova, buscando sempre a automação ou a diminuição do custo operacional do processo de mapeamento.

Para trabalhos futuros, espera-se realizar aplicações em Agricultura; introduzir todas as correções dos erros sistemáticos de posicionamento (COLOMINA 1989); aplicações em aerolevantamentos; introduzir elementos de orientação angular (orientação por Sol), desenvolvido na FCT, (TOMMASELLI E CAMARGO, 2001)

Referências Bibliográficas

ANDRADE, J. B. de; OLIVAS, M. A de A; Calibração de Câmeras Aerofotogramétricas, Boletim da Universidade Federal do Paraná, n0 26, 39p, Curitiba PR, 1981

ASHTECH, INC..Z-12 GPS Rreceiver Operating Manual. USA. Ashtech, Inc, 1994, 202p.

COLOMINA, I., Combined adjustament of photogrammetric and GPS data. Proceeding of 42st photogrammetric week of Stuttgart University, Stuttgart, p. 313-328, 1989.

DAL POZ, A. P.; CAMARGO, P. O.. Aplicações do GPS em fotogrametria. Revista Brasileira de Cartografia,.n.1, p.20-25, 1998.

GALO, M. Calibração e Aplicação de Câmaras Digitais. Dissertação de Mestrado, Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas, Universidade Federal do Paraná, Curitiba PR, 1993.

LUGNANI, J. B. Introdução à Fototriangulação. UFPR. 134 p. Curitba PR. 1987.

MONICO, J. F. G.. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora UNESP, 2000. 287p.

WOLF, P. R. Elements of Photogrammetry. McGraw-Hill Book Company 1988.