Análise de RF de Alta Resolução: Os Benefícios de

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Análise de RF
de Alta Resolução:
Os Benefícios de
Conjuntos de Dados
Lidar do Terreno e do
Clutter
Janeiro 15, 2014
Martin Rais
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Soluções
em Radiocomunicações
Soluções em
Radiocomunicações
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Terreno de Alta Resolução e Conjuntos de Dados de Clutter: Porquê Lidar?
Existem inumeráveis métodos, técnicas e tecnologias para a obtenção de
informações de elevação e cobertura da terra através de sinais propagados. Estas
tecnologias podem ser baseados em som, rádio e luz e também variam em resolução,
dificuldade, a despesa e o processo. Em geral, a maior parte destas tecnologias de
sensores são baseadas no intervalo de tempo de um sinal refletido ou disperso,
embora sensores passivos tradicionais também podem ser usados e dependem na
radiação natural.
Sistemas de Lidar iluminam um alvo com lasers, em seguida, recebem e processam o
sinal refletido e/ou disperso. Sistemas de Lidar modernos são compactos, precisos e
eficientes e oferecem muitas vantagens sobre as técnicas baseadas em fotografias
tradicionais. Estes permitem a coleção de dados sub-1 metro e melhorias na
assistência pós-processamento na facilidade de utilização dos dados. A maioria dos
dados de Lidar pós-processados são classificados pelo número de devolução e
categoria, encurtando ainda mais o processo de conversão de dados em bruto para
bases de dados que são úteis em ferramentas de propagação de RF.
Outra vantagem da coleção de dados de Lidar é que os dados podem ser coletados
de dia e de noite, ao contrário dos métodos tradicionais que necessitam coleção
durante o dia. Lidar não só oferece alta precisão, mas também permite a coleção de
informação de elevação em áreas de vegetação densa. Um pulso de Lidar pode ter
múltiplas reflexões e revela ambas a elevação de superfície e a elevação do terreno
em qualquer ponto. A maioria das outras técnicas de coleção só coletam
informações sobre a altura da superfície. Além disso, os sistemas de coleção de dados
de Lidar modernos são compactos e podem ser facilmente montados em aeronaves
leves para coleção de dados em grandes áreas.
Obtenção de Dados Lidar
Lidar, ou detecção de luz e abrangente (light detection and ranging), pode ser usado
para quantizar o terreno, o clutter da terra e ocupação da terra. Sistemas de Lidar
aerotransportadas são normalmente utilizados para os propósitos do escaneamento
de grandes áreas e são compostas de um laser e um espelho rotativo que é usado
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para escandir a área de interesse. O
sistema
de
Lidar
aerotransportado
adquire pontos de dados ao refletir um
sinal de laser fora da terra, edifícios e
vegetação.
Quando o avião voa, o
sistema Lidar quantiza o terreno e clutter
da
terra
ziguezague,
abaixo
como
em
formato
de
representado
na
Figura 1.
Os pontos de dados adquiridos são
reflexões do sinal do laser de obstáculos
Figura 1: Escaneamento de LIDAR aerotransportada
(ORIGEM: ASPRS)
em seu caminho, e frequentemente, pode existir múltiplas reflexões de um único sinal
emitido. Uma reflexão pode ser produzida por edifícios, da terra e outros objetos
sólidos. Árvores e vegetação podem produzir algumas reflexões quanto o sinal do laser
se propaga através das folhas e reflete fora dos ramos e, finalmente, a terra. Portanto,
é comum ter múltiplos retornos para uma dada transmissão.
Para calcular as distâncias entre o sensor do Lidar aerotransportado e o ponto de
reflexão, portanto, a elevação do ponto de reflexão, os cálculos são executados
usando o tempo decorrido e da velocidade da luz. Estes dados são correlacionados
com o posicionamento GPS da aeronave, juntamente com sensores de inércia ou
giroscópios para criar com precisão o ambiente de pontos tridimensionais que são um
conjunto de dados Lidar.
Formato de Dados Lidar
Informação de Lidar é tipicamente obtido e armazenado em formato ASPRS LAS. O
formato LAS não somente contém informações sobre a altura da superfície, mas
também fornece informações de cabeçalho que contém informações técnicas, como
número de devolução, classificação, e ângulo de leitura, entre outros. O usuário pode,
então, aplicar ou desenvolver um software que classifica através dos dados do Lidar
(muitas vezes em Gigabytes de dados) para criar os conjuntos de dados desejados
com base em critérios necessários, como número de devolução ou de classificação.
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Uma vez que os dados do Lidar são classificados como desejado, os dados podem
então ser manipulados, conforme necessário. Na maioria dos casos, isto envolve a
interpolação do conjunto de dados para criar um modelo contínuo, sem pixels de
não-retorno. Dados de Lidar são, por natureza, descontínuos desde que as medições
individuais são baseadas em pontos geográficos específicos. Estes pontos são
armazenados no arquivo LAS. Em essência, um arquivo LAS é uma lista de informações
de medição por cada ponto geográfico. Na Figura 2 a imagem da esquerda mostra
um conjunto de dados, onde apenas o primeiro retorno é mostrado. Todas as áreas
em preto são pontos onde os dados do Lidar não foram obtidos durante a campanha
de medição. Na imagem à direita, o conjunto de dados é interpolado para um
conjunto de dados contínuo, que pode ser usado em software de a análise e
planejamento de radiofrequência como um modelo de superfície digital.
Figura 2: Dados de LIDAR não processados e descontínuos (esquerda) e dados de LIDAR interpolados e
contínuos (direita)
Preparação do Conjunto de Dados de Lidar para Análise de RF
As imagens da Figura 3 e as descrições que se seguem mostram como gerar
ocupação da terra e clutter usando dados do Lidar processados:
Imagem Aérea:
A primeira imagem é uma foto aérea da área de interesse,
mostrando a presença de estradas, vegetação, edifícios e da terra desocupado.
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Imagem da Terra Desencapada: A segunda imagem é um modelo de terra
desencapada que foi extraído a partir dos pontos de terra de um conjunto de dados
do Lidar e interpolados, em um conjunto de dados uniformes e contínuos. O modelo
de terra desencapada também é conhecido como o DTM, ou modelo digital do
terreno, porque este contém somente as elevações da terra. O DTM é derivado de um
conjunto de dados do Lidar através da remoção de todos os pontos, mas aqueles
classificados como pontos de terra e, em seguida, interpolando os dados para criar
um conjunto contínuo.
Figura 3: Imagem aérea (superior esquerdo), terra desencapada (superior direito), primeiro retorno
(inferior esquerdo) e ocupação da terra (inferior direita)
Imagem do Primeiro Retorno: A terceira imagem é o modelo de primeiro retorno que
foi extraído e depois interpolado em um conjunto de dados uniforme e contínuos. O
primeiro modelo de retorno também pode ser chamado um DSM, ou modelo de
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superfície digital, porque as alturas e elevações que este contém são as elevações
máximas para o terreno e todo o clutter da terra em cada ponto. O DSM é derivado a
um conjunto de dados do Lidar, removendo todos os retornos, mas o primeiro retorno
e, em seguida, a interpolação dos dados para criar um conjunto de dados contínuos.
Imagem De Ocupação da Terra: A imagem final é um conjunto de dados de clutter,
obtidos pela subtração das alturas no modelo digital do terreno das alturas do modelo
digital de superfície, deixando apenas os edifícios, vegetação e qualquer outro tipo de
clutter da terra dentro do arquivo. Áreas em preto representam uma falta de clutter,
onde o modelo digital de elevação e do modelo digital de superfície são
equivalentes.
Análise de RF Usando Dados de Lidar
Uma vez que os dados do Lidar são processados e convertidos para o formato
adequado, o utilizador pode carregar as bases de dados para o software de análise
de propagação de rádio frequência para executar simulações.
Figura 4: Exibição bidimensional de resultados de análise de propagação de RF
Figura 4, acima, mostra os resultados de uma análise de propagação de RF em duas
dimensões, quando os dados do Lidar com resolução de 1 metro são usados. Tanto as
alturas das antenas de transmissão como de recepção estão definidas para valores
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baixos para mostrar as características de bloqueio de sinal que os edifícios e
vegetação têm sobre o sinal de RF. O conjunto de dados do Lidar com alta resolução
prevê a modelagem de alta precisão com bloqueios afiadas.
Figura 5: Cálculo de cobertura tridimensional no exterior do edifício
A imagem final, a Figura 5, é uma visualização tridimensional de como o sinal de RF da
amostra é “incidente” sobre o exterior de um grande edifício. A variação de cor em
toda a fachada do edifício e telhado nivelado representa diferentes níveis de sinal de
RF de potência recebida.
O Caso para Conjuntos de Dados de Lidar
Enquanto as técnicas e tecnologias tradicionais da coleção de cobertura do terreno e
de superfície resultam em resoluções que muitas vezes variam de dezenas de metros e
pode ser tão preciso quanto 3 a 5 metros, o Lidar permite a coleção de dados de sub 1 metro. Como um formato altamente preciso e detalhado de terreno e de clutter, os
dados de Lidar são bem adequados para a análise de RF de alta resolução. O usuário
é apresentado com uma precisão sem paralelo para a propagação em terreno
descoberto, mas também para a propagação sobre e através do clutter da terra.
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