Dissertação - IME

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Dissertação - IME

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
RICARDO AARON NEGRÓN RIVAS
A TECNOLOGIA LASER SCANNING E SEU POTENCIAL DE
APLICAÇÃO NO MAPEAMENTO TOPOGRÁFICO
Dissertação de mestrado apresentada ao Curso de Mestrado
em Engenharia Cartográfica do Instituto Militar de
Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título
de Mestre em Ciências em Engenharia Cartográfica.
Orientador: Jorge Luís Nunes e Silva Brito – Cel R-1 -Ph.D.
Rio de Janeiro
2002
c2002
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro - RJ
CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em
base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer
forma de arquivamento.
É permitida a menção, a reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste
trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para
pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a
referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor e dos orientadores.
N394
Negrón, Ricardo Aaron Rivas.
Tecnologia Laser Scanning e seu Potencial de Aplicação no Mapeamento / Ricardo
Aaron Negrón Rivas - Rio de Janeiro:
Instituto Militar de Engenharia, 2002.
116 p. : il., graf., tab. : 29,7 cm.
Dissertação (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia – Rio de Janeiro, 2002.
1. Sensoriamento Remoto. 2. Sensores de Varredura Laser. 3. M.D.T.
CDD 621.3678
2
RICARDO AARON NEGRÓN RIVAS
TECNOLOGIA LASER SCANNING E SEU POTENCIAL DE
APLICAÇÃO NO MAPEAMENTO
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Cartográfica
do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre
em Ciências em Engenharia Cartográfica.
Orientador: Jorge Luís Nunes e Silva Brito – Cel R-1- Ph.D.
Aprovada em ?? de Dezembro de 2002 pela seguinte Banca Examinadora:
Jorge Luís Nunes e Silva Brito – Cel R-1 - Ph.D do IME - Presidente
Prof. Oscar Ricardo Vergara – D.E. do IME
Prof. Íris Pereira Escobar – D.E. da UERJ
Rio de Janeiro
2002
3
Aos amados Otto, Beatriz, Angel, Aura, Amada,
Ricardo e Daniel.
4
AGRADECIMENTOS
A Deus pela oportunidade da vivência de novas experiências pessoais é profissionais,
sempre abrindo o caminho entre as dificuldades permitindo alcançar um sonho inesquecível.
Ao Exército Venezuelano pelo privilégio de acrescentar minha formação profissional.
Ao Exército Brasileiro por conceder uma vaga no curso de Mestrado em Engenharia
Cartográfica do IME.
Ao Instituto Militar de Engenharia (IME) por outorgar um acúmulo de conhecimentos do
mais alto nível acadêmico.
Ao Instituto Geográfico de Venezuela “Simón Bolívar” pelo constante apoio, confiança é
incentivos em mim depositados.
A Petrobras pela concessão de dados obtidos dos sistemas de varredura laser permitindo
alcançar os objetivos previstos em minha dissertação.
A Esteio Aerolevantamentos pelo apoio recebido ao encaminhar nossa solicitação de
dispor de dados laser à Petrobras.
A Geoid Ltda pelo fornecimento de dados, experiências é conhecimentos na compreensão
da tecnologia Laser Scanning é por todo o apóio a mim dispensado.
A Toposys do Brasil pelo assessoramento fornecido sobre a tecnologia “Laser Sacanning”
A toda minha família é amigos pelas constantes orações, incentivos, conselhos é confiança
depositada no triunfo da meta proposta.
Ao Cel. Jorge Luís Nunes e Silva Brito professor e orientador durante os dois anos de
estudos no Mestrado, aportando conhecimentos, experiências, incentivos e tempo na procura
de transmitir o melhor apoio acadêmico e pessoal para alcançar a missão de estudo.
Ao General de Brigada Romer Mena Nava pela oportunidade de formar parte do Instituto
Geográfico de Venezuela e por candidatar meu nome para realizar este Mestrado.
Aos demais professores, alunos e funcionários do Departamento de Engenharia
Cartografia do IME pelo apoio fornecido e por dispor a oportunidade de formar parte de sua
família.
A minha esposa Amada, meus filhos Ricardo e Daniel por compreender minhas ausências
e por sua constante demonstração de carinho. Obrigado
À comunidade Venezuelana em Rio de Janeiro por ser minha família em Brasil.
Ao povo Brasileiro pela grande acolhida e familiaridade outorgada a toda minha família
na difícil tarefa de adaptar-se a uma nova cultura, a um novo país.
5
Aos profesores da Banca examinadora pela sua participação é recomendações propostas.
Finalmente, sou grato a todos que direta ou indiretamente colaboraram para a realização
desta pesquisa.
6
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.................................................................................................. 10
LISTA DE TABELAS............................................................................................................ 12
LISTA DE SIGLAS................................................................................................................ 14
RESUMO ................................................................................................................................ 15
ABSTRACT ............................................................................................................................ 16
1
INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 17
1.1
Posicionamento do Trabalho Proposto ......................................................................... 17
1.2
Justificativa do Trabalho .............................................................................................. 17
1.3
Objetivos do Estudo ..................................................................................................... 19
1.4
Organização do Trabalho ............................................................................................. 19
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................. 21
2.1
Introdução..................................................................................................................... 21
2.2
Tecnologias Envolvidas na Operação do Sistema ................................................... 22
2.2.1
Sistema GPS+INS ........................................................................................................ 23
2.2.2
Sistema Lidar................................................................................................................ 30
2.3
Operação do Sistema de Varredura Laser .................................................................... 36
2.4
Fabricantes do Sistema ................................................................................................. 53
3
GERAÇÃO E AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DO MODELO NUMÉRICO DE
ELEVAÇÕES OBTIDO A PARTIR DE DADOS LASER. ............................................... 55
3.1
Introdução..................................................................................................................... 55
3.2
Metodologia Para a Geração do M.N.E. Obtido a Partir de Dados Laser .................... 56
3.2.1
1º Fase (Coleta dos Dados Laser)................................................................................. 56
3.2.1.1 Dados Brutos ................................................................................................................ 57
3.2.1.2 Filtragem ...................................................................................................................... 57
3.2.1.3 Conversão de Formato ................................................................................................. 59
3.2.2
2ª Fase (Geração do M.N.E)......................................................................................... 59
7
3.2.2.1 Preparo dos Dados ........................................................................................................ 60
3.2.2.2 Determinação dos Parâmetros do M.N.E. .................................................................... 62
3.2.2.3 Construção do M.N.E ................................................................................................... 63
3.2.3
Metodologia Para Avaliação da Qualidade de um M.N.E. Obtido a Partir de Dados
Laser ............................................................................................................................. 64
3.2.3.1 Pesquisa da Base de Referência ................................................................................... 65
3.2.3.2 Construção do M.N.E. de Referência. .......................................................................... 66
3.2.3.3 Comparação dos M.N.E. .............................................................................................. 67
4
EXPERIMENTO E ANÁLISE DOS RESULTADOS. ................................................ 69
4.1
Introdução..................................................................................................................... 69
4.2
Material da Geoid ......................................................................................................... 69
4.2.1
Descrição da Área. ....................................................................................................... 70
4.2.2
Descrição dos Dados Obtidos do Sensor Laser ............................................................ 70
4.2.3
Geração do M.N.E. a Partir de Dados Laser ................................................................ 71
4.2.4
Disponibilização da Base de Referência ...................................................................... 73
4.2.5
Geração do M.N.E. de Referência................................................................................ 73
4.2.6
Teste do M.N.E. ........................................................................................................... 74
4.3
Material da Petrobras ................................................................................................... 81
4.3.1
Descrição da Área ........................................................................................................ 82
4.3.2
Descripção dos Dados Obtidos do Sensor Laser .......................................................... 82
4.3.3
Geração do M.N.E. a Partir de Dados Laser. .............................................................. 84
4.3.4
Disponibilização da Base de Referência ...................................................................... 86
4.3.5
Geração do M.N.E de Referência................................................................................. 86
4.3.6
Teste do M.N.E. ........................................................................................................... 87
4.4
Análise dos Resultados Obtidos. .................................................................................. 93
5
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS. .......... 95
6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 98
7
APÊNDICES .................................................................................................................. 100
7.1
APÊNDICE 1: Metodologia para Extrair uma a Mostra de Pontos Laser do Arquivo
Original Fornecido pelo Fabricante............................................................................ 101
8
7.2
APÊNDICE 2: Metodologia para Coletar o Conjunto de Pontos Laser Presentes nas
Vizinhanças de Cada Ponto GPS Empregado Como Referência. .............................. 102
8
ANEXOS......................................................................................................................... 103
8.1
ANEXO 1: FABRICANTES DOS SISTEMAS DE VARREDURA LASER. ........ 104
8.1.1
Optech ........................................................................................................................ 104
8.1.2
Topsys Gmbh ............................................................................................................. 107
8.1.3
Topeye AB ................................................................................................................. 109
8.1.4
LH-Systems ................................................................................................................ 110
8.1.5
Fabricante Não Comercial .......................................................................................... 112
8.2
ANEXO 2: Fornecedores Brasileiros, de Serviço de Varredura Laser. ..................... 113
8.2.1
Geoid Ltda .................................................................................................................. 113
8.2.2
Esteio Engenharia e Aerolevantamentos S.A. ............................................................ 114
8.2.3
Toposys do Brasil Ltda .............................................................................................. 114
8.3
ANEXO 3: Estudo das Estratégias de Espaçamento Empregadas pela DGS, Intergraph
e Ackerman na Geração do M.N.E. ........................................................................... 116
•
9
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1 Sistema de Varredura Laser ............................................................................... 22
FIG. 2.2 Sistemas Inerciais ............................................................................................... 25
FIG. 2.3 Parâmetros obtidos por intermédio do Sistema Inercial .................................... 26
FIG. 2.4 Diferencial GPS ................................................................................................. 27
FIG. 2.5 Principio de funcionamento do Raio Laser ........................................................ 30
FIG. 2.6 Operação do Sistema LIDAR............................................................................. 37
FIG. 2.7 Software ALTM-NAV Planner .......................................................................... 38
FIG. 2.8 Largura da faixa do Vôo .................................................................................... 39
FIG. 2.9 Freqüência de Perfilamento................................................................................ 41
FIG. 2.10 Parâmetros do Padrão de Varredura Laser ....................................................... 42
FIG. 2.11 Sistema de Scanner de Fibra Óptica................................................................. 43
FIG. 2.12 Ocupação das Estações de Referência ............................................................. 44
FIG. 2.13 Coleta de Dados. .............................................................................................. 45
FIG. 2.14 Ecos do pulso laser ........................................................................................... 47
FIG. 2.15 Processamento (Software Realm Survey Aircraft 3.02d) ................................ 50
FIG. 2.16 Processamento Software Realm Survey Aircraft 3.02d ................................... 50
FIG. 2.17 Processamento .................................................................................................. 51
FIG. 2.18 Pulsos Refletidos do Laser ............................................................................... 52
FIG. 3.1 Fluxograma Coleta dos Dados Laser. ................................................................ 56
FIG. 3.2 Fluxograma da Geração do MNE ...................................................................... 60
FIG. 3.3 Visualização da Área de Teste ........................................................................... 62
FIG. 3.4 Seleção dos parâmentros da interpolação do MNE............................................ 64
FIG. 3.5 Fluxograma da Avaliação do MNE.................................................................... 65
FIG. 4.1 Representação gráfica dos resíduos calculados.................................................. 75
FIG. 4.2.c Representação Gráfica dos MNE obtidos do 20 dos dados laser e O MNE de
Referência.......................................................................................................................... 76
FIG. 4.3 Representação gráfica dos MNE Construídos.................................................... 77
FIG. 4.4 Representação do 100% dos dados laser fornecidos pela Geoid
(17544
pontos) ............................................................................................................................... 78
FIG. 4.5 Representação do 60% dos dados laser fornecidos pela Geoid (10613 pontos) 78
FIG. 4.6 Representação do 20% dos dados laser fornecidos pela Geoid (3534 pontos) .. 79
10
FIG. 4.7 Representação da área do teste 5 ........................................................................ 80
FIG. 4.8 Representação gráfica dos resíduos calculados do 3ºgrupo de dados. ............... 88
FIG. 4.9.c Representação Gráfica dos MNE obtidos do 20 dos dados laser e O MNE de
Referência.......................................................................................................................... 89
FIG. 4.10 Representação gráfica dos MNE Construídos (extrato 3ºgrupo de dados) ...... 90
FIG. 4.11 Representação do 100% dos pontos laser extraídos do 3º grupo de dados
fornecidos pela Petrobras (14850 pontos) ......................................................................... 91
fornecidos pela Petrobras (8823 pontos) ........................................................................... 92
fornecidos pela Petrobras (5852 pontos) ........................................................................... 92
11
LISTA DE TABELAS
TAB. 3.1 Medidas estatísticas empregadas na avaliação dos MNE gerados. ................... 68
TAB. 4.1 Estatísticas dos dados fornecidos pela Geoid ................................................... 70
TAB. 4.2 Parâmetros para a Geração dos MNEs a serem avaliados. ............................... 71
TAB. 4.3 Estatística da amostra coletada com 80% dos dados laser fornecidos pela
Geoid. ................................................................................................................................ 71
Geoid. ................................................................................................................................ 72
Geoid. ................................................................................................................................ 72
Geoid. ................................................................................................................................ 72
TAB. 4.7 Estatísticas dos dados coletados da base cartográfica de referência ................. 74
TAB. 4.8 Estatísticas dos Resíduos (metros) ................................................................. 75
TAB. 4.9 Estatísticas dos Resíduos .................................................................................. 77
TAB. 4.10 Parâmetros para a Geração dos novos MNEs que serão avaliados. ................ 80
TAB. 4.11 Estatísticas dos Resíduos dos MNE (Laser-GPS) ........................................... 80
TAB. 4.12 Estatísticas dos Resíduos do Teste 5 (GPS vs Laser) ..................................... 81
TAB. 4.13 Características dos dados fornecidos pela Petrobras. ...................................... 82
TAB. 4.14 Estatísticas do 1º grupo de dados fornecidos pela Petrobras .......................... 83
TAB. 4.17 Parâmetros para a Geração do MNE a ser avaliado. ....................................... 84
Petrobras. ........................................................................................................................... 84
Petrobras. ........................................................................................................................... 85
Petrobras. ........................................................................................................................... 85
Petrobras. ........................................................................................................................... 85
TAB. 4.22 Estatísticas dos dados coletados da base cartográfica de referência ............... 87
12
TAB. 4.23 Estatísticas dos Resíduos do 3ºGrupo de Dados (metros). ........................... 88
TAB. 4.24 Estatísticas dos Resíduos Extrato Carta Itumbiara e 3ºGrupo de Dados ........ 90
TAB. 4.25 Estatísticas dos Resíduos entre 20% e 100% dos dados laser......................... 94
TAB. 8.1 Características dos sistemas ALTM 1020 e 1025 ........................................... 105
TAB. 8.2 Características dos sistemas ALTM 1210 e 1225 .......................................... 105
TAB. 8.5 Características do sistema ALTM 2050 ........................................................ 107
TAB. 8.6 Características dos sistemas Toposys I e II .................................................... 108
TAB. 8.7 Características da Câmera Digital ................................................................... 109
TAB. 8.8 Características dos sistemas TopEye ............................................................. 110
TAB. 8.9 Características do sistema ALS40.................................................................. 111
TAB. 8.10 Características dos sistemas ScanLars e ATM II. ........................................ 112
13
LISTA DE SIGLAS
SR
Sensoriamento Remoto
LIDAR
Light Detection and Ranging
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
GPS
Global Positioning System
DGPS
Differential Global Positioning System
INS
Inertial Navigation System
WGS84
World Geodetic System of 1984
RTCM
Real Time Correction Measure
ION
Institute of Navigation
GLONASS
Global Navigation Satellite System
ANSI
American National Standards Institute
ISO
International Standards Organization
EN-60825
Normas Européias.
ALTM
Airborne Laser Terrain Mapping
IME
Instituto Militar de Engenharia
MNE
Modelos Numéricos de Elevações
GIS
Geographic Information System
PEC
Padrão de Exatidão Cartográfico
14
RESUMO
O “Laser Scanning” é um sensor remoto ativo, aerotransportado, que permite descrever a
superfície varrida pelo sensor através de milhares de pontos coletados por segundo, que
dispõem de posicionamento planimétrico e altimétrico, com uma precisão esperada da ordem
de 5 a 7 centímetros, independentemente da altura de vôo. As tecnologias envolvidas nesta
operação são o LIDAR é o GPS+INS, as quais integram suas potencialidades num moderno
sensor conhecido como sistema de varredura laser.
O objetivo do presente trabalho é descrever a fundamentação teórica do sistema de
varredura a laser e avaliar o potencial de emprego dos dados coletados por um sensor laser no
mapeamento, analisando a precisão obtida pelo sensor, de acordo com o padrão de exatidão
cartográfica estabelecido na legislação Brasileira, no Decreto nº 89.817.
Esta pesquisa descreve uma metodologia para gerar e avaliar modelos numéricos de
elevações obtidos com o emprego de dados laser. Apresenta também uma estratégia de
filtragem para facilitar a manipulação, processamento e armazenamento dos dados coletados
pelo sensor.
A análise dos resultados comprovou que os dados obtidos do sistema de varredura laser
na superfície de estudo podem ser disponibilizados para a construção de cartas topográficas
nas escalas 1:20.000 e menores; porém, não foi possível confirmar a precisão referida nas
especificações técnicas fornecidas pelos fabricantes. Essa comprovação exige que novos
testes sejam aplicados para poder avaliar a qualidade dos dados laser em diferentes tipos de
relevo.
Espera-se que esta pesquisa incentive futuros trabalhos e sirva como referência para uma
melhor compreensão da tecnologia Laser Scanning.
15
ABSTRACT
The "Laser Scanning" is an airborne, active remote sensor that allows the description of a
surface swept by the sensor through thousands of collected data points showing their
planimetric and altimetric position with a precision of 5 to 7 centimeters, independently of
the flight height. The technologies involved are LIDAR and GPS + INS, which integrate their
potentials in a single and modern sensor known as a laser scanner system.
The aim of this research work is to describe the theoretical basis of the system and to
evaluate the potential use of data collected through laser scanning. This is accomplished by
the analysis of the precision of the sensor, according to the Brazilian cartographic accuracy
standards established by the Decree No 89.817.
This investigation describes a methodology to generate and evaluate numerical models of
elevations acquired through the use of laser collected data. This research also presents a
filtering strategy to facilitate the manipulation, process and storage of data collected by the
sensor. The analysis of the results has proven that laser scanning data can be used in
topographic mapping up to the 1:20.000 scale. Unfortunately, it was not possible to confirm
the nominal standards claimed by laser equipment manufacturers. Such tasks will depend
upon additional testing work.
Finally, one expects that this research will serve as a starting point for future work, as
will as for a better comprehension the laser scanning technology.
16
1
1.1
INTRODUÇÃO
Posicionamento do Trabalho Proposto
Os avanços tecnológicos observados nos últimos anos proporcionaram uma série de
mudanças nos procedimentos de obtenção de dados a partir de técnicas de Sensoriamento
Remoto (SR).
O crescente emprego de diferentes sensores de observação terrestre está originando não
só uma enorme quantidade de informações, mas também uma nova forma de estudar a
superfície terrestre, permitindo dispor de massas de dados geográficos, cujo processamento e
análise, expandirá o conhecimento humano, facilitando a interpretação de múltiplos
fenômenos presentes no planeta.
Para extrair uma quantidade de informação de um conjunto de dados, é preciso conhecer
as características do sensor e da plataforma que o sustenta, em virtude de existirem diversas
formas de aquisição de dados. Cada uma delas apresenta variações quanto a seus métodos de
operação, representando diferenças importantes na interpretação dos dados produzidos. No
entanto, ainda não se dispõe de uma solução ideal, ou única, para abordar as inúmeras
variáveis presentes na difícil tarefa de construir um mapa que atenda a maioria das
necessidades exigidas pelo usuário final. Esse é um dos Motivos pelos quais os profissionais
ligados a esta área de conhecimento procuram manter-se atualizados sobre as tecnologias
desenvolvidas, criando um espírito crítico para assegurar sua capacitação antes da aceitação
definitiva da tecnologia; seja com fins de ensino, assessoramento ou produção. Esta
necessidade desperta o interesse de apresentar, por meio deste trabalho, os conceitos,
informações e características da tecnologia “Laser Scanning” e seu potencial de aplicação no
mapeamento.
1.2
Justificativa do Trabalho
O século recém-findado foi testemunha de grandes avanços tecnológicos e científicos; o
desenvolvimento da informática permitiu mudanças impressionantes nos processos
fotogramétricos tradicionais, não só proporcionando mudanças operacionais, mas também
permitindo grandes avanços nos sistemas de aquisição de dados.
17
Usualmente se empregava com mais freqüência, sensores passivos nos processos
cartográficos. Entretanto, os sensores ativos (sensores de varredura a laser ou radar
interferométrico) começaram a apresentar excelentes alternativas na produção de informação
cartográfica, permitindo capturar dados em áreas onde os sensores passivos apresentavam
dificuldades.
Os sensores a Laser que provêm da tecnologia LIDAR (Light Detection and Ranging),
emitem pulsos de luz polarizada entre o ultravioleta e o infravermelho próximo, permitindo
medir a distância entre o sensor e o objeto (BARRA, 2000), (EMILIO, 1996). Estes tipos de
sensores foram pouco explorados na produção cartográfica, já que originalmente foram
empregados em plataformas orbitais, onde se dificultava a captura do sinal refletido devido à
alta dispersão do mesmo considerando a distância do sensor. Por este motivo, o sensor a Laser
foi empregado para estudar outros fenômenos. Nos últimos anos se empregou esta tecnologia
a bordo de aeronaves, apresentando resultados interessantes do ponto de vista cartográfico, ao
poder captar centenas de pontos por segundo sobre a superfície em estudo, gerando uma
estrutura de dados que descrevem o relevo da superfície estudada. Na Cartografia Digital, este
conjunto de dados, que descreve a distribuição espacial de uma característica do terreno, é
conhecido genericamente como Modelo Digital do Terreno (MDT) (FELICÍSIMO, 1994).
Um Modelo Digital do Terreno permite uma melhor interpretação dos dados ou variáveis
representadas, ao poder incluir ferramentas quantitativas durante a análise, possibilitando as
tarefas de correção geométrica das imagens e, inclusive, permitindo modelar ou representar os
dados com características tridimensionais, melhorando a visão espacial do fenômeno
representado.
Na Cartografia convencional ou analógica, a informação isométrica constitui variável
básica, usualmente empregada na construção de mapas topográficos. No MDT (Cartografia
Digital), essa variável isométrica é representada por meio dos Modelos Numéricos de
Elevação (MNE), que descrevem a elevação de uma região, mediante um conjunto de dados
que representam a distribuição espacial da altitude da superfície do terreno.
A obtenção da informação de elevação constitui-se no passo inicial do processo de
construção de um MNE, perfazendo-se na tarefa de maior importância, já que a qualidade de
seu resultado afeta diretamente processos posteriores.
A construção de Modelos Numéricos de Elevações a partir da tecnologia “Laser
Scanning”, é considerada muito recente, embora já existam alguns centros de produção,
ensino e pesquisa utilizando esta técnica. Por esse motivo, é importante que o Departamento
18
de Engenharia Cartográfica do IME inicie suas investigações nesta área de interesse, com a
finalidade de atualizar o conteúdo programático desta instituição de ensino, mantendo a
excelência acadêmica que o caracteriza.
O presente trabalho procura apresentar o funcionamento desta tecnologia, oferecendo os
conceitos básicos de sua aplicação e as características de seus dados. É, portanto, um passo
inicial nos estudos na investigação e conhecimento da produção cartográfica com apoio de
“Laser Scanning”.
1.3
Objetivos do Estudo
A presente Dissertação tem por objetivos os seguintes:
• Descrever a Tecnologia “Laser Scanning”.
• Investigar o emprego do laser scanning aerotransportado para a geração de modelos
numéricos de elevação.
• Gerar modelos numéricos de elevações (MNE) com os dados provenientes de um
sensor a laser aerotransportado.
• Avaliar o potencial de utilização do MNE gerado por varredura a laser no contexto do
mapeamento topográfico.
1.4
Organização do Trabalho
Para melhor compreensão, esta dissertação está organizada em cinco capítulos. O capítulo
2 tem a finalidade de apresentar os fundamentos técnicos envolvidos nos processos de
obtenção de dados por meio do Laser Scanning, permitindo conhecer esta nova técnica que
posiciona os milhares de pontos por segundo gerados pela varredura do laser. Finalizando-se
o capítulo, trata-se da evolução dos sistemas laser e indica-se, no anexo 1, os principais
fabricantes comerciais.
O capítulo 3 tem como objetivo desenhar uma metodologia que permita gerar um MNE a
partir de dados laser, avaliar a qualidade dos dados coletados pelo sensor laser e analisar
posteriormente os resultados obtidos de acordo com o interesse e exigências de um produto
cartográfico.
19
No capítulo 4 encontram-se descritos os experimentos e resultados obtidos a partir do
tratamento aplicado a um conjunto de dados coletados por meio do sensor de varredura laser,
os quais foram cedidos pelas empresas Geoid e Petrobras ao desenvolvimento deste estudo.
O capítulo 5 contém as conclusões da pesquisa e sugestões para trabalhos futuros.
Seguidamente são apresentadas as referências bibliográficas, apêndice e anexos
elaborados ao longo do trabalho para melhor entendimento do conteúdo da dissertação.
20
2
2.1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Introdução
Na atualidade a constante presença de soluções atrativas que revolucionam as tarefas
diárias do homem, exigem a atualização do conhecimento, aumentando as demandas de textos
e informações de conteúdo científico, que permitam esclarecer a fundamentação destas
modernas tecnologias.
Este comportamento da sociedade moderna, de empregar os novos alcances científicos de
maneira imediata, evidenciam a necessidade de encontrar alternativas, mais práticas que
facilitem e melhorem suas atividades cotidianas, fortalecendo os objetivos dos investigadores
de procurar soluções, com capacidades superiores, desencadeando uma corrida tecnológica
que providencia dinamicamente respostas para os problemas e necessidades da comunidade.
Este grande dinamismo exige que, com a mesma velocidade com que se desenvolvem e
consagram, as modernas tecnologias difundam todos os aspectos relacionados a seu
funcionamento, características, aplicações e deficiências. Na realidade tradicionalmente estes
criadores são cientistas e investigadores, que consagram suas invenções em artigos técnicos
que não possuem a mais adequada distribuição. As Ciências Cartográficas não estão alheias a
esta realidade. O sistema de varredura laser tradicionalmente conhecido como LIDAR ou
Laser Scanning é uma das tecnologias que possuem a restrição de carecer de fontes
bibliográficas ao alcance de seus usuários. A escassa informação bibliográfica sobre esta
moderna tecnologia dificulta seu melhor entendimento.
Este capítulo tem a finalidade de apresentar os fundamentos técnicos envolvidos nos
processos de obtenção de dados por meio do Laser Scanning, permitindo conhecer esta nova
técnica que posiciona os milhares de pontos por segundo gerados pela varredura do laser.
Primeiramente serão descritas as tecnologias envolvidas no funcionamento dos sensores,
efetuando-se uma revisão bibliográfica de sua evolução até seus fundamentos teóricos, para
logo apresentar a operação do sistema, consolidando uma visão integral das características do
Laser Scanning.
Finalizando-se o capítulo, trata-se da evolução dos sistemas laser e indica-se, no Anexo 1
, os principais fabricantes comerciais e no Anexo 2, as empresas que oferecem o serviço de
perfilamento no Brasil.
21
2.2
Tecnologias Envolvidas na Operação do Sistema
Os sistemas de varredura a Laser ou Laser Scanning, caracterizam-se pela captura e
integração de dados obtidos de tecnologias consagradas no mundo científico, materializandose num rápido e confiável método para obter dados tridimensionais de uma área de interesse.
A maneira mais fácil de detectar as tecnologias que fundamentam o funcionamento do
sistema de Varredura a Laser é por meio do conhecimento dos componentes que integram o
sensor. Através da FIG. 2.1 é possível reconhecer os componentes que permitem a operação
efetiva do sistema, podendo-se mencionar:
•
Plataforma.
•
Receptores GPS.
•
Sistema de Medição Inercial.
•
Medidor de Intervalos de Tempo.
•
Gerador de luz Laser.
•
Scanner (dispositivo Óptico de espelhos oscilantes).
•
Dispositivo de Armazenamento de dados.
•
Computador.
•
Tela para Visualizar a rota do vôo.
FIG. 2.1 Sistema de Varredura Laser
Fonte: Adaptado das Empresas Geoid e TopEye
22
Este conjunto de componentes permitem que o sistema execute duas operações
principais: primeiramente o cálculo da posição da plataforma do sensor, obtido através da
integração dos dados provenientes de satélites posicionadores e os dados adquiridos por
sensores inerciais, tecnologia conhecida pelas siglas GPS+INS (Global Positioning System/
Inertial Navigation System). A segunda operação é a medição de distâncias entre o sensor e os
objetos presentes na superfície de estudo, informação obtida da tecnologia LIDAR (Light
Detection And Ranging), ao registrar e processar a diferença de tempo entre o sinal (pulso
laser) emitido pelo sensor e o sinal registrado depois de interagir com o alvo.
Mais informações sobre as tecnologias envolvidas na operação do sistema de varredura
laser, podem ser encontradas em (CHRISTIAN and LINDENBERGER, 1998) e (CASELLA,
2000).
As tecnologias (LIDAR, GPS+INS) constituem o fundamento operacional do sistema de
varredura laser e serão descritas abaixo:
2.2.1
Sistema GPS+INS
O Sistema de Posicionamento Global (GPS) revolucionou os sistemas instrumentais de
navegação. Hoje em dia o sistema GPS/INS impõe-se entre os instrumentos de navegação por
sua precisão e pela grande capacidade de dispor de base de dados com informação importante
para a navegação.
A chave fundamental para seu emprego maciço a bordo de aeronaves foi à capacidade de
poder integrar receptores GPS aos sistemas de navegação instrumental que já eram aceitos por
seus excelentes resultados ao longo da história. Esta integração permite manter a autonomia
dos sistemas inerciais para navegação com as modernas capacidades oferecidas pelo Sistema
Global de Posicionamento.
Informações adicionais sobre o histórico do desenvolvimento do sistema GPS podem ser
encontradas em (BENEVENTO, 2000) e (KÁTIA, 2001).
Um exemplo prático da vinculação entre os controles de navegação da aeronave e o
sistema GPS/INS pode ser encontrado em no site: www.astech-engineering.com . Existem
hoje no mercado soluções que permitem combinar receptores GPS e sistemas inerciais.
23
O GPS e o sistema inercial têm responsabilidade no posicionamento da plataforma do
sensor de acordo com suas características técnicas, fornecendo um conjunto de dados com
variáveis diferentes integrados pelo fator tempo (instante da captura dos dados).
Os sistemas inerciais apóiam-se no princípio da inércia e na relação existente entre as
acelerações e a posição. Usam-se acelerômetros e giroscópios para a determinação da
velocidade e atitude do conjunto de sensores montados a bordo do avião, fornecendo os
parâmetros de navegação da plataforma do sensor com um alto grau de precisão.
Os giroscópios e acelerômetros são sensores denominados inerciais devido ao fato de
permitirem a medição de acelerações, velocidades e deslocamentos lineares e angulares em
relação a um sistema de referência perfeitamente estabilizado.
Entre os componentes básicos que integram o sistema inercial pode-se mencionar: um
conjunto de giroscópios e acelerômetros, uma unidade de seleção de operação e uma unidade
de navegação inercial que se compõe de uma plataforma inercial e um computador.
A unidade de seleção de operação é a que permite que os giroscópios alinhem-se com os
eixos da aeronave, ficando o sistema preparado para operar. O computador do sensor inercial
serve de interface com o mundo exterior por meio da entrada dos dados provenientes dos
acelerômetros, que detectam as forças de aceleração da aeronave. Entretanto é necessário
manter um alinhamento correto para evitar que os acelerômetros detectem informações
errôneas; para isso, o sistema conta com um conjunto de giroscópios; qualquer deslocamento
destes produzirá um sinal compensatório que será transmitido aos controles da aeronave para
compensar o movimento e manter uma correta estabilidade do sensor no caso da navegação
por instrumentos. Nos demais casos a informação será devidamente registrada e armazenada.
Existem dois métodos através dos quais pode-se efetuar a tradução do sinal do
acelerômetro em relação ao referencial inercial: o método da Plataforma Inercial e o método
Strapdown, (HOSKEN, 1990).
Conforme o mesmo autor, o método da Plataforma Inercial utiliza uma plataforma
estabilizada, montada numa suspensão conhecida como estrutura de Gimbals. Neste caso, são
alinhados os acelerômetros em relação aos eixos do referencial inercial, de modo que se
corrija sua orientação de forma contínua.
No método Strapdown os elementos sensíveis do sensor são montados diretamente sobre
o veículo ou plataforma. Este método é largamente utilizado em aeronaves onde as manobras
requerem uma resposta rápida para o sistema; por outro lado, obriga a utilização de
24
computadores de alta velocidade para poder operar os algoritmos de transformação de
coordenadas.
O sistema conta com três Acelerômetros, a saber: um destinado a detectar a aceleração
em sentido Norte-Sul, outro registrando as acelerações em sentido Leste-Oeste e o terceiro
medindo a aceleração angular da aeronave com respeito ao centro da terra. O sinal emitido
pelo primeiro acelerômetro é integrado com a informação obtida do terceiro acelerômetro (em
relação à direção da vertical), para permitir uma mudança na Latitude da aeronave. Uma
correção mais complexa é aplicada para o cálculo da Longitude desta posição, multiplicando
pelo sinal do segundo acelerômetro o resultado da secante da latitude calculada. Por meio na
FIG. 2.2 e possível materializar os conceitos teóricos do funcionamento do sistema inercial.
FIG. 2.2 Sistemas Inerciais
Fonte: www.aer.ita.cta.br
Assim, os sistemas de navegação inercial processam as medidas angulares detectadas
pelos giroscópios com relação aos eixos do sistema de referência, junto com as forças de
25
aceleração detectadas pelos acelerômetros, registrando uma massa de dados necessária para
determinar a atitude da plataforma do sensor. Estes dados são representados por letras gregas
conhecidas como: κ, φ, ω representando as variações em torno no eixo X (roll), as variações
em torno no eixo Y (pitch) e as variações em torno no eixo Z (yaw), respectivamente, como
pode-se observar na FIG. 2.3.
FIG. 2.3 Parâmetros obtidos por intermédio do Sistema Inercial
Fonte: Brandalize, Op.cit
Simultaneamente, durante a obtenção dos dados pelo sistema inercial, os receptores GPS
registram os dados do posicionamento do sensor, aplicando as técnicas conhecidas como GPS
Diferencial.
O DGPS é um sistema que visa melhorar a precisão obtida através do GPS. O fato
fundamental é que os erros produzidos pelo sistema de posicionamento afetam por igual (ou
de maneira muito similar) os receptores que estão muito próximos; isso se deve à distância
que há entre o receptor e os satélites que se encontram no espaço. À distância entre dois
receptores que se encontram próximos é quase inapreciável para o satélite, o que faz com que
o sinal que atinge ambos os receptores viaje pelo mesmo corredor da atmosfera (corredor
espacial), sofrendo as mesmas alterações, provocando os mesmos erros e distorções no sinal.
Este fato repete-se para todos os erros que se encontram no sinal, com exceção dos
produzidos pelo multitrajeto, por serem erros próprios da localização de cada receptor.
Se a posição do receptor é bem conhecida baseada em outras técnicas, e a posição dada
pelo sistema é registrada, será possível estimar os erros produzidos pelo GPS. E se esse
26
receptor transmite a correção dos erros aos receptores próximos a ele, estes poderão, por sua
vez, corrigir também os erros produzidos pelo sistema como se pode observar na FIG.2.4.
FIG. 2.4 Diferencial GPS
Fonte: www.mundogps.com
Com o sistema DGPS podem ser corrigidos parcialmente os erros produzidos pelos
seguintes fatores:
•
propagação pela ionosfera - troposfera.
•
erros na posição do satélite (efemérides).
•
erros produzidos pelo relógio do satélite ou do receptor.
Para materializar este fundamento é necessário dispor de uma estação monitora que
conheça sua própria posição com uma precisão muito alta, o que é possível se ela estiver
conformada por:
•
um receptor GPS de dupla freqüência, um microprocessador para calcular os erros do
sistema GPS e para gerar a estrutura da mensagem que se envia aos receptores.
Levando em conta que há um canal de dados unidirecional no sentido dos receptores, será
necessário:
•
um transmissor (estação monitora), no caso de serem necessárias correções em tempo
real; (para os usuários) um receptor para receber os dados, no caso de posicionamentos
em tempo real.
Nas mensagens que se enviam aos receptores que estão próximos, podem ser incluídos
dois tipos de correções:
27
•
uma correção, diretamente aplicada à posição. Isto traz o inconveniente, de que tanto o
usuário quanto a estação monitora deverão usar os mesmos satélites, pois as correções
estão baseadas neles.
•
uma correção aplicada as pseudodistâncias de cada um dos satélites visíveis. As
alterações que sofre o sinal ao atravessar a atmosfera fazem com que a distância
determinada não corresponda à precisão requerida. Por isso é considerada uma
pseudodistância.
Junto com a mensagem de correções, também se envia o tempo de validade das correções.
Na verdade, o sistema consegue fazer o cálculo do tempo do sinal, desde o satélite até o
receptor, mediante a sincronização entre ambos; o receptor faz uma réplica do código gerado
pelo satélite e uma vez recebida à informação compara os códigos. A diferença entre o tempo
de uma seção do código recebido e o do código gerado é denominada delta tempo (∆t). Este
∆t, multiplicado pela velocidade da luz no vácuo, determina a distância do satélite em relação
ao receptor. Com a finalidade de trabalhar no mesmo sistema de referência, todos os
componentes GPS se encontram posicionados em função do sistema geocêntrico cartesiano,
mediante o elipsóide de referência (WGS84). Neste sentido, os satélites dispõem de
coordenadas tri-dimensionais (X,Y,Z), determinadas pelo sub-sistema de controle (GALERA,
2000), dado fundamental para calcular as efemérides empregadas pelos usuários, recebidas na
mensagem de navegação.
Visto que assim o receptor pode calcular sua distância em relação a cada um dos satélites
visíveis e assumindo que são conhecidas as coordenadas dos satélites, conta-se com os dados
necessários para determinar sua posição no mesmo sistema. Porém ainda não estaria sendo
levado em conta o erro ou distorção que porta o sinal. Para isto seria necessário determiná-lo.
Este procedimento é feito calculando-se a diferença entre a posição conhecida da estação base
e a posição calculada pelo sistema, para logo gerar a correção, que será aplicada aos pontos de
localização desconhecida encontrados numa área próxima à estação de referência ou estação
base.
Os receptores de freqüência simples (L1) (GALERA,2000) não devem se distanciar da
base mais do que 40 Km, considerando as especificações do receptor e do projeto. Os
receptores de dupla freqüência (L1, L2), podem separar-se da base até 350 Km, considerando
também as características técnicas dos equipamentos. Ambos os receptores apresentarão suas
capacidades de precisão em partes por milhão. Por exemplo, 5mm + 1 ppm representa uma
precisão de 5mm + 1mm por cada Km de separação em relação à estação base.
28
Nem todos os cálculos de DGPS são determinados da mesma forma. Alguns precisam de
enlace via rádio para calcular as coordenadas em tempo real, enquanto outros só precisam
gravar todas as posições medidas e o tempo exato de cada uma das medições. Logo depois
esses dados são processados junto com os dados levantados na estação de referência e em
seguida é determinada a posição do receptor mediante um pós-processamento.
Quando a determinação da posição é feita em tempo real, é necessária uma conexão via
rádio, o que não significa que os receptores (tanto o da base, como o da estação calculada)
tenham a capacidade de transmitir os dados, motivo pelo qual é usado um equipamento que,
ao ser integrado ao receptor, envia ou recebe os dados em tempo real. Esta conexão é
conhecida como “correção diferencial”, cujo protocolo de comunicações é o RTCM (Radio
Technical Comission for Maritime Service).
O protocolo RTCM originou-se em l983, quando o Instituto de Navegação dos Estados
Unidos (ION, Institute of Navigation), solicitou apoio à Comissão Técnica de Serviços
Marítimos para que proporcionasse um protocolo de transmissão destinado às correções
diferenciais necessárias para os usuários do sistema GPS. Desde que foi feita essa solicitação
até a atualidade, o dito organismo colocou à disposição dos usuários uma série de
recomendações sobre os protocolos, os intervalos de transmissão e a informação que deveria
ser transmitida. Atualmente a versão vigente do protocolo de transmissão RTCM é a 2.1, e
sabe-se que ela está sendo melhorada para que possam ser transmitidas as mensagens com as
correções diferenciais para os satélites do sistema GLONASS (Global Navigation Satellite
System).
De maneira resumida pode-se dizer que o DGPS (GPS Diferencial) é um sistema GPS +
estações de referência cuja posição é conhecida com precisão. Estas estações calculam as
correções das pseudodistâncias até os receptores próximos, num raio de acordo com as
especificações técnicas do equipamento (receptor). Assim, são determinadas com alta
precisão as localizações dos pontos desejados, corrigindo os erros encontrados no sinal
enviado pelo satélite de navegação (ROCHA, 1998). Estes cálculos podem ser obtidos depois
de um pós-processamento ou em tempo real, usando um transmissor com protocolo RTCM.
No caso no sistema GPS/INS, a posição calculada dos receptores GPS (a bordo da aeronave e
a estação Base) é ajustada com os parâmetros de variação detectados pelo sistema inercial,
melhorando a precisão do posicionamento. O resultado final é um posicionamento obtido com
uma sólida tecnologia inercial e com a elevada precisão do sistema GPS.
29
2.2.2
Sistema Lidar
A palavra LIDAR é uma abreviatura da palavra inglesa "Light Detection And Ranging" e
representa os sensores remotos que empregam como fonte de energia um raio laser que opera
na região do Espectro Eletromagnético, correspondente à área do infravermelho próximo, do
visível ou do ultravioleta.
Este tipo de sensor recebe a qualificação de sistema ativo, por funcionar com seu próprio
sistema de energia. O laser é um raio de luz que viaja em uma só direção sem desviar-se, até o
momento que choca com uma partícula. Nesse instante, o sinal de laser se dispersa em todas
as direções e uma pequena fração dela retorna na direção de origem; logo o sinal de retorno é
capturado pelo sensor.
É possível analisar o sinal em intensidade e inclusive determinar o tempo de vôo do
momento de transmissão do pulso laser até a recepção do eco originado pela interação do
laser com alguma substância ou objeto. Isto proporciona diversos tipos de informação que
serão analisados, dependendo do interesse do estudo.
A palavra Laser também é uma abreviatura, representando as iniciais da frase "Light
Amplification by Stimulated Emisson of Radiation" (amplificação de luz por emissão
estimulada de radiação). A FIG. 2.5 permite descrever como é produzido um raio Laser.
FIG. 2.5 Principio de funcionamento do Raio Laser
Fonte: www.aol.com.br
30
A característica mais original do laser é que emite luz coerente, o que representa que
todas as porções da onda óptica vibram em uníssono já que todos os fótons contidos no laser
possuem a mesma freqüência.
O laser é simplesmente um conversor de energia que aproveita o processo de estimulação
da emissão para concentrar certa parte desta energia em radiação de uma só freqüência,
movendo-se em uma só direção. Esta capacidade de propagação em uma só direção permite
gerar linhas retas perfeitas para alinhar objetos, determinar paralelismo, nivelar superfícies e
controlar deslocamentos, entre outras aplicações.
O uso da luz coerente aumenta a cada dia seu extenso campo de emprego. O emprego do
laser em sistemas de medição, inspeção e controle abrangem um espectro muito amplo de
aplicações. Por exemplo:
•
Na identificação de substâncias químicas.
•
Na medição de intervalos de tempo.
•
Em aplicações cartográficas e topográficas.
•
Em aplicações médicas.
•
Em diversos campos industriais.
As listas de aplicações práticas do laser estão crescendo com rapidez. Algumas destas
aplicações têm um interesse puramente acadêmico, mas a grande maioria está relacionada
com o desenvolvimento tecnológico e à produção industrial.
Alguns exemplos destas aplicações encontram-se no alinhamento de encanamentos, na
construção de túneis, na medição de vibrações em turbinas e grandes máquinas, na indústria
como ferramenta para cortar, soldar e brocar, na construção de planos em agrimensura e em
topografia.
Outro uso importante dos sistemas Lidar é no "mapeamento", na construção de mapas da
superfície da Terra, cidades, fossas marinhas e topografias dos planetas e satélites do Sistema
Solar. Também utiliza-se este tipo de sistemas para a sondagem e detecção de poluentes
ambientais permitindo analisar níveis de contaminação ambiental ou a concentração de um
determinado elemento químico na atmosfera.
Não é possível deixar de mencionar as diversas aplicações do laser no campo da
medicina, para realizar operações cirúrgicas em distintas especialidades como em
oftalmologia, ginecologia, dermatologia, odontologia e cirurgia. Os exemplos mais comuns
são operações visuais, pulverização de pedras nos rins, entre outros.
31
Finalmente, pode-se mencionar que existe, além disso, uma grande variedade de técnicas
de medição de laboratório na área da química, da física e da biologia, nas quais o laser se
instalou como uma ferramenta de uso corrente nas atividades de investigação.
Para conseguir executar qualquer das aplicações descritas anteriormente é necessário
selecionar adequadamente o sensor a ser empregado, já que existe uma variada gama de
classificações de sensores laser de acordo com os seguintes parâmetros: o tipo de operação, o
tempo de funcionamento, a maneira como está construído o laser, as plataformas que o
sustentam e, inclusive, uma classificação em relação aos limites admissíveis de emissão.
É importante destacar que na bibliografia consultada não está presente uma classificação
integral que oriente o usuário desta tecnologia a conhecer profundamente o sensor empregado.
Por tal razão, apresenta-se a seguir uma classificação integral que agrupa as diversas opiniões
de autores que dedicaram parte de seu tempo para compartilhar os conhecimentos
relacionados à tecnologia Lidar e ao emprego do Laser.
É possível classificar os sensores Laser por meio dos seguintes parâmetros:
•
tipo de operação;
•
tempo de funcionamento;
•
tecnologia empregada na geração do laser;
•
plataforma de transporte e;
•
limites de segurança.
Essas chaves de classificação serão detalhadas a seguir:
De acordo com a finalidade do sensor, é possível diferenciar três tipos de operação da
tecnologia Lidar, a saber:
•
Range Finders: É o tipo de operação mais simples. Estes equipamentos empregados
tradicionalmente para medir e quantificar as distâncias do sensor ao objetivo ou
substância, por meio do cálculo do tempo de propagação do sinal.
•
Dial: É o modo de operação usualmente empregado para quantificar e estudar
concentrações químicas que se encontram no ar ou na atmosfera. Serve como
ferramenta no estudo da camada de ozônio, análise da concentração de vapor de água,
estudos de diferentes substâncias poluentes, entre outros. Esta operação apóia-se na
emissão de dois raios laser de diferentes composições de acordo com a substância em
estudo, para assegurar que uma delas possa ser absorvida ao contato com suas
moléculas e a outra não seja afetada pela substância. A diferença de intensidade entre
32
ambos raios laser ao retorno ao sensor é analisada para conhecer a concentração
química da substância estudada.
•
Doppler Lidars: Este modo de operação é empregado para determinar e calcular a
velocidade de um objeto, partícula ou substância. Leva o nome Doppler por obedecer
às características da medição por mudança de freqüência sobre um mesmo objeto.
Essa mudança de freqüência é originada pelo movimento do objeto e corresponde, na
realidade, à diferença de intensidade do sinal recebido com relação ao sinal emitido. O
sensor emite dois pulsos instantaneamente; as análises dos sinais recebidos em relação
à mudança de posição do objeto devido a seu movimento originam uma diferença no
sinal recebido, conhecida como mudança do Doppler.
O tempo de funcionamento do sensor origina uma classificação importante entre os
sistemas Lidars, conhecidos como:
•
Laser Contínuo: É aquele sensor que assegura manter um tempo de funcionamento
de 0,25 segundos emitindo radiação em forma contínua. Este tempo mínimo de 0,25
segundos foi adotado em relação ao tempo que demora a pálpebra em cobrir o olho
humano.
•
Laser Pulsado: Este tipo de laser é precisamente aquele que não possui a capacidade
de manter a emissão do laser pelo lapso de tempo mencionado anteriormente.
As diferentes tecnologias empregadas na geração de um Laser originam uma
classificação interessante; a saber:
•
Laser de estado Sólido: Este tipo Laser é construído com cristais sólidos como o rubi
ou titânio-safira, que se excitam com a luz intensa. Sua intensidade está compreendida
entre 690 nm a 1100 nm, é usualmente empregado na indústria, na medicina e outras
aplicações científicas.
•
Laser de Gás: É um tipo de laser produzido em um gás ou em uma mistura de gases,
como argônio ou hélio-néon, que se excitam por meio de uma corrente elétrica: o
Laser He-NE é considerado um laser de baixa potência, emite uma luz vermelha de
longitude igual a 632,8 nm, e é o laser tradicionalmente empregado nos apontadores a
laser. O Laser de argônio é de meia freqüência empregado em medicina e aplicações
científicas.
•
Laser de Semicondutor: São lasers diminutos construídos por materiais sólidos
denominados semicondutores e se excitam por meio de uma corrente elétrica. Um
exemplo deste tipo de laser é o Laser do Arseniato de Gálio, que emite luz
33
Infravermelha de comprimento de onda de 800 nm. Este tipo de laser é empregado na
maioria dos instrumentos elétricos e nos sistemas de telecomunicações.
•
Laser de Corante: Estes são lasers construídos por meio de um corante líquido, como
por exemplo, o rodamina, e são excitados por meio de um laser de argônio ou por
lâmpada de flash. O corante absorve a luz laser produzindo fluorescência em um leque
de luz muito amplo e a emissão laser é conduzida por meio de prismas ou outros
elementos ópticos. O comprimento desta onda varia desde 400 nm até 1000 nm, sendo
empregado tradicionalmente em aplicações médicas e científicas.
As Plataformas que transportam o Sensor também permitem efetuar uma classificação,
agrupando os sistemas em três grupos fundamentais:
•
Satelitais: Como seu nome o sugere são sensores laser a bordo de satélites,
empregados tradicionalmente para a coleta remota de dados.
•
Aerotransportados: Aqui é possível agrupar a todos aqueles sensores que se
encontram a bordo de aeronaves, como aviões ou helicópteros.
•
Terrestres: Nesta classificação é possível reunir os sensores que se encontram
apoiados sobre a superfície da terra. Empregando tradicionalmente em tripé como é o
caso de níveis, distanciômetros, scanner laser terrestre, entre outros.
•
Manuais: São aqueles sensores lasers que não requerem nenhuma plataforma especial
para controlar sua operação; como exemplo, mencionam-se os ponteiros laser
tradicionalmente empregados em apresentações orais e conferências.
É possível efetuar outra classificação para os sensores laser de acordo com os limites
admissíveis de operação para evitar que este tipo de radiação seja prejudicial para o homem
(PFLUG, 2002). Tendo como referência as Normas Européias (EN 60825), os sensores laser
são grupados em cinco classes:
•
Classe I: Esta classe agrupa os sensores laser que não emitem radiação excedendo os
níveis máximos permitidos. Não geram nenhum dano nem risco, mas exige-se como
medida de controle, empregar etiquetas de perigo para informar ao operário que deve
tomar medidas preventivas.
•
Classe II: Sensores laser emissores de luz visível que não possuem suficiente potência
para produzir danos por acidentes, mas podem produzir danos por uma observação
direta do feixe durante um período superior a 0,25 segundos. Podem produzir danos
oculares; seu nível de risco é critico para exposições maiores que 1000 segundos. São
34
empregados como medidas de controle os seguintes dispositivos: carcaça protetora,
etiquetas de perigo, indicadores de funcionamento e lentes de proteção.
•
Classe IIIa: Sensores laser emissores de luz visível que não produzem danos por
observação indireta, mas danificam a retina se forem dirigidos para o olho humano.
Também podem produzir danos oculares crônicos para exposições maiores de 0,25
segundos. São empregados como medidas de controle: lentes de proteção, sinais de
perigo e controles administrativos.
•
Classe IIIb: Sensores laser que podem produzir danos por acidentes se o feixe ou suas
reflexões forem observados diretamente. O contato com o feixe pode produzir dano
ocular e cutâneo. São empregados como medidas de controle: lentes de proteção,
sinais de perigo e controle administrativo.
•
Classe IV: Sensores Laser que produzem danos graves, por incidências diretas,
indiretas ou reflexão difusa, nos olhos e na pele. Podem produzir dano ocular e
cutâneo; há perigo agudo ao contato com o feixe ou com sua radiação difusa.
Empregam-se como medidas de controle: lentes de proteção, sinais de perigo e
controle administrativo.
Outra referência importante no momento de classificar os sensores laser de acordo
com as normas de segurança de uso é o emprego dos padrões americanos Z136.1-2000,
elaborados pelo ANSI (American National Standards Institute). A partir do ano 1976 é
obrigatório classificar os sensores laser construídos, ou que operem, no território dos Estados
Unidos e cumprir com as normas de segurança adequadas para cada tipo de laser, como é o
caso de emprego de protetores de segurança e etiquetas de aviso, dentre outras medidas.
Este padrão de segurança, refletido nas normativas ANSI Z136.1-2000, foi adotado pela
agência ou Organização Internacional de Padrões (ISO), o qual, por sua vez, criou uma
comissão específica para a atualização de normas de uso de equipamentos Laser.
Seguindo como referências estes padrões e normas, é possível classificar os sensores
Laser em:
•
Classe 1: Esta classificação agrupa os sensores incapazes de produzir uma radiação
prejudicial durante sua operação e funcionamento; por tal motivo dispensam medidas
de segurança para seu emprego. Entretanto é recomendável, por medidas de segurança
industrial, evitar uma exposição direta à emissão laser.
•
Classe 2: São considerados Lasers de baixo poder (1 a 5 nw), que não ocasionam
danos ao olho humano em circunstâncias normais ou de forma acidental, não obstante
35
poderem produzir danos diante de uma exposição direta da emissão do laser por
extensos períodos de tempo. Operam na região do espectro eletromagnético na gama
visível (400 a 700 nm). Em geral são lasers de hélio e neon, como é o caso dos
apontadores laser empregado usualmente.
•
Classe 3: São sensores lasers de poder intermediário (5 a 500 nw); podem originar
danos oculares observando-se diretamente o feixe de luz laser. Esta classificação
subdivide-se em 3A quando se refere à luz visível, e em classe 3B para referir-se a luz
invisível.
•
Classe 4: Nesta classe são agrupados os lasers de potência muito alta (>500nw),
podem ocasionar lesões oculares, embora sejam de um raio indireto refletido em forma
especular ou difusa. Esta classe de laser pode lesar a pele e ocasionar incêndios.
Empregam-se na indústria para corte e perfurações de metais.
Maiores informações sobre as normas de segurança podem ser encontradas na seguinte
página da Internet: http://z136.org/faq.shtml.
De acordo com a classificação descrita encima pode-se apreciar que a tecnologia Laser
Scanning, comporta-se como um sistema de operação Range Finders com um tempo de
funcionamento de tipo Pulsado abordo de uma plataforma aerotransportada e com uma
classificação de segurança nas classes III e IV de acordo com as normativas ANSI Z136.12000, com relação à tecnologia empregada na geração do laser, pode-se comcluir que
dependera dos requerimentos dos fabricantes.
Finalmente, é adequado destacar que o emprego do Laser dentro do ambiente topográfico
e cartográfico começou a partir da aparição dos níveis e telêmetros laser. Atualmente é
possível determinar dados altimétricos através de meios de aquisição direta com o auxílio da
tecnologia Laser Scanning, integrando as características apresentadas do sistema Lidar com a
precisão dos sistemas de posicionamento global e as qualidades das plataformas inerciais de
navegação.
2.3
Operação do Sistema de Varredura Laser
A operação do sistema será descrita em três fases importantes, como se pode observar na
FIG. 2.6:
•
Planejamento.
•
Coleta de dados.
36
•
Pós-processamento.
FIG. 2.6 Operação do Sistema LIDAR
Fonte: Imagem adaptada do Sistema TopEye
Durante o Planejamento, estabelece-se uma relação entre as capacidades do sensor com
as necessidades do projeto a executar, assegurando que as futuras fases alcancem as
qualidades de precisão esperadas de acordo com as características técnicas do sensor. Os
parâmetros necessários a determinar nesta fase são:
•
Altura de vôo.
•
Velocidade de vôo.
•
Freqüência de oscilação do dispositivo óptico do sensor (Freqüência do Perfilamento).
•
Ângulo de Abertura do sensor.
•
Densidade de pontos.
•
Diâmetro dos pontos.
•
Largura da faixa de vôo.
•
Potência do Pulso Laser (Freqüência de operação).
•
Normas de segurança no emprego de dispositivos lasers.
•
Cálculo do consumo de combustível, entre outros.
Estes parâmetros estão estreitamente relacionados entre si, motivo pelo qual o objetivo
principal do planejamento do projeto é alcançar um equilíbrio entre cada um dos parâmetros,
empregando ao máximo suas capacidades e minimizando suas deficiências ou conseqüências
negativas.
37
Os sistemas de varredura laser atualmente disponíveis no mercado oferecem software
que facilita as operações de planejamento e de controle do vôo. A titulo de ilustração cita-se o
sistema ALTM (Airbone Laser Terrain Mapper), de fabricação canadense, produzido pela
empresa Optech, que dispõe do Software ALTM-NAV Planner, versão V1. 432, de fevereiro
de 2001, como pode ser visualizado por meio da FIG. 2.7.
FIG. 2.7 Software ALTM-NAV Planner
Fonte: Empresa Geoid
Com o apoio do software de planejamento fornecido pelos respectivos fabricantes, esta
etapa é desenvolvida de maneira muito simples. Uma vez definida a área de interesse por
intermédio de suas coordenadas geográficas, efetua-se uma simulação de uma missão e vai-se
variando alguns parâmetros até atingir-se uma determinada condição de rastreio da área.
Por exemplo, a determinação da altura de vôo ideal para alcançar as exigências do
projeto está relacionada diretamente com as capacidades de potência do laser. De acordo com
as características técnicas do sensor, este pode operar de forma segura a partir de uma altura
mínima de operação cumprindo com as normas internacionais de emprego de dispositivos
lasers (Normas EN 60825, ANSI Z136. 1- 2000). De acordo com a potência do sensor haverá
alturas de vôo máximas e mínimas recomendadas pelo fabricante, onde se assegure o
funcionamento efetivo do sistema. A margem de folga entre a altura mínima e máxima de
operação do sensor permitirá selecionar a altura de vôo ideal para este projeto, tomando agora
em consideração o relevo da área de estudo.
38
Em função do relevo e das características da plataforma do sensor (helicóptero ou avião),
é possível estimar uma altura de vôo que servirá como dado inicial para conferi-lo com os
outros parâmetros envolvidos no processo.
Na determinação dos parâmetros restantes deve-se levar em consideração o sistema de
varredura adotado, o qual definirá os modelos matemáticos aplicados nas operações de
cálculo futuras.
Dispondo de uma altura de vôo (h) estimada como referência e considerando-se um
sistema de varredura por meio de um conjunto óptico de espelhos oscilantes, inicia-se a
determinação da largura da faixa do vôo, que definirá a quantidade de linhas ou faixas do vôo
necessárias para cobrir a área do projeto.
Neste novo cálculo para determinar a largura da faixa do vôo (L), incorpora-se um novo
fator ou parâmetro, definido como o ângulo de abertura do sensor (β). Tomando como
referência o sistema ALTM 1020 empregado pela empresa Geoid, observa-se que este ângulo
oscila entre 0 a ± 20° graus de abertura (ângulo de varredura) com uma freqüência de
varredura variável de acordo com o ângulo da abertura do sensor (28 Hz por ± 20°scan).
Finalmente aplicando uma simples solução de triângulos retos, ilustrado na FIG. 2.8, tem-se o
cálculo da largura da faixa do vôo (L), que é dado pelas equações EQ. 2.1 e 2.2:
L = h × Tanβ
2
EQ. 2.1
L = 2 × h × Tanβ
EQ. 2.2
A
varredura
da
superfície é transversal à
Linha de Vôo.
FIG. 2.8 Largura da faixa do Vôo
Fonte: Imagem adaptada do Sistema TopEye
39
Ao determinar a largura da faixa do vôo é possível calcular a quantidade de faixas
necessárias para cobrir a área de estudo e estimar inclusive os gastos de combustível e as
horas de vôo requeridas para tais especificações.
Neste momento, o planejador do projeto equilibra os fatores que intervieram nos cálculos
administrativos relacionados aos gastos de operação, equilibrando as necessidades do projeto
com os gastos operativos, podendo alterar a largura da faixa com o objetivo de dispor de
menos faixas de vôo, sem comprometer as características do projeto. Também pode reduzir
esta
largura
aumentando as faixas de vôo, mas evitando que representem uma carga
excessiva de dados, comprometendo trabalhos posteriores de processamento.
Outro aspecto a considerar no momento de calcular as faixas de vôo é a determinação da
direção de vôo mais apropriada para cobrir a área de estudo, tomando em consideração as
características da plataforma aérea e o relevo da região a ser trabalhada.
Uma vez obtidas as dimensões das faixas de vôo, o próximo parâmetro a ser determinado
é o correspondente à freqüência de oscilação do dispositivo óptico do sensor, conhecido por
“Freqüência de Perfilamento ou de Scan (f/perf.)”. Sua finalidade é combinar os movimentos
do conjunto óptico do sistema com a velocidade da plataforma, permitindo executar uma
varredura uniforme e contínua do terreno a ser levantado criando um padrão de varredura
conhecido como dente de serra (BRANDALIZE, 2001). Estes dados são fornecidos pelo
fabricante e determinam uma margem de operação que permite balancear as características do
sensor com diferentes velocidades da aeronave.
Uma vez selecionada a freqüência de perfilamento (f/perf.) e conhecida à potência do
sensor laser, tecnicamente denominada de “Freqüência de Operação (f/oper.)”, é possível
determinar a separação ou espaçamento (E) existente entre os pontos que serão coletados pelo
sensor. Este espaçamento é calculado pela EQ. 2.3:
E=
2 × f . perf . × L
f .oper.
EQ. 2.3
As informações sobre a densidade ou espaçamento dos pontos e o diâmetro (D) dos
mesmos permitirão determinar o nível de detalhes a serem levantados da superfície de estudo.
Caso o projeto requeira um nível de detalhe máximo, é preciso assegurar uma
freqüência de perfilamento alta, originando uma maior quantidade de informação. Esta
quantidade é diretamente proporcional ao tamanho dos arquivos digitais gerados e que terão
de ser pós-processados. Por meio da FIG. 2.9 observam-se dois exemplos da varredura laser,
de acordo com a freqüência de perfilamento.
40
FIG. 2.9 Freqüência de Perfilamento
Fonte: Brandalize, Op.cit. P. 06
Novamente é necessário equilibrar a densidade dos pontos com as necessidades do
projeto a fim de evitar ter excesso de informação que, seguramente, retardará as etapas
posteriores de processamento.
Outro parâmetro a ser considerado é o diâmetro do ponto (D). Este é o parâmetro que está
vinculado à potência do laser e à altura da plataforma. Por meio do conhecimento destes dois
fatores é possível determinar o grau de divergência do feixe de luz laser (α).
À medida que a altura da plataforma do sensor é aumentada, mantendo a mesma potência
do laser, é possível observar ou determinar o diâmetro que representa o ponto do laser sobre a
superfície analisada.
Estes cálculos são determinados em laboratório, incorporando novos fatores que intervêm
na divergência do feixe laser (α), tais como as condições atmosféricas. Isso permite ao
fabricante estimar o grau de divergência do laser empregado em seus equipamentos. Esta
informação permitirá ao usuário determinar o diâmetro (D) aproximado de cada ponto em
função da altura de vôo empregada. De acordo com a EQ. 2.4:
EQ. 2.4
D =α × h
Através da FIG. 2.10 é ilustrada a integração dos parâmetros técnicos associados ao
padrão de varredura laser.
41
FIG. 2.10 Parâmetros do Padrão de Varredura Laser
Fonte: adaptado do sistema TopEye
A determinação do espaçamento dos pontos e a distribuição dos mesmos sobre a
superfície de interesse por meio de sensores que dispõem de um sistema de varredura
diferente do mencionado anteriormente, requerem outros tipos de procedimentos. Na
atualidade os sistemas de varredura laser, fabricados e disponíveis comercialmente, possuem
dois métodos de varredura. A maioria dos fabricantes empregam o sistema de varredura de
espelhos oscilantes cujo padrão é de forma de dente de serra. Entretanto, nas equipes que
operam com um sistema de varredura de fibras ópticas, originam um padrão de varredura
linear como é possível observar na FIG. 2.11. O cálculo da largura da faixa de vôo obedece,
da mesma forma, ao procedimento descrito por meio das EQ’s. 2.1 e 2.2, mas o espaçamento
dos pontos é calculado por meio da EQ. 2.5, dado que o sistema fixa a quantidade de pontos
contidos na largura da faixa.
A titulo de exemplificação os sistemas Toposys I e II estão construídos para detectar
cento e vinte e sete pontos de reflexão do pulso laser com a superfície de trabalho; os mesmos
são devidamente espaçados de acordo a largura da faixa do vôo.
E=L
EQ. 2.5
127
E possível fixar a largura da faixa dado o arranjo preciso das fibras ópticas. Esta
virtude do sistema facilita as operações posteriores de ajuste das coordenadas da posição da
plataforma do sensor e sua projeção a cada ponto na superfície de estudo, determinado por
meio da fixação da luz laser.
42
Pto. 1
Pto. 64
Pto. 127
FIG. 2.11 Sistema de Scanner de Fibra Óptica
Fonte: Sistema Toposys
Finalmente, após determinar todos os parâmetros anteriormente mencionados, é também
necessário assegurar que a calibração do sensor tenha sido efetuada, já que isto claramente
poderia alterar todos os dados adquiridos no momento da operação e comprometer todo o
trabalho realizado. O software de planejamento evita que o usuário esqueça este fator muito
relevante para a operação do sistema, solicitando que sejam incorporados os dados
provenientes da última calibração do sensor ( BURMAN, 2000).
De maneira similar aos sensores fotogramétricos tradicionais, o fabricante fornece os
dados sobre a calibração do sistema. Não obstante, é o próprio fabricante quem recomenda
efetuar uma calibração do sensor, com certa regularidade, assegurando o funcionamento
efetivo do sistema.
Todos estes passos relatados anteriormente permitem efetuar uma estimativa de como
será empregado o sensor. Entretanto, no momento do vôo, é necessário manter um controle de
todos estes aspectos em tempo real, já que uma nova quantidade de fatores como a velocidade
e direção do vento, as condições meteorológicas, entre outras, podem interferir de forma
significativa no planejamento efetuado. Depois de planejada a operação inicia-se a fase de
Coleta de Dados, que será descrita em seguida. Esta fase tem a delicada tarefa de manter
sincronizados os componentes do sistema e assegurar que durante a execução do vôo os
parâmetros ajustados durante o planejamento mantenham-se coerentes, os quais asseguram a
precisão desejada para a varredura da área de interesse.
43
A fase de coleta de dados desenvolve-se, de forma simultânea, em dois ambientes: um no
solo e outro na plataforma aérea.
O primeiro ambiente desenvolve-se em terra, com a instalação de uma ou várias estações
de referência, caso de a área do projeto o requeira, devido a sua extensão e as características
do dispositivo GPS empregado. A FIG. 2.12 mostra graficamente algumas tarefas presentes
na ocupação de uma estação de referência.
FIG. 2.12 Ocupação das Estações de Referência
Fonte: Instituto Geográfico de Venezuela Simon Bolívar
O funcionamento desta estação de referência deve satisfazer os requerimentos de precisão
de uma medição em campo, aplicando as técnicas de correção diferencial GPS pósprocessado, entre os dados obtidos do receptor a bordo da plataforma aérea e do receptor da
estação de referência. Ambos equipamentos devem atingir precisões Geodésicas (código C/A,
P, portadoras L1, L2), com a finalidade de exportar esse nível de precisão aos dados obtidos
do dispositivo laser.
O segundo ambiente de funcionamento desta fase desenvolve-se na plataforma do sensor
durante o vôo, registrando e armazenando os dados do receptor GPS, do sistema inercial e dos
provenientes do dispositivo laser. Essa situação é ilustrada na FIG. 2.13.
44
FIG. 2.13 Coleta de Dados.
Fonte:www.airbornelasermapping.com
A operação de posicionamento do sensor contém uma variante em relação aos processos
tradicionais de posicionamento diferencial, dada a condição especial do receptor GPS a bordo
da plataforma, o qual percebe as mesmas variações que sofre a nave durante o vôo, produto
das condições meteorológicas, da velocidade da aeronave, da força da gravidade, dentre
outros fatores.
A solução dada pelos fabricantes dos sistemas de varredura laser foi à incorporação de
sensores inerciais, que registram qualquer variação do sensor em relação a uma superfície de
referência. Esta solução não é tão simples; a informação proveniente do receptor GPS deve
estar acoplada ao sistema inercial para registrar simultaneamente os dados de variação da
plataforma do sensor com os dados obtidos do posicionamento registrado pelo receptor GPS
de bordo.
É importante ressaltar que os registros dos movimentos da nave efetuados pelo sistema
inercial estarão estreitamente relacionados à posição do sistema na plataforma do sensor.
Cada posição da nave detecta diferentes tipos de variações. Por esta razão a antena do
receptor GPS a bordo da nave deve estar perfeitamente acoplada ao centro geométrico do
sistema inercial.
Um dos parâmetros presentes no certificado de calibração do sensor é a distância entre os
centros geométricos da antena do receptor GPS e o do sistema inercial. Estes dados serão
integrados oportunamente na fase de pós–processamento.
O sistema dispõe de um computador a bordo da aeronave que lhe permite controlar os
parâmetros obtidos no planejamento. Por exemplo, o caso do sistema ALTM 1020 operado
45
pela empresa Geoid, o mesmo software de planejamento dispõe de uma variante para
empregá-lo em tempo real, durante o vôo, observando as mesmas informações efetuadas ao
momento do planejamento, mas integrando-o aos movimentos e direção da nave.
O operador do sistema permanece em constante comunicação com o piloto da aeronave
que, por sua vez, dispõe de uma tela que lhe proporciona dados do vôo segundo o
planejamento efetuado. Portanto, o operador pode alterar, em benefício da missão e em
função dos fatores ambientais, quaisquer dos parâmetros determinados durante o
planejamento, visando manter as características e especificações do projeto. É por esta razão
que os fabricantes provêm ferramentas como os softwares de planejamento e controle de vôo,
que permitem ajustar de forma imediata os parâmetros da operação do sistema.
Qualquer das mudanças efetuadas durante o vôo, como por exemplo, velocidade, altura,
direção de vôo, distribuição ou densidade de pontos, será devidamente registrada e
armazenada, para ser empregada na fase de pós-processamento.
Uma atividade realizada durante a coleta de dados é a operação do dispositivo Laser.
Dadas as qualidades de um feixe de luz Laser, os fabricantes incorporaram um dispositivo
laser com a finalidade de determinar um novo dado que será oportunamente empregado para
calcular a posição de cada ponto sobre a superfície topográfica de interesse.
Inicialmente o dispositivo Laser é acoplado ao sistema inercial e ao receptor GPS. Esta é
a tarefa de maior importância para o fabricante no momento de instalar o sistema de varredura
laser, permitindo que os dados recebidos por cada um dos dispositivos que integram o sistema
mantenham uma coerência e adequada sincronização.
O dispositivo Laser é encarregado de gerar e emitir o feixe de laser, o qual será
devidamente dirigido para a superfície de estudo por meio de um conjunto óptico de espelhos
oscilantes que permitem uma varredura sincronizada perpendicular à direção de vôo. Este
dispositivo é capaz de receber a resposta de cada pulso ao ser refletida pelos objetos presentes
na superfície estudada. O feixe refletido da superfície é devidamente dirigido pelo conjunto
óptico (espelhos), a um medidor de intervalos de tempos, o qual registra o momento que é
emitido cada pulso laser e o momento em que chega o pulso refletido pela superfície,
determinando o intervalo de tempo ( ∆t ) resultante entre ambos os registros, considerando a
velocidade de propagação do feixe de laser. Este cálculo pode-se efetuar por meio da EQ. 2.6,
onde a letra (c) corresponde a velocidade da luz, (BALTSAVIAS, 1999).
∆t = 2 ×
h
c
EQ. 2.6
46
Os sistemas de varredura laser permitem registrar mais de um eco ou feixe refletido por
pulso antes de emitir o próximo pulso laser, devido à rapidez com que o sinal viaja no espaço
e ao tempo de funcionamento do dispositivo laser que o caracteriza como sistema de laser
pulsado. Esta situação impôs que os fabricantes programassem uma forma adequada de
armazenar as informações obtidas. Assim, todos os dados recebidos como primeiro eco de
cada emissão de pulso laser são registrados em um arquivo; todos os segundos ecos
registrados por pulso serão armazenados em outro arquivo.
A maioria dos sistemas de varredura laser permite registrar até dois ecos por pulsos,
tradicionalmente denominados primeiro e último pulso, como é o caso especifico dos sistemas
fabricados pela empresa Opetch. Os sistemas fabricados pela empresa TopEye e LH system
registram até quatro ecos por pulso representando um maior nível de detalhes em cada
registro laser, embora evidentemente requeiram maior espaço de armazenamento. A Fig. 2.14
ilustra os diferentes ecos do pulso laser.
FIG. 2.14 Ecos do pulso laser
Fonte: Sistema Topográfico TopEye
Existe uma informação de elevada importância que é registrada e armazenada no
momento de receber o feixe de laser refletido, e se refere à potência do feixe de laser com que
chegou o sinal, permitindo estudos futuros relacionados ao nível de reflexão que pode ter
qualquer objeto ou substância.
Esta informação é relevante porque orienta o usuário a
empregar o dispositivo laser cuja potência lhe permita receber maior informação da superfície
que será estudada. Embora não existam muitos textos analisando esta informação, é possível
alertar ao usuário que sistemas dotados de dispositivos lasers capazes de penetrar superfícies
marinhas (água), muito úteis para obter informação batimétrica, não são recomendáveis para
47
serem empregados sobre uma superfície topográfica, dadas as características da potência e
composição do feixe laser.
Outro aspecto importante a ressaltar é que o sistema dispõe de um dispositivo de
segurança para que se cumpram as normas de uso seguro de dispositivos Lasers. No momento
de detectar uma altura de vôo que permita que a potência do Laser ocasione lesões sobre a
superfície observada, imediatamente o sistema desativa a emissão do pulso laser, informando
na tela do software de controle do vôo. Esta afirmação contradiz o conceito apresentado por
Rocha (2000), onde assegura que “o sensor laser é de uso restrito ao emprego em regiões
remotas e sobre os oceanos, dado o fato de empregar pulsos de luz laser de intensidade
elevada, que podem ocasionar lesões a animais e pessoas”. Na verdade o sensor dispõe de um
feixe de luz de alta potência, mas, desde 1974, os organismos internacionais exigem que os
fabricantes que operam com dispositivos lasers cumpram com as medidas de segurança
(ANSI Z136.1-2000) na construção de seus equipamentos. Este tipo de informação confunde
os usuários com relação na operação do sistema de varredura laser e suas aplicações.
Finalmente, ao ter coletado todos os dados necessários, inicia-se a operação de
Processamento. O passo inicial desta fase é recolher toda a informação coletada pela estação
de referência em terra e a informação registrada a bordo da plataforma do sensor. Cada
sistema conta com um software para processar essa massa de dados; não obstante, existem
fabricantes exclusivos de software de processamento que habilmente tratam de acoplar-se às
ferramentas tradicionalmente empregadas no setor cartográfico, criando aplicativos especiais
compatíveis com as diferentes linhas de trabalho. Existem fabricantes que se apóiam neste
tipo de soluções, dedicando o máximo tempo na construção do sistema e deixando a tarefa de
programação e processamento em mãos de especialistas, embora seja recomendável escutar as
sugestões do fabricante do sistema para assegurar compatibilidade na integração dos
softwares.
Qualquer que seja a solução adotada, o procedimento tradicional é descarregar a
informação registrada a bordo da aeronave e a proveniente do coletor GPS da estação de
referência. Esta tarefa é de relevada importância, já que não só se descarregam os dados, mas
também são organizados adequadamente por meio de um conjunto de pastas, onde os dados
são armazenados de acordo com a informação registrada.
Recorde-se que cada componente do sistema de varredura a laser gera um grupo de
dados. Por exemplo, do receptor GPS, provêm um conjunto de informação de acordo com as
mensagens de correção diferencial. O sistema inercial gera também diferentes grupos de
48
dados que registram as variações da plataforma do sensor em cada eixo de referência durante
o tempo de operação do sistema. O dispositivo laser tem um conjunto de dados de acordo com
tipo de eco registrado do laser com o grau de reflexão de cada eco de pulso.
O sistema de controle do vôo registra os valores definitivos dos parâmetros descritos na
fase de planejamento.
Este alerta especial quanto ao manejo e armazenamento da informação é de elevada
importância, já que se dispõe de uma grande quantidade de dados dispostos em diferentes
arquivos e extensões. É importante notar que o produto gerado pelo sistema de varredura laser
é um conjunto de dados e não uma imagem, considerado tratar-se de um sensor não
imageador.
Uma vez descarregados os dados dos componentes do sistema Laser, inicia-se a tarefa de
integrá-los. O processamento é desenvolvido pelos softwares de forma integral, agrupando
todos os parâmetros e informações compiladas. Entretanto o algoritmo empregado, capaz de
integrar dados de tão variadas fontes, é protegido pelos fabricantes.
O operador do sistema só deve indicar ao software onde se encontra localizada cada
informação no diretório e onde serão armazenados os resultados do processamento. Esta
tarefa requer concentração, já que é variada a informação que deve indicar-se no programa, e
qualquer dúvida poderia ocasionar que o algoritmo processe dados incorretos.
Um exemplo das seqüências de operações que pode ser adotada pelo usuário é notificar
ao software as informações necessárias para o cálculo diferencial dos dados coletados pelos
receptores GPS, empregados para o cálculo da posição da plataforma do sensor, selecionando
os intervalos de tempo onde se registraram a maior quantidade de satélites em ambos
receptores. Este procedimento não é diferente dos empregados tradicionalmente ao processar
dados GPS, conforme se pode observar nas FIG´s 2.15 e 2.16.
49
FIG. 2.15 Processamento (Software Realm Survey Aircraft 3.02d)
FIG. 2.16 Processamento Software Realm Survey Aircraft 3.02d
Geralmente é selecionado o endereço onde se encontram armazenados os dados obtidos
do receptor a bordo da nave, como também o endereço dos dados da estação de referência.
Outras informações solicitadas pelo software são: o diretório dos dados obtidos do sistema
inercial, os parâmetros de calibração do sensor e os dados provenientes do dispositivo laser
onde os ecos recebidos foram armazenados de uma maneira especial, sendo, portanto
50
necessário indicar ao software que dados serão processados; os dados dos primeiros ecos do
pulso laser ou os dados dos últimos ecos.
Na realidade é necessário processar os dois registros, mas, evidentemente, isto terá que
ser feito em seções de trabalho diferentes. O importante é saber como diferenciar o arquivo de
saída, para evitar confusão.
Na seqüência descrita anteriormente descrevem-se de maneira muito geral os
procedimentos requeridos para obter informação a partir de um conjunto de dados adquiridos
pelo sistema de varredura laser com apoio dos softwares fornecidos pelos fabricantes do
sensor, gerando uma massa de dados 3D que podem apresentar-se na superfície de interesse,
como pode-se observar na FIG. 2.17.
O desafio agora é conhecer o algoritmo aplicado para integrar os dados obtidos das
tecnologias GPS/INS e Lidar.
FIG. 2.17 Processamento
Fonte: Sistema TopEye
É possível reconhecer que o software efetua primeiramente a determinação da posição
da plataforma do sensor, apoiado no cálculo diferencial (DGPS), proveniente dos dados dos
receptores GPS. O posicionamento obtido é ajustado por meio da integração dos dados
provenientes da calibração do sensor projetando as coordenadas do posicionamento ao centro
geométrico do sensor, e, finalmente, um novo ajuste é feito considerando a atitude da
51
aeronave durante a operação do sensor, situação registrada pelo sistema inercial. As
coordenadas obtidas da operação do sistema serão projetas a cada ponto onde se obtenha um
registro da interação do laser com a superfície de estudo, sendo necessário considerar o
sistema de varredura empregado pelo sensor, dado que este definirá o modelo matemático a
ser empregado para tal fim (MORIN, 2002).
Tradicionalmente os dados processados são apresentados em um conjunto de
coordenadas tridimensionais no sistema WGS-84 (leste, norte e elevação), no formato ASCII,
fornecendo uma vantagem no processamento de futuras conversões, tanto de coordenadas
como de formato de arquivo, de acordo com a necessidade do usuário final.
Existem equipamentos que incluem informação do grau de intensidade obtido no
momento do laser interagir com o alvo. Esta ferramenta é importante em futuras aplicações e
análise das diferentes respostas espectrais coletadas, uma vez que pode vir a fornecer a
composição dos materiais presentes na superfície de interesse.
A grande quantidade de dados obtidos numa superfície pelas características do sistema
permite detectar diferentes níveis de informação, registrando dados da superfície do solo
inclusive em áreas de vegetação abundante como pode observar-se na FIG. 2.18. Para a
construção de modelos numéricos de elevações e determinação da quantidade de massa
vegetal numa determinada superfície é necessário reconstruir de maneira precisa a verdadeira
superfície do solo. Entretanto, nem sempre o último pulso refletido pela superfície
corresponde, na informação do solo, requerendo um processamento adicional do sinal.
FIG. 2.18 Pulsos Refletidos do Laser
52
A representação dos dados obtidos como último pulso laser, é tratada para assegurar
reconstruir a superfície do solo da área de estudo, aplicando-se uma ferramenta de filtragem.
Essa operação é possível pela grande quantidade de pontos obtidos durante a varredura laser.
Assim, os dados que apresentem uma alteração muito significativa de acordo com seus
vizinhos serão extraídos do arquivo de pontos. Esta tarefa de filtragem elimina parte da
informação coletada, mas, na realidade, dada a grande quantidade de dados presentes na área
de estudo, o procedimento descrito não compromete os resultados finais, obtendo-se um
arquivo de pontos que representam a informação do solo da superfície de estudo.
O processo de filtragem é uma seqüência da fase de processamento protegida pelos
fabricantes, dado que sua aplicação gera um acréscimo nos custos do projeto. Esta informação
é essencial para o usuário na hora de selecionar o produto mais adequado para alcançar seus
objetivos, selecionando entre os dados brutos ou processados.
Os dados brutos geralmente proporcionam um conjunto de pontos dos diferentes níveis
de informação coletados pelo sistema, e sua manipulação por meio de ferramentas de
visualização de superfície permite reconstruir a realidade da área de interesse com uma ótima
quantidade de detalhes. Mas, ao precisar gerar curvas de nível ou organizar a informação de
acordo com os dados altimétricos, é preciso dispor de dados processados para conhecer o
comportamento real do solo na superfície de interesse (THOMAS, 2001).
É possível encontrar na Internet maiores informações sobre o funcionamento do sistema
de varredura laser, por meio do site www.lidar.com.br, trata-se da iniciativa da empresa
Esteio, posta à disposição dos usuários em junho 2002. Neste site pode-se encontrar trabalhos,
experiências, aplicações e fabricantes da tecnologia Laser Scanning. Outra referência muito
significativa na Internet é o site www.airbornelasermapping.com.
2.4
Fabricantes do Sistema
O processo evolutivo dos sistemas de varredura laser esteve em mãos da indústria
comercial há 25 anos, apresentando nesta última década avanços significativos com
possibilidades de aplicação cartográfica, construindo sistemas com características técnicas
especiais de acordo com a finalidade do estudo.
Depois de diversos protótipos de sistemas de varredura laser, foi iniciado sua
comercialização a partir de 1995; apresentando-se no mercado uma grande variedade de
sistemas com capacidades técnicas diferentes.
53
Os principais fabricantes do “Laser Scanners” existentes à época da elaboração desta
dissertação, estão listados no anexo 1. No anexo 2 apresenta-se os fornecedores brasileiros, de
serviços de varredura laser.
54
3
GERAÇÃO E AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DO MODELO NUMÉRICO DE
ELEVAÇÕES OBTIDO A PARTIR DE DADOS LASER.
3.1
Introdução
De acordo com os fabricantes dos sistemas de varredura a laser, a maior vantagem
oferecida pelo sistema é a possibilidade de dispor de uma massa considerável de dados
altamente representativos da superfície de interesse, os quais podem ser facilmente
processados para obter modelos digitais do terreno. A rápida geração de modelos digitais do
terreno, especificamente modelos numéricos de elevações sobre a superfície de estudo,
desperta um interesse especial no meio cartográfico, dado o fato de ser precisamente a
informação altimétrica, a tarefa que requer a maior carga de trabalho para um cartógrafo na
execução do mapeamento topográfico.
Reconstruir a informação altimétrica de uma determinada superfície, por metodologias
diferentes das tradicionais e empregando menor tempo de trabalho, pode ser o maior potencial
de aplicação da tecnologia Laser Scanning para o mapeamento topográfico. A qualidade da
informação altimétrica obtida com auxílio dos sensores de varredura a laser, será
verdadeiramente aceita se atingir os padrões de exatidão cartográfica aprovados pelas
organizações responsáveis. Na atualidade todo documento cartográfico construído no país
deve obedecer ao Decreto Lei nº 89.817, onde estabelece o padrão de exatidão cartográfico
(PEC), indicador estatístico que define a acuracidade dos trabalhos cartográficos (KÁTIA,
2001).
Com o fim de avaliar a qualidade do produto cartográfico construído com os dados
obtidos do sistema de varredura laser, é preciso gerar o mencionado produto, neste caso o
modelo numérico de elevações. O objetivo deste capítulo é elaborar uma metodologia que
permita gerar e avaliar o modelo numérico de elevações obtido a partir de dados laser e
fornecer informações que permitam obter conclusões significativas quanto à qualidade das
informações obtidas por meio deste sensor.
55
3.2
Metodologia Para a Geração do M.N.E. Obtido a Partir de Dados Laser
As fases que serão descritas a seguir encontram-se agrupadas em duas etapas
principais. A primeira descreve os procedimentos gerais da coleta de dados durante a
obtenção da informação altimétrica, considerada o passo inicial para a construção do MNE.
Trata-se da fase de maior transcendência, já que a qualidade de seu resultado afeta
diretamente qualquer processo posterior. Em seguida, a segunda fase estabelece a seqüência
de passos para construir os MNE que serão requeridos para as análises respectivas.
3.2.1
1º Fase (Coleta dos Dados Laser).
Como se pode observar na FIG. 3.1 abaixo, esta primeira fase contempla os processos de
operação do sistema de varredura laser, necessários para efetuar a coleta de dados altimétricos
georreferenciados da superfície de interesse.
Inicio
Planejamento
Coleta de Dados
(Sensor Laser)
Dados de Posicionamento
(DGPS,INS)
Dados
(Dista. e Ângulo de Varredura)
Dados
(Calibração do sensor)
Processamento
(Integraçãod dos dados)
DadosBrutos
(Coordenadas, E,N,H)
Filtragem
Informações
*Superficie
*Relevo
Conversão deFormato
(dwg para ASCII)
FIG. 3.1 Fluxograma Coleta dos Dados Laser.
56
As etapas iniciais do fluxograma (Planejamento, Coleta de Dados e Processamento),
foram descritas genericamente no item 2.3 “Operação do Sistema de Varredura Laser”. Essas
informações são aplicáveis ao amplo universo de equipamentos existentes no mercado,
efetuando os ajustes necessários de acordo com as características técnicas do sensor
empregado. Os detalhes operacionais específicos de cada sensor encontram-se fora do alcance
deste estudo, já que são dependentes diretamente das empresas que oferecem este tipo de
serviço de sensoriamento remoto, que contempla, equipes, software e pessoal altamente
treinado para tais funções. Esta restrição não afeta o objetivo principal do trabalho já que o
interesse é avaliar o produto cartográfico que é oferecido ao usuário final. A seguir serão
detalhadas as fases restantes da metodologia apresentada.
3.2.1.1 Dados Brutos
Uma vez processados todos os dados coletados pelo sistema de varredura laser, os
mesmos são agrupados de acordo com o pulso refletido correspondente. No momento da
coleta o sensor armazena todos os dados relacionados com cada eco do pulso laser refletido
em arquivos diferentes. Durante o processamento, os resultados obtidos são dispostos em
arquivos separados, o que dificulta o emprego das informações obtidas. O problema maior é
que ainda não e possível diferençar quais informações correspondem ao relevo ou a qualquer
outro fenômeno geográfico ou objeto presente na superfície estudada. Este fato ressalta a
necessidade de empregar uma estratégia que permita classificar as informações obtidas, tendo
como critério de classificação o fenômeno geográfico a analisar. Esta estratégia é conhecida
como filtragem e será descrita em seguida.
3.2.1.2 Filtragem
Esta fase do processo é de grande importância quando o objetivo de emprego dos
dados é a construção de um modelo numérico de elevações correspondente à topografia da
região em estudo. Qualquer outra informação contida na massa de dados coletados pelo
sensor daria origem a um modelo distinto, genericamente conhecido como “Modelo Digital
do Terreno”, onde o atributo representado não necessariamente é o relevo da área de estudo,
já que pode representar qualquer outro atributo presente na região. O modelo poderia,
57
inclusive, referir-se à representação numérica da vegetação quando o atributo representado
corresponde à altura da vegetação da superfície de interesse.
O sistema de varredura laser não reconhece qual ponto coletado corresponde ao relevo,
à vegetação ou a qualquer outro atributo presente na superfície de estudo. O conjunto de
dados registrados dispõe os mesmos atributos, referidos às coordenadas X, Y e Z, de acordo
ao sistema de projeção adotado. Entretanto, durante a coleta de dados, o sistema consegue
registrar um dado que identifica o tipo de eco do pulso que foi emitido ao interagir com
qualquer objeto presente na área de estudo.
Esta capacidade de registrar diferentes tipos de eco de cada pulso laser permite aplicar
algumas técnicas de filtragem para identificar quais pontos registrados como primeiro,
segundo ou terceiro eco de pulso refletido representa mais adequadamente a topografia da
superfície estudada. O resto da informação corresponderia a qualquer outro aspecto presente
na superfície de estudo.
A possibilidade de extrair a informação do solo, por intermédio dos dados adquiridos
abre um amplo leque de utilidades do sensor, as quais variam desde o estudo da biomassa de
uma região, até levantamentos batimétricos.
A fase de filtragem tem o objetivo específico de extrair do conjunto de dados brutos
coletados pelo sistema, a informação sobre a topografia da região de interesse, para facilitar a
futura construção do MNE.
As diferentes estratégias de filtragem têm uma estreita relação com o sistema de
varredura empregado pelo sensor, com a finalidade de obter o melhor resultado dos
algoritmos aplicados. Informação adicional sobre as tarefas de filtragem pode ser encontrada
em KRAUS and WOLFGANG (2000) e BETTINA, REISS and WOLFGANG (1999).
Na literatura destacaram-se dois processos de filtragem aplicados de acordo com as
necessidades do usuário. O primeiro processo constrói uma superfície de referência
empregando todos os pontos coletados pelo sensor laser. Logo, são determinados os resíduos
obtidos entre cada ponto originalmente coletado pelo sensor laser com a superfície de
referência, atribuindo um peso especifico a cada um dos resíduos, adotando o seguinte
critério: os resíduos positivos obterão o menor peso deixando valor 0 ao maior resíduo
positivo. Com relação aos resíduos negativos, estes obterão o maior peso. Em seguida, de
acordo com um conjunto de restrições aplicadas pelo operador, serão afastados os pontos de
menor peso, dispondo de uma massa de dados que representam o relevo. Estas restrições
58
foram estabelecidas de acordo com as características do terreno e diversos outros critérios
fixados pelo fabricante da metodologia de filtragem.
O segundo processo mais destacado, constrói uma superfície de referência por meio dos
dados coletados como último eco de pulso recebido pelo sensor de varredura laser. Logo cada
ponto é comparado com seus vizinhos, calculando-se para cada posição o coeficiente de
correlação. De acordo com os parâmetros fixados pelo fabricante do processo são retirados os
pontos que não atendam aos critérios adotados. Finalmente, é construída a verdadeira
superfície de referência, a qual será comparada com os pontos restantes coletados pelo sensor
aplicando a mesma metodologia, deixando duas massas de dados: uma com informação do
solo e outra com as demais informações coletadas.
3.2.1.3 Conversão de Formato
Os dados brutos integrados durante a fase de processamento podem ser dispostos em
diversos formatos de armazenamento de acordo com as necessidades do usuário.
Freqüentemente é possível receber os dados em formato ASCII. Entretanto, durante as tarefas
de filtragem, os dados refinados podem estar armazenados em outro tipo de formato, dado que
o software para efetuar a filtragem emprega um formato proprietário que pode ser exportado a
uma variada possibilidade de extensões, de acordo com a necessidade do usuário. A finalidade
desta fase é deixar pronto o conjunto de dados, que serão processados para gerar o modelo
numérico de elevações da superfície de estudo.
3.2.2
2ª Fase (Geração do M.N.E).
A seqüência de procedimentos a seguir, descreve a metodologia adotada para construir os
modelos numéricos de elevações que serão analisados com a finalidade de avaliar a qualidade
do produto gerado por meio dos sensores de varredura laser e determinar seu potencial
cartográfico. Convencionalmente os modelos numéricos de elevações foram aceitos como
produtos cartográficos, exigindo que o conteúdo de suas informações esteja construído com os
mesmos critérios científicos e precisão técnica alcançados por qualquer outro produto de porte
similar mantendo aos padrões nacionais e internacionais adotados oficialmente. Porém a
necessidade de gerar um produto que atenda às normas técnicas cartográficas vigentes requer
uma metodologia sistemática que mantenha a qualidade dos dados originais no produto
59
cartográfico gerado.
A seguir serão descritas as fases desta metodologia, tendo como
referência na FIG.3.2 que ilustra o fluxograma da geração do MNE obtido a partir de dados
laser.
inicio
Preparo dos dados
Deterninação dos Parâmetros
do M.N.E.
Construção do M.N.E.
Fim
FIG. 3.2 Fluxograma da Geração do MNE
3.2.2.1 Preparo dos Dados
O primeiro trabalho a ser feito é conhecer a projeção e o sistema de referência nos quais
se encontram os dados coletados pelo sensor laser e definir o sistema de referência para o
modelo a ser gerado de acordo com as necessidades do usuário. Nessa fase será feita a
conversão respectiva dos dados originais, se necessária. A próxima tarefa a executar é
determinar o emprego total ou parcial dos dados laser, devido à grande quantidade de dados
obtidos do sensor de varredura.
De acordo com o programado durante a fase de planejamento, a coleta de dados pode ter
um alto ou baixo nível de detalhamento, soluções que estarão diretamente relacionadas com o
tamanho dos arquivos dos dados. Freqüentemente é adotado o critério de coletar a maior
quantidade de informações da superfície de estudo aproveitando o máximo emprego do sensor
e seus custos associados. Esta solução pode atrapalhar as fases de pós-processamento e
manipulação dos dados coletados pelo sensor. Porém, os fabricantes oferecem ferramentas
para extrair do conjunto total de dados, uma amostra de dados devidamente representativa que
60
possa atingir as necessidades do usuário. Estas ferramentas são protegidas pelo fabricante é se
desconhece os algoritmos empregados para tais fins.
É possível que o fabricante empregue técnicas de interpolação definindo um
espaçamento maior ao disposto entre os pontos originais, aproveitando esta metodologia para
dispor uma distribuição regular dos pontos coletados pelo sensor, dado o fato que os pontos
coletados pelo sistema laser estão dispostos de acordo com o método de varredura que
emprega o sensor para cobrir a superfície de estudo, distribuindo os pontos de forma semiregular. Outra alternativa é adotar uma metodologia que selecione só alguns pontos do
arquivo original de acordo a um critério apropriado para manter dados representativos de toda
a superfície estudada.
A solução adotada neste trabalho foi construir uma metodologia que seleciona um
conjunto de dados do arquivo original sem modificar a qualidade dos dados coletados pelo
sensor mantendo uma distribuição homogênea em toda a superfície de estudo. Esta
metodologia foi construída com apoio do software Matchcad.
Na construção da solução proposta o primeiro passo foi selecionar um ponto de referência
do universo de pontos dispostos nos arquivos de dados laser. Para tal fim foi empregado como
ponto de referência o primeiro ponto do arquivo de dados; seguidamente determinaram-se as
distâncias entre o ponto de referência e os demais pontos presentes no arquivo de dados laser.
Uma vez obtido o cálculo das distâncias, foi adotado como critério de coleta, aqueles pontos
cuja distância ao ponto de referência fosse menor ou igual ao valor do raio inicial o qual foi
determinado de acordo com a percentagem de dados a coletar. O espaçamento do raio inicial
dispõe uma margem de tolerância de dois metros, fornecendo um limite superior e inferior,
esta condição permite coletar aqueles pontos que se encontram nessa faixa de espaçamento.
Para poder coletar pontos em toda a superfície de interesse foi necessário repetir o mesmo
procedimento incrementando o valor do raio inicial até que o valor do raio de coleta fosse
maior o igual à máxima distância calculada entre o ponto de referência e os pontos presentes
no arquivo de dados laser. Finalmente esta metodologia foi implementada no Matchcad
estabelecendo como condição que o valor do raio inicial seja adotado de acordo com a
porcentagem de dados a coletar e que o incremento do raio mantenha a mesma magnitude que
o raio inicial.
O programa descrito pode ser observado no Apêndice 7.1. No capítulo 4 “Experimento”,
será empregado o processo de filtragem descrito anteriormente com a finalidade de trabalhar
com diferentes conjuntos de dados da mesma área de estudo.
61
Finalmente, uma vez preparados os dados para seu futuro processamento, a leitura dos
mesmos pode ser feita diretamente no arquivo de dados. Entretanto com a finalidade de ter
uma melhor visualização da área de trabalho e poder extrair a maior quantidade de
informações relevantes, é recomendável empregar uma ferramenta de visualização apropriada.
A leitura dos dados de varredura a laser será efetuada por meio do software
DATAGEOSIS versão 2.0, plataforma selecionada por suas ferramentas amigáveis de
manipulação de dados cartográficos e com o objetivo de utilizar uma nova plataforma de
trabalho criada no Brasil, para o ambiente Windows, pela empresa Alezi Teodolini. Por meio
da FIG. 3.3 pode-se observar na tela do software Datageosis a representação de um conjunto
de dados laser e sua nova disposição logo após o processo de filtragem.
FIG. 3.3 Visualização da Área de Teste
Fonte: software Datageosis versão 2.0
3.2.2.2 Determinação dos Parâmetros do M.N.E.
Os parâmetros empregados para gerar um modelo numérico de elevações são: os limites
da área de estudo, determinados pelos pontos máximos e mínimos do conjunto de dados a
representar, a seleção do espaçamento em X e Y, entre os pontos da superfície a gerar ou a
seleção da quantidade de linhas e colunas da grade que representará a superfície da área de
62
estudo; finalmente, seleciona-se o método de interpolação a ser empregado na construção do
MNE.
O critério utilizado para determinar os limites da área de estudo foi empregar os pontos
mínimos e máximos das áreas disponíveis com dados obtidos através do sensor de varredura a
laser. Com relação ao espaçamento a primeira ação é estimar a escala de representação do
MNE e aplicar os critérios adotados pelos organismos oficiais responsáveis pelas normas
cartográficas vigentes no país. O problema é que as normas recomendam um espaçamento
planimétrico em função da precisão vertical desejada para a confecção de cartas topográficas
através de técnicas convencionais de fotogrametria digital, como pode observar-se em as
Normas Provisórias para Fotogrametria Digital ou no estudo comparativo entre as diferentes
estratégias adotadas pela 1ª Divisão de Levantamentos, pela Intergraph e por Ackerman
(MENDONÇA, 2003). Este fato sugere a necessidade de se criar um conjunto de normas
técnicas específicas para outros métodos de geração de MNE, caso do sistema de varredura a
laser, dentre outros. Apesar dos problemas descritos, ainda foi empregado como padrão de
referência o espaçamento recomendado nas Normas Provisórias para Fotogrametria Digital
(Anexo 8.3), dado o fato de provir de organismos oficiais e não se dispor de outra fonte de
referência com igual grau de relevância.
Em seguida foi adotado como interpolador o método de Kriging por ser considerado um
método de estimação ótimo, do ponto de vista estatístico (FELICISIMO, 1994).
3.2.2.3
Construção do M.N.E
Finalmente, depois de dispor os parâmetros para a construção do MNE, iniciou-se a
seleção do software empregado para processar a geração dos modelos. A seleção foi feita
entre o software DATAGEOSIS versão 2.0 e o SURFER versão 8.0, optando-se pelo segundo
por fornecer maiores ferramentas de manipulação para modelagem de dados 3D. No caso do
Datageosis observa-se que este não permite ao usuário selecionar o interpolador nem os
limites que definem a área real do trabalho. Estas dificuldades eliminaram a possibilidade de
empregá-lo na construção dos modelos numéricos de elevações previstos na dissertação.
O Surfer permite gerar uma superfície (.grd) de acordo com a solicitação do usuário,
permitindo alterar qualquer parâmetro envolvido no processo. Inicialmente o software solicita
carregar os dados que serão empregados como fonte de informação para o futuro MNE; esta
operação é feita por meio da opção “Grid” do menu principal é a sub-opção “Data”,
63
selecionando seguidamente o diretório e o nome do arquivo de dados a processar. Uma vez
carregados os dados será apresentada uma janela de identificação, como se pode observar na
FIG.3.4, onde é necessário ajustar os parâmetros que foram previamente definidos no item
3.2.2.2 “Determinação dos Parâmetros do MNE”. Finalmente deverá ser notificado quais
colunas do arquivo de dados correspondem à coordenadas X,Y,Z, e pressionar a função “OK”
para ordenar ao software a execução das operações que darão origem a o MNE requerido.
FIG. 3.4 Seleção dos parâmentros da interpolação do MNE
Fonte: software SURFER versão 8.0
3.2.3
Metodologia Para Avaliação da Qualidade de um M.N.E. Obtido a Partir de Dados
Laser
Convencionalmente os Modelos Numéricos de Elevações foram aceitos como produtos
cartográficos, exigindo que o conteúdo de suas informações esteja construído com os mesmos
critérios científicos e precisão técnica alcançados por qualquer outro produto de porte similar
de acordo aos padrões nacionais e internacionais adotados pela organização que originou a
informação.
A qualidade de um MNE depende da magnitude dos erros acumulados nas diferentes
etapas de construção do modelo (FELICÍSIMO, 1994). À medida que o processo de produção
64
de um MNE é mais prolongado aumentam as probabilidades de diminuir a qualidade dos
dados que deram origem a esta nova representação, recordando que os modelos são visões
simplificadas da realidade obtidas por processos adequados de generalização dispostos para
obter a melhor representação da superfície de interesse.
A necessidade de conhecer a qualidade dos MNE gerados a partir dos sistemas de
Varredura Laser, possui um interesse especial em virtude do método de coleta dos dados
altimétricos ser proveniente de uma moderna tecnologia cujo principal objetivo é oferecer
uma alternativa aos tradicionais métodos de aquisição deste tipo de dados (BEHAM, MAAS
and VOSSELMAN, 2000). A seguir serão descritas as fases da metodologia proposta para
avaliar a qualidade do MNE obtido a partir de dados laser, tendo como referência a FIG.3.5
que ilustra o fluxograma da metodologia de avaliação.
inicio
Pesquisa da Base de referência
Construção do M.N.E. de
referência
Comparação dos M.N.E.
Fim
FIG. 3.5 Fluxograma da Avaliação do MNE
3.2.3.1 Pesquisa da Base de Referência
Esta fase tem a finalidade de determinar a mais idônea fonte de informação cartográfica
existente que será empregada como superfície de referência para avaliar o MNE construído a
partir dos dados obtidos do sensor de varredura laser. A máxima prioridade será outorgada às
informações obtidas de organismos oficiais e à escala mais apropriada em concordância com
os dados que serão avaliados.
65
A referência mais idônea é coletar um conjunto representativo de pontos, com uma alta
qualidade de precisão sobre a mesma área onde se encontram os dados laser que serão
avaliados, para dispor uma excelente base referencial que permita uma comparação ajustada à
realidade da área de estudo. Esta solução requer tempo e financiamento, requerimentos fora
do alcance desta dissertação, devido a dificuldades operacionais. Primeiramente a procura dos
dados coletados pelo sensor de varredura laser sobre uma área dentro do território Brasileiro
foi uma tarefa que demandou maior tempo do que o inicialmente planejado por se tratar de
regiões com informações estratégicas, de emprego restrito por razões de segurança. A
necessidade de coletar um numero significativo de pontos de alta precisão devido à densa
quantidade de pontos laser disponíveis exigiria um esforço logístico significativo.
Uma alternativa para fonte de referência era o emprego de pontos da Rede Brasileira de
Monitoramento Continuo ou pontos correspondentes ao Sistema Geodésico Brasileiro
dispostos na área de estudo, para fazer comparações pontuais. Esta solução não foi possível
concretizar pelo fato dos pontos referidos encontrarem-se fora dos limites da área coberta com
os dados laser empregados neste estudo.
O emprego do mapa geoidal do Brasil, poderia fornecer uma estratégia de avaliação
muito interessante, mas esta solução poderia ser utilizada-se os dados brutos coletados pelo
sensor fossem disponíveis sem haver sido processados e a altitude elipsoidal coletada pelo
receptor GPS dos pontos laser fosse conhecida. Os pontos laser fornecidos para esta
dissertação foram devidamente processados, impossibilitando esta estratégia.
Finalmente, empregar uma fonte de informação cartográfica existente, permitiria extrair
um conjunto de dados de toda a área de estudo oferecendo uma alternativa de comparação de
dois produtos cartográficos gerados por metodologias diferentes. O emprego de outra fonte de
informação cartográfica como referência não pretende ser uma ferramenta para concluir qual
das fontes é mais precisa, já que ambos métodos de coleta de dados têm objetivos distintos,
oferecendo vantagens e desvantagens de acordo com a análise realizada. A finalidade é
empregá-la como uma referência por possuir um alto grau de confiabilidade e qualidade
seguindo os critérios nacionais adotados por um órgão oficial responsável pelas normas
cartográficas vigentes no país. Esta estratégia foi adotada para construir uma superfície de
referência, a qual será empregada na avaliação do MNE gerado a partir dos dados laser.
3.2.3.2
Construção do M.N.E. de Referência.
66
Uma vez selecionado como base de referência outros documentos cartográficos
existentes, neste caso mapas topográficos das áreas de estudo, é preciso extrair deles as
informações necessárias para construir um modelo numérico de elevações. Esta tarefa pode
ser feita diretamente, se o material cartográfico encontrar-se em formato digital; caso
contrário deverá ser feita a digitalização das curvas de nível presentes na área de estudo. Ao
dispor da massa de dados extraída do mapa topográfico é preciso gerar um MNE empregando
os mesmos limites e parâmetros selecionados para o MNE feito a partir dos dados laser, como
foi descrito no item 3.2.2.2 “Determinação dos Parâmetros do MNE”.
3.2.3.3
Comparação dos M.N.E.
Uma vez construídos os dois modelos numéricos de elevações a comparar, é selecionado
o MNE de referência para ser manipulado no software Surfer. Esta manipulação consiste na
conversão do arquivo de superfície (.grid) para um arquivo de dados (.dat). Esta tarefa é feita
através da opção “File” do menu principal e do sub-opção “Open”, selecionando
seguidamente o diretório é o nome do arquivo de dados a processar. Neste caso, o arquivo
representa o modelo numérico de elevações construído como referência. Uma vez carregada a
superfície (.grid) do MNE de referência no Sufer é possível converter o arquivo de superfície
(.grid) a um arquivo de dados (.dat) por meio da opção “File” do menu principal e a subopção “Save” “As...” , onde poderá ser selecionado o diretório, nome e extensão do novo
arquivo de saída. Este processo é necessário para o cálculo dos resíduos entre o MNE de
referência e o MNE gerado a partir de dados laser.
Aplicando outra ferramenta do software Surfer é possível calcular os resíduos entre uma
superfície (.grd) é um arquivo de dados por meio da opção “Grid” do menu principal é a subopção “Residuals”, onde deverão ser selecionados o arquivo de superfície e o de dados, a
serem comparados. Uma vez calculados os valores dos resíduos entre ambas superfícies
foram selecionados um conjunto de medidas estatísticas de posição, dispersão e variabilidade,
com o fim de facilitar a interpretação e análise dos resultados obtidos, através de ferramentas
adequadas que permitam ressaltar as tendências e características dos dados analisados. Com
apoio da TAB. 3.1 podem-se observar as estatísticas empregadas na organização dos resíduos
obtidos da comparação dos MNE. Para maiores detalhes sobre as estatísticas utilizadas,
sugere-se consultar (CRESPO, 1987).
67
Outra análise a efetuar é em relação ao processo de filtragem descrito no item 3.2.2.1
“Preparo dos Dados”, onde se apresenta uma ferramenta para determinar o emprego total ou
parcial dos dados laser. A metodologia da análise será construir diferentes MNE
correspondentes à mesma área de estudo por meio do emprego de diferentes amostras de
dados extraídas do arquivo original de dados laser disponível para esta pesquisa. Os modelos
numéricos de elevações construídos serão comparados com o MNE de referência e com o
MNE gerado com o emprego total dos pontos lasers disponíveis.
TAB. 3.1 Medidas estatísticas empregadas na avaliação dos MNE gerados.
Ferramentas Estatísticas
Resíduo mínimo
r min := min( r1 , r2 , r3 , ......, r n)
Resíduo máximo
r max := max( r1 , r2 , r3 , ......r
...... n)
r range := r max − r min
Range
r media :=
Média
1
n
r mediana :=
⋅
∑
ri
i =1
n+1
r mediana :=
Mediana
Quartil 1
n
2
n
2
ou
+1
Variância
Desvio Padrão
1
Denomina-se quartil o valor de uma amostra que a divide em quatro partes iguais (CRESPO, 1987).
68
4
4.1
EXPERIMENTO E ANÁLISE DOS RESULTADOS.
Introdução
Para avaliar a qualidade dos dados obtidos a partir do sensor laser com os dados da carta
topográfica, é necessário criar uma metodologia para fazer coincidir ambas massas de dados,
fixando alguma variável, neste caso as coordenadas X e Y de cada ponto; e comparar as
elevações de ambos ponto a ponto. Esta solução foi adotada dada a maneira irregular como
encontram-se dispostos os dados da área de estudo, impossibilitando uma comparação direta
entre ambas as amostras. Foram gerados dois MNE de grade regular, construídos com as
mesmas especificações técnicas. O primeiro interpolando as altitudes dos pontos coletados
pelo sensor laser e o segundo MNE interpolando as altitudes dos pontos extraídos das curvas
de nível. Os parâmetros para gerar ambos MNE devem coincidir para dispor os pontos
exatamente com as mesmas coordenadas planimétricas e avaliar as diferenças com relação ao
valor altimétrico dos pontos analisados.
O objetivo desta fase é aplicar a metodologia proposta no capítulo 3 a um conjunto de
dados laser fornecidos pelas empresas Geoid e Petrobras ao Departamento de Engenharia
Cartográfica do Instituto Militar de Engenharia e analisar os resultados obtidos de acordo com
o interesse e exigências de um produto cartográfico.
4.2
Material da Geoid
Respondendo a solicitação feita em 09 de Janeiro de 2002 por meio do oficio Nº 001- PG
do Departamento de Engenharia Cartográfica do IME, o diretor da empresa Geoid Ltda
providenciou um conjunto de dados coletados por seu sensor laser ALTM 1210 ao Instituto
Militar de Engenharia, com a finalidade de que os mesmos fossem empregados
exclusivamente para fins didáticos e de pesquisa. O apoio da empresa Geoid não se limitou ao
fornecimento de dados laser; esta empresa também providenciou a oportunidade de operar o
sistema durante um vôo de 45 minutos executado exclusivamente para este estudo. O contato
com os equipamentos, software e pessoal presentes em sua empresa resultaram em valiosas
experiências e conhecimentos acerca da tecnologia Laser Scanning.
69
4.2.1
Descrição da Área.
Os dados cedidos pela Geoid correspondem a uma área do município de Vespasiano, do
estado de Minas Gerais, de propriedade do diretor da empresa, engenheiro Mario Oscar de
Souza Lima. A área coberta pelos dados laser abrange uma extensão de 126.362,71 m², ao sul
do Ribeirão da Mata, nas vizinhanças da cidade de Vespasiano. Não foi possível dispor maior
quantidade de dados, fruto das cláusulas de confidencialidade da empresa.
4.2.2
Descrição dos Dados Obtidos do Sensor Laser
A quantidade de pontos laser entregados pela Geoid foi de 22.469 pontos por meio do
arquivo “platô-pontosXYZ.dwg”, apresentando as seguintes características:
•
1.190 KB de tamanho de arquivo.
•
17.544 pontos que descrevem o relevo da área de trabalho.
•
4.925 pontos atribuídos à vegetação.
•
Espaçamento aproximado entre os pontos de 2 metros.
•
Projeção Universal Transversa de Mercator (UTM), MC 45.
•
Datum Horizontal: SAD – 69
•
Datum Vertical: Marégrafo de Imbituba (SC)
Quanto às estatísticas dos dados do relevo da área de trabalho, podem-se destacar os
valores numéricos mencionados na TAB. 4.1 abaixo:
TAB. 4.1 Estatísticas dos dados fornecidos pela Geoid
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
615229,36
615315,15
615401,7
615501,45
615592,52
363,16
615407,71
70
Laser
Y(m)
7820044,28
7820112,85
7820187,29
7820287,99
7820391,33
347,049
7820200,14
17544
Z(m)
738,82
752,15
765,42
773,3
782,83
44,01
762,533
4.2.3
Geração do M.N.E. a Partir de Dados Laser
Com as informações descritas nos itens anteriores e aplicando a metodologia proposta no
capítulo 3, foram construídos 5 cinco MNE a partir dos dados laser. Para isso emprega-se o
20%,40%,60%,80% e 100 % dos pontos lasers disponíveis. Esta tarefa foi feita por meio do
procedimento de filtragem apresentado no item 3.2.2.1. Os parâmetros adotados para o grade
de cada MNE encontram-se presentes na TAB.4.2. As tabelas 4.3 a 4.6 apresentam as
características das massa de dados que deram origem aos MNE gerados com os dados
fornecidos pela Geoid.
TAB. 4.2 Parâmetros para a Geração dos MNEs a serem avaliados.
X
Y
Interpolador
Total de Pontos
Grade
Mínimo(m)
615230
7820050
Máximo(m)
615580
7820380
Kriging
64
8 linhas x 8 colunas
Espaçamento(m)
50
47,1428571
TAB. 4.3 Estatística da amostra coletada com 80% dos dados laser fornecidos pela Geoid.
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
615229,36
615315,38
615401,86
615501,43
615592,52
363,16
615407,79
71
Laser
Y(m)
7820044,28
7820113,20
7820186,53
7820286,95
7820391,33
347,04
7820199,67
14120
Z(m)
738,82
752,43
765,57
773,43
782,83
44,01
762,66
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
615229,38
615315,03
615402,48
615501,25
615592,52
363,14
615408,10
Laser
Y(m)
7820044,28
7820113,02
7820187,40
7820287,55
7820391,33
347,04
7820200,13
10613
Z(m)
738,82
752,27
765,53
773,44
782,28
43,46
762,60
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
615229,36
615316,02
615402,19
615501,03
615592,52
363,16
615408,18
Laser
Y(m)
7820044,28
7820113,05
7820187,48
7820287,73
7820391,33
347,04
7820199,94
7060
Z(m)
738,82
752,28
765,54
773,31
781,88
43,06
762,62
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
615529,36
615317,65
615402,69
615505,32
615592,26
362,90
615409,86
72
Laser
Y(m)
7820044,43
7820111,67
7820186,70
7820287,31
7820391,08
346,65
7820199,13
3534
Z(m)
738,82
752,66
765,38
773,10
781,81
42,99
762,58
4.2.4
Disponibilização da Base de Referência
Uma vez conhecidas as informações técnicas dos dados outorgados pela empresa Geoid,
iniciou-se a busca de fontes cartográficas, partindo do índice de cobertura cartográfica do
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) da Diretoria de Serviço Geográfico do
Exército Brasileiro (DSG). Entretanto, dada a localização geográfica dos dados empregados
na pesquisa, a organização que apresentou a maior quantidade de informação da área, de
acordo com nosso objetivo, foi o Instituto de Geociências Aplicadas de Belo Horizonte, MG
(IGA), adquiriram-se desse organismo as cartas analógicas 1:50.000 ( construída pelo IBGE)
e 1:25.000 (construída pelo consórcio cruzeiro-terrafoto-prospec) correspondentes a Lagoa
Santa, Município Vespasiano no estado de Minas Gerais.
O material cartográfico selecionado por ter maior nível de detalhamento da área de
estudo, foi a carta topográfica Lagoa Santa na escala 1:25.000, folha SE 23-ZC-VI-1-SO,
editada em 1977 pelo consórcio CRUZEIRO-TERRAFOTO-PROSPEC, na projeção UTM,
referida ao Datum Horizontal Córrego Alegre, MG e vertical considerando o nível médio do
mar o marégrafo Imbituba, SC; a eqüidistância das curvas de nível é de 10 metros.
Uma observação de importância e o fato de que os dados estudados estão referidos ao
Datum SAD69, o que implica na necessidade de conversão de Datum. Para tal fim foi
empregado o software TOPOG 5.05 versão Beta, construído pelo Doutor Luiz Felipe
Coutinho Ferreira da Silva e o software GeoCalc versão 4.2 fabricado pela Geocomp Systems.
Outra tarefa implícita nesta fase é dispor a base cartográfica em formato digital para
facilitar a extração da informação altimétrica. No caso de ter uma base cartográfica em
formato analógico é imprescindível efetuar um processo de digitalização de acordo com os
recursos técnicos disponíveis. Informações adicionais acerca dos métodos de digitalização
podem ser encontradas em BARRA ROCHA (2000).
4.2.5
Geração do M.N.E. de Referência
Conforme visto no item 3.2.3.2, foram extraídas as informações altimétricas da região de
estudo através da digitalização das curvas de nível da carta topográfica 1:25.000 “Lagoa
Santa”, adotada como base de referência. Destaca-se a tarefa de conversão dos dados ao
73
datum horizontal SAD 69 cumprindo as exigências da legislação vigente e as normas técnicas
fixadas no Decreto Lei nº 89.817, permitindo compatibilizar os dados da base cartográfica e
os dados coletados pelo sensor laser no mesmo sistema de referência. Uma vez disponível a
informação altimétrica da zona de estudo, foram empregados os parâmetros fixados na
TAB.4.2 para a geração do MNE de referência através do software Sufer. A TAB 4.7
apresenta as informações estatísticas dos dados coletados da carta topográfica.
Ao dispor da superfície do MNE gerado como referência é necessário aplicar a
metodologia descrita no item 3.2.3.3, para converter os dados do MNE gerado em um arquivo
de texto (.dat,.xls ou .txt), deixando prontas todas as informações requeridas para a aplicação
dos teste de avaliação descritos a seguir.
TAB. 4.7 Estatísticas dos dados coletados da base cartográfica de referência
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
4.2.6
Carta Topográfica
X(m)
Y(m)
Z(m)
615003,58 7819735,94 740
615335,74 7820008,93 750
615509,52 7820176,54 760
615645,71 7820357,09 770
615820,71 7820646,48 792
817,17
910,54
52
615482,16 7820179,37 761,45
1772
Teste do M.N.E.
Num primeiro teste realizado, foram calculados os resíduos dos MNE construídos com as
diferentes massas de dados extraídas por meio do emprego do processo de filtragem proposto
neste estudo descrito no item 3.2.2.1, e o MNE de referência. Este conjunto de superfícies
(MNE) foi gerado com os mesmos parâmetros, destacando-se o critério de espaçamento
adotado, o qual atende ao mapeamento topográfico para uma carta 1:25.000, dado o fato que o
documento cartográfico empregado para obter o modelo de referência, corresponde à escala
citada. Porém o modelo gerado com estas informações estaria atendendo a uma escala
1:25.000 e o espaçamento recomendado de acordo às Normas Provisórias para Fotogrametria
Digital prevê 50 metros de espaçamento horizontal. A TAB.4.8 apresenta uma estatística dos
resíduos calculados, os quais podem ser visualizados na FIG 4.1
74
TAB. 4.8 Estatísticas dos Resíduos (metros)
% Pontos Laser
Empregados
Mínimo
Máximo
Range
Média
Primeiro quartil
Terceiro quartil
Variância
Desvio Padrão
20%
-1,914044814
30,51214326
32,42618807
9,557515531
3,395371821
14,63304608
61,56692545
7,846459421
40%
-2,01504019
30,5130553
32,5280955
9,60703405
3,26491395
14,0968595
62,3023631
7,8931846
60%
-1,872871169
30,74027959
32,61315075
9,578418196
3,193590314
14,09361384
63,26749026
7,954086388
80%
-2,002015008
30,76840868
32,77042368
9,609479644
3,050477396
14,06635277
63,02834849
7,939039519
100%
-2,004167579
30,75971471
32,76388229
9,627889946
3,213734952
14,07580209
63,12301634
7,944999455
Diferençãs
(metros)
Desvio Padrão
8
7.9
7.8
7.7
Desvio Padrão
20
40
60
80 100
% Pontos Laser Empregados
Diferenças
(metros)²
Variância
64
63
62
61
60
Variância
20
40
60
80
100
FIG. 4.1 Representação gráfica dos resíduos calculados.
O segundo teste representa em forma gráfica os MNE gerados, com a finalidade de
perceber as diferencias visuais entre cada modelo, como se pode observar nas FIG. 4.2a, 4.2b
e 4.2c abaixo.
75
MNE (100%Pontos Laser) 8 linhas x 8 Colunas
FIG. 4.2.a Representação Gráfica dos MNE obtidos do 80 e 100% dos dados laser.
FIG. 4.2.b Representação Gráfica dos MNE obtidos do 40 e 60% dos dados laser.
MNE DE REFERÊNCIA (8 linhas x 8 Colunas)
FIG. 4.2.c Representação Gráfica dos MNE obtidos do 20 dos dados laser e O
MNE de Referência.
76
No terceiro teste, o MNE da superfície de estudo é gerado adotando-se um espaçamento
próximo ao encontrado entre os pontos laser presentes no arquivo original. A FIG 4.3.
apresenta a representação gráfica das superfícies geradas com o novo critério de espaçamento
de 2 metros de acordo com as características de espaçamento dos dados fornecidos pela Geoid
descritos no item 4.2.2., equivalentes a 151 linhas x 160 colunas na grade do MNE. A TAB.
4.9 reúne os resíduos calculados entre os MNE gerados.
FIG. 4.3 Representação gráfica dos MNE Construídos.
Escala X 1.0 in = 58.3, Y 1.0 in = 58.3, Z 1.0 in = 28.68
TAB. 4.9 Estatísticas dos Resíduos
Resíduos dos MNE (Carta Top.Vs Pontos laser)
Total de pontos
24160
Dimensões da Grade
151 lin x 160 col
Mínimo
-3,94330209882355
Máximo
29,3086039914282
Range
33,2519060902517
Média
9,7354509241033
1º Quartil
3,89863953617225
3° Quartil
14,0476814347985
Variância (m²)
56,6485477905052
Desvio Padrão (m)
7,52652295489127
O quarto teste se dispõe a visualizar a distribuição das amostras de dados coletas ao
empregar a metodologia de filtragem adotada nesta dissertação. Para isto foi utilizado o
software Datageosis visualizando os arquivos de dados gerados durante o processo de
filtragem, apresentados pelas FIG 4.4 a 4.6. A FIG.4.4 visualiza a totalidade dos pontos lasers
77
fornecidos pela Geoid, a FIG. 4.5 representa 60% dos pontos é a FIG.4.6 mostra só 20% dos
dados disponíveis.
(17544 pontos)
Fonte: software Datageosis versão professional
(10613 pontos)
78
FIG. 4.6 Representação do 20% dos dados laser fornecidos
pela Geoid (3534 pontos)
De acordo com os resultados dos testes citados anteriormente foi necessário incluir um
novo teste para certificar a precisão dos dados laser e avaliar seu potencial de emprego no
mapeamento. Para isto, foi necessário dispor de dados descritivos do relevo da região de
estudo, coletados com outras tecnologias, cuja precisão forneça uma margem de erro menor
que os coletados por meio das cartas topográficas. Optou-se por coletar um conjunto de
pontos através de receptores GPS de dupla freqüência empregando o método DGPS.
Este quinto teste foi planejado em duas etapas, a saber: a primeira constrói duas
superfícies, uma com os dados laser e outra com os dados coletados com o GPS. Ambas as
superfícies foram geradas com os mesmos parâmetros, tendo como critério a seleção de uma
região onde se pudesse dispor da maior quantidade de pontos GPS. Além disto, houve a
preocupação de que os pontos de campo tivessem uma distribuição homogênea na área do
teste.
A TAB. 4.10 apresenta os parâmetros da nova área de teste e a FIG 4.7 permite visualizar
a distribuição dos pontos laser e GPS na região selecionada. A TAB. 4.11 reúne os resíduos
calculados entre os MNE gerados.
79
TAB. 4.10 Parâmetros para a Geração dos novos MNEs que serão avaliados.
X
Y
Interpolador
Total de Pontos
Grade
Mínimo(m)
615410
7820175
Máximo(m)
Espaçamento(m)
615460
0,5
7820210
0,5
Kriging
7171
FIG. 4.7 Representação da área do teste 5
(Pontos GPS em amarelo e pontos laser em vermelho)
TAB. 4.11 Estatísticas dos Resíduos dos MNE (Laser-GPS)
Resíduos dos MNE (Laser.Vs GPS)
Total de pontos
7171
Dimensões da Grade
71 lin x 101 col
Mínimo
-2.09725827526984
Máximo
2.28355868518304
Range
4.38081696045288
Média
-0.392058679065547
1º Quartil
-0.544203323606212
3º Quartil
-0.23410799001681
0.2667187646825
Variância (m²)
Desvio Padrão (m)
0.516448220717721
Erro médio altimétrico
0.51793
80
A segunda etapa do teste 5 procura empregar a totalidade dos pontos GPS disponíveis na
área de estudo permitindo aumentar a amostra de dados empregados para o teste. A
metodologia adotada para atingir este objetivo foi coletar os pontos laser presentes nas
vizinhanças de cada ponto GPS. Esta tarefa foi feita com o apoio do software Mathcad, onde
foram implementados alguns procedimentos para determinar as distâncias de cada ponto GPS
a cada ponto laser presente na área de estudo, tendo em consideração que as informações dos
pontos laser e GPS encontram-se dispostas em arquivos de dados diferentes. Uma vez
calculadas todas as distâncias aplicou-se como critério de coleta a seleção dos pontos laser
cuja distância entre cada ponto GPS fossem menores ou iguais a 3 metros. Finalmente logo
após a coleta dos pontos laser vizinhos com respeito a cada ponto GPS, foi calculado o valor
médio de cada conjunto de dados coletados. Em seguida foram determinadas as diferenças em
relação aos pontos GPS empregado como referência. Os resultados obtidos podem ser
observados na TAB. 4.12 e a implementação do procedimento descrito anteriormente
encontra-se no Apêndice 7.2
TAB. 4.12 Estatísticas dos Resíduos do Teste 5 (GPS vs Laser)
Resíduos em as Coordenadas
Este
Norte Altura
104
104
104
Total de pontos
-1.718 -1.997 -0.993
Mínimo
1.519
2.4
0.986
Máximo
0.024
-0.07
0.096
Média
0.401 0.55
0.294
Variância (m²)
Desvio Padrão (m)
0.633 0.742 0.542
Erro médio planimétrico (m)
0.842
Erro médio altimétrico (m)
0.4795
4.3
Material da Petrobras
Durante a pesquisa de dados coletados por levantamentos laser sobre diferentes regiões
do Brasil, foi estabelecido o contato com a empresa Esteio S.A., através do oficio Nº 002 –
PG do Departamento de Engenharia Cartográfica do IME, datado em 09 de Janeiro de 2002.
A solicitação referida anteriormente recebeu uma atenção especial. Entretanto os dados
disponíveis pela empresa correspondiam a uma faixa aproximada de 800 metros de largura
que segue os corredores de dutos da malha da Petrobras-Transpetro, os quais só poderiam ser
cedidos com autorização da Petrobrás.
81
Através do Oficio nº 004 – DE-6 emitido pela chefia do Departamento de Cartografia no
IME, em 18 de Abril de 2002, iniciou-se o contato com a Petrobras e a fim de solucionar
algumas exigências da empresa, em relação ao sigilo do emprego dos dados em questão. O
IME recebeu o material solicitado em 22 de Agosto de 2002, comprometendo-se a utilizar os
dados exclusivamente para fins didáticos e de pesquisa, assinando um compromisso de sigilo
e segurança, por um período de 20 anos.
Devido ao ajuste do tempo de minha comissão de estudos no Brasil, não foi possível
aplicar os testes de analise aos três conjuntos de dados fornecidos pela Petrobras. A seleção da
área empregada para o respectivo analise foi o 3º conjunto de dados, pelo fato de dispor da
folha topográfica Itumbiara a qual seria empregada para construir o modelo de referência.
4.3.1
Descrição da Área
A Petrobras forneceu três conjuntos de dados laser. Dois desses conjuntos correspondem
a uma região do estado de Mato Grosso do Sul e o terceiro conjunto de dados refere-se a uma
zona do estado de Minas Gerais. A área coberta pelos dados laser abrange uma extensão de
21.053 Km², por meio de 1.694.202 pontos e corresponde a uma faixa de aprox. 800 metros
de largura, que segue os corredores de dutos da malha da Petrobras-Transpetro, destacando-se
o uso restrito do material devido a política de segurança da empresa.
4.3.2
Descripção dos Dados Obtidos do Sensor Laser
A Petrobras forneceu 1694202 pontos laser na projeção UTM (MC 51º) dispostos em 3
grupos de dados, tendo um espaçamento aproximado entre os pontos de 1 a 3 por m², as
características dos mesmos são apresentados por meio da TAB. 4.13 a 4.16:
TAB. 4.13 Características dos dados fornecidos pela Petrobras.
Dados Laser
Numero de pontos
Tamanho do arquivo
Datum Horizontal
Datum Vertical
Dimensões da área
1º Conjunto de Dados 2º Conjunto de Dados 3º Conjunto de Dados
474619
445315
774268
14832 KB
13917 KB
24196 KB
SAD-69
SAD-69
SAD-69
Nível Médio do Mar
5684 Km²
7178 Km²
8191 Km²
82
Quanto às estatísticas dos dados do relevo da área de trabalho podem-se destacar os
valores mencionados nas TAB. 4.14 a 4.16 abaixo:
TAB. 4.14 Estatísticas do 1º grupo de dados fornecidos pela Petrobras
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
281225,45
281821,07
282091,07
282304,63
282673,79
1448,34
282048,735
Laser
Y(m)
7486407,76
7487605,54
7488455,09
7489182,45
7490332,32
3924,56
7488401,21
474619
Z(m)
536,03
553,71
558,96
588,67
602,33
66,3
568,020
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
279126,36
279963,90
280319,69
280564
281032,79
1906,4
280243,142
Laser
Y(m)
7499059,86
74999,52
7500551,28
7501401,48
7502825,15
3765,29
7500702,058
445315
Z(m)
577,69
617,48
629,16
646,54
666,98
89,29
631,222
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
695176,68
695657,46
695859,61
696063,12
697010
1833,319
695883,974
83
Laser
Y(m)
7962856,73
7964399,23
7965231,85
7965800,82
7966524,68
3667,949
7965073,068
774268
Z(m)
434,42
457,74
486,18
499,03
507,74
73,32
477,85
4.3.3
Geração do M.N.E. a Partir de Dados Laser.
Tendo como referência a metodologia proposta no capítulo 3 foram construídos 5 cinco
MNE a partir dos dados laser, empregando para isso os mesmos valores porcentuais utilizados
nos dados da Geoid, isto é, de 100% a 20% dos pontos laser disponíveis. Esta tarefa foi feita
por meio do procedimento de filtragem sugerido no item 3.2.2.1, com a variante de empregar
diferentes pontos de referência para cada coleta de dados através do procedimento de
filtragem. Os parâmetros adotados para a grade do MNE que será avaliado encontram-se
presente na TAB.4.17. Nas tabelas 4.18 a 4.21 serão apresentadas as características das
massas de dados que deram origem aos MNE gerados com 80%, 60%, 40% e 20% dos dados
fornecidos pela Petrobras.
TAB. 4.17 Parâmetros para a Geração do MNE a ser avaliado.
3º Grupo de Dados
X
Y
Interpolador
Total de Pontos
Grade
Mínimo(m)
695178
7962858
Máximo(m)
697008
7966522
Kriging
128
Espaçamento(m)
261,428
244,266
Petrobras.
3º Grupo de Dados
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
695176,68
695657,25
695859,3
696062,52
697010
1833,31
695883,59
84
Laser
Y(m)
7962856,73
7964399,93
7965232,07
7965801,48
7966524,68
3667,94
7965073,66
619483
Z(m)
434,42
457,75
486,16
499,04
507,74
73,32
477,68
Petrobras.
3º Grupo de Dados
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
695176,71
695657,57
695859,62
696064,02
697009,71
1833
695884,25
Laser
Y(m)
7962858,56
7964398,11
7965231,4
7965800,81
7966522,32
3663,76
7965072,71
469392
Z(m)
434,43
457,76
486,19
499,03
507,74
73,31
477,69
Petrobras.
3º Grupo de Dados
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
695176,68
695657,62
695859,86
696063
697009,71
1833,02
695884,03
Laser
Y(m)
7962858,61
7964398,28
7965233,11
7965801,36
7966524,68
3666,06
7965073,51
309238
Z(m)
434,42
457,80
486,21
499,04
507,74
73,32
477,71
Petrobras.
3º Grupo de Dados
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Dados
X(m)
695176,71
695656,55
695860,25
696063,39
697009,82
1833,11
695884,01
85
Laser
Y(m)
7962861,31
7964401,57
7965228,11
7965799,69
7966524,68
3663,37
7965072,74
155006
Z(m)
434,44
457,63
486,14
499,03
507,43
72,99
477,62
4.3.4
Disponibilização da Base de Referência
Conhecidas as informações dos dados outorgados pela Petrobras, iniciou-se a procura de
fontes cartográficas, partindo do mapa índice de cobertura cartográfica do Instituto Brasileiro
de Geografia e Estatística (IBGE) e da Diretoria de Serviço Geográfico do Exército Brasileiro
(DSG). Observandou-se que o material cartográfico disponível encontra-se na escala
1:100.000, apresentando as seguintes características:
O Terceiro grupo de dados, pode ser localizado na carta topográfica “Itumbiara” (SE-22Z-B-I), na escala 1:100.000, editada pelo IBGE em 1973 na projeção UTM, referida ao
Datum Horizontal Córrego Alegre, MG e vertical considerando o Nível Médio do Mar do
marégrafo Imbituba; eqüidistância das curvas de nível igual a 50 metros. A área de interesse
encontra-se nos limites dos estados de Goiás e Minas Gerais, situados ao sul do rio Paranaíba,
nas proximidades da cidade de Araporã.
Uma observação de importância é o fato de que os dados laser analisados estão referidos
ao Datum SAD69, portanto os dados provenientes da carta topográfica utilizada como
referência necessitam ser transformados no momento apropriado. Para tal fim foi empregado
o software TOPOG 5.05 versão Beta, construído pelo Doutor Luiz Felipe Coutinho Ferreira
da Silva e o software GeoCalc versão 4.2 fabricado pela Geocomp Systems.
4.3.5
Geração do M.N.E de Referência
Conforme visto no item 3.2.3.2, foram extraídas as informações altimétricas da região de
estudo através da digitalização das curvas de nível da carta topográfica 1:100.000
“Itumbiara”, empregada como base de referência para o terceiro grupo de dados cedidos pela
Petrobras. Destaca-se a tarefa de conversão dos dados ao datum horizontal SAD 69
cumprindo as exigências da legislação vigente e as normas técnicas fixadas no Decreto Lei nº
89.817, a fim de compatibilizar os dados da base cartográfica e os dados coletados pelo sensor
laser. Uma vez disponível a informação altimétrica da zona de estudo, foram empregados os
parâmetros fixados na TAB.4.17 para a geração do MNE de referência através do software
Sufer. A TAB. 4.22 apresenta as informações estatísticas dos dados coletados da carta
topográfica.
86
TAB. 4.22 Estatísticas dos dados coletados da base cartográfica de referência
3º Grupo de Dados
(metros)
Mínimo
1º quartil
Mediana
3º quartil
Máximo
Range
Média
Pontos Totais
Carta
X
691665,0812
694008,2182
694974,6680
697973,4456
700450,6642
8785,5842
695905,0073
Topográfica
Y
7959445,8593
7963212,0069
7965413,3259
7966840,025
7968294,1834
8848,324
7964967,9864
1064
Itumbiara
Z
450
450
450
500
527
77
468,744
Ao dispor da superfície do MNE gerado como referência é necessário aplicar a
metodologia descrita no item 3.2.3.3, para converter os dados do MNE gerado em arquivos de
texto (.dat,.xls ou .txt), deixando prontos todas as informações requeridas para a aplicação dos
teste de avaliação, descritos a seguir.
4.3.6
Teste do M.N.E.
Mantendo-se a metodologia descrita no item 4.2.6, foram calculados os resíduos do MNE
construído do terceiro grupo de dados com o respectivo MNE de referência. Este conjunto de
superfícies (MNE) foi gerado com os mesmos parâmetros, destacando-se o critério de
espaçamento adotado, o qual atende ao mapeamento topográfico para uma carta 1:100.000,
dado o fato que o documento cartográfico empregado para obter o modelo de referência,
corresponde à escala citada. Os modelos gerados com estas informações estariam atendendo a
uma escala 1:100.000 e o espaçamento recomendado pelas Normas Provisórias para
Fotogrametria Digital (MENDONÇA, 2003) prevê 250 metros de espaçamento horizontal. A
tabela 4.23 apresenta uma estatística dos resíduos calculados, os quais podem ser visualizados
na FIG. 4.8.
87
TAB. 4.23 Estatísticas dos Resíduos do 3ºGrupo de Dados (metros).
% Pontos Laser
Empregados
Mínimo
Máximo
Range
Média
Primeiro quartil
Terceiro quartil
Variância
Desvio Padrão
20%
-45.6325002
13.7355923
59.36809251
-8.21255621
-14.788258
-0.27862361
148.4350799
12.18339361
40%
-46.478267
13.6791597
60.1574266
-7.8237295
-14.606278
0.62940227
145.393436
12.05792
60%
-46.356081
13.628362
59.984443
-7.731007
-14.691169
0.5784548
151.07592
12.291295
80%
-46.539531
13.760182
60.299714
-7.8695812
-14.890336
0.6612653
151.34276
12.302145
100%
-46.5317637
13.82490923
60.35667297
-7.80912067
-14.8451727
0.65849791
151.7325684
12.31797745
Diferençãs
(metros)
Desvio Padrão
12.4
12.2
12
11.8
Desvio Padrão
20
40
60
80 100
% Pontos Laser
Empregados
Diferençãs
(metros)²
Variância
155
150
Variância
145
140
20
40
60
80
100
FIG. 4.8 Representação gráfica dos resíduos calculados do 3ºgrupo de dados.
O segundo teste representa em forma gráfica os MNE gerados, com a finalidade de
perceber as diferencias visuais entre cada modelo, como se pode observar nas FIG. 4.9a, 4.9b
e 4.9c abaixo.
88
MNE (100%Pontos Laser)16 linhas x 8 Colunas
FIG. 4.2.a Representação Gráfica dos MNE obtidos do 80 e 100% dos dados laser.
FIG. 4.2.b Representação Gráfica dos MNE obtidos do 40 e 60% dos dados laser.
FIG. 4.9.c Representação Gráfica dos MNE obtidos do 20 dos dados laser e O
MNE de Referência.
89
Para o terceiro teste, foi necessário selecionar uma amostra dos pontos presentes no 3º
grupo de dados laser fornecidos pela Petrobras. Este procedimento procura construir um novo
MNE mantendo como critério um espaçamento próximo ao encontrado entre os pontos laser
presentes no arquivo original. Esta nova injunção aumenta consideravelmente o esforço
computacional requerido para interpolar uma grade de 2 metros de espaçamento em uma área
maior como a delimitada pelo 3º grupo de dados laser, sendo necessária a seleção de uma área
de trabalho de menores dimensões. O novo MNE ressalta as informações encontradas na
densa coleta de dados própria do método de varredura empregado pelo sensor laser. A FIG
4.10 apresenta a representação gráfica das superfícies geradas com o novo critério de
espaçamento de 2 metros de acordo com as características de espaçamento dos dados
fornecidos pela Petrobras descritos no item 4.3.2. A TAB. 4.24 reúne os resíduos calculados
entre o MNE gerado com os dados laser e o MNE construído com os dados extraídos da carta
topográfica Itumbiara.
FIG. 4.10 Representação gráfica dos MNE Construídos (extrato 3ºgrupo de dados)
Escala X 1.0 in = 610.6, Y 1.0 in = 610.6, Z 1.0 in = 239.91
TAB. 4.24 Estatísticas dos Resíduos Extrato Carta Itumbiara e 3ºGrupo de Dados
Resíduos dos MNE (Carta Top.Vs Pontos laser)
(metros)
Tola de pontos
24160
Dimensões da Grade
Mínimo
-46.5701423316536
Máximo
14.4389089879914
Range
61.009051319645
Média
-7.35241155029656
1er. Quartil
-14.6239118285699
3er. Quartil
0.349035471813295
Variância
130.993253144231
Desvio Padrão
11.4452284007018
90
O quarto teste tem a finalidade de visualizar a distribuição das amostras de dados
coletadas ao empregar a metodologia de filtragem adotada nesta dissertação. Como se pode
observar no quarto teste aplicado aos dados fornecidos pela empresa Geoid, o software
empregado foi o Datageosis, neste caso o software não suportou a grande quantidade de dados
presentes nos arquivos fornecidos pela Petrobras tendo a necessidade de selecionar uma
região de menores dimensões. Esta restrição não afeta o objetivo do teste o qual procura
visualizar o comportamento da distribuição dos pontos laser depois de efetuar o processo de
filtragem. As FIG. 4.11,12 e 13 apresentam os resultados do teste efetuado.
FIG. 4.11 Representação do 100% dos pontos laser extraídos do 3º
grupo de dados fornecidos pela Petrobras (14850 pontos)
Fonte: software Datageosisi versão professional
91
O quinto teste não foi possível ser aplicado ao conjunto de dados fornecidos pela
Petrobras pelas grandes dificuldades logísticas necessárias para coletar pontos em campo nas
92
regiões onde foram outorgados dados lasers. Este teste será recomendado para ser executado
em trabalhos futuros.
4.4
Análise dos Resultados Obtidos.
Durante a manipulação dos dados laser foi possível comprovar a necessidade de
desenvolver estratégias de processamento para simplificar ou apurar a densa quantidade de
dados obtidos pelos sistemas de varredura laser. Esta capacidade de coletar grandes
quantidades de dados permite reconstruir a superfície varrida pelo sensor com um alto nível
de detalhes, sendo esta uma das maiores vantagens do sistema laser aerotransportado
oferecidas pelos fabricantes.
Freqüentemente emprega-se o sistema para obter informação cartográfica a nível
cadastral ou para coletar dados de pequenas extensões de terreno pelo fato de considerar que
áreas de grandes dimensões acarretariam quantidades excessivas de dados, os quais afetariam
o processamento, tratamento e armazenamento das informações coletadas.
Os resultados obtidos pelo primeiro e segundo teste evidenciam que apropriadas
estratégias de filtragem permitem empregar até 20% dos dados laser mantendo a qualidade de
precisão e visualização obtida por o conjunto total de dados coletados pelo sensor
originalmente.
Com a finalidade de materializar as diferenças reais entre o MNE gerado com a menor
porcentagem de dados laser e o MNE construído com a totalidade dos pontos laser, foram
calculadas as diferenças entre ambas superfícies as quais se apresentam na TAB.4.25, as
diferenças obtidas não são apreciáveis visualmente como pode perceber-se no segundo teste.
Este fato também pode ser comprovado observando o comportamento dos resíduos calculados
entre os MNE gerados com as distintas porcentagens de coleta é o MNE de referência
apresentados por meio das tabelas 4.8 e 4.23, onde evidencia as pequenas variações
registradas entre os resíduos de cada modelo comparado, considerando a compatibilidade e a
escala do MNE de referência.
Analisando os resultados do terceiro teste pode-se apreciar o nível de detalhamento que é
obtido com o aproveitamento máximo das informações presentes nos dados coletados pelo
sensor. O qual indica o primeiro índice de qualidade alcançado pelo produto cartográfico
construído com dados coletados dos sistemas de varredura laser.
93
TAB. 4.25 Estatísticas dos Resíduos entre 20% e 100% dos dados laser
(material da Geoid)
Resíduos dos MNE (20% Vs 100% Pontos laser)
(metros)
Total de pontos
64
Dimensões da Grade
Mínimo
-2.89617955803351
Máximo
1.51870322857758
Range
4.41488278661109
Média
-0.070374413615589
1er. Quartil
-0.292063242762424
3er. Quartil
0.165954965289416
Variância
0.388529374853485
Desvio Padrão
0.623321245308938
O quarto teste comprova que a metodologia de filtragem descrita no item 3.2.2.1 atinge
os objetivos desejados permitindo trabalhar com a quantidade de dados que requeira o projeto
sem prejuízo de perda da homogeneidade da distribuição dos pontos coletados pelo sistema
laser e sem alteração dos valores de cada ponto coletado.
Finalmente o quinto teste permite dispor uma primeira aproximação da qualidade da
precisão dos pontos coletados pelo sensor de varredura laser na amostra de dados analisados,
como se pode observar nas tabelas 4.11 e 4.12. Os resultados obtidos estimam o erro
planimétrico na faixa dos 0.842 metros é o erro altimétrico na ordem dos 0.479 metros,
permitindo considerar o emprego dos dados analisados como fonte de informação topográfica
no mapeamento a escalas 1:20.000 em diante considerando o erro máximo admitido pelo
padrão de exatidão cartográfica.
O teste que pode certificar a verdadeira qualidade da precisão dos pontos laser seria o
poder reconhecer no terreno um conjunto de pontos coletados pelo sensor os quais logo
seriam medidos empregando outras metodologias como o posicionamento ou nivelamento
geodésico. Esta consideração não desacredita o teste aplicado dado o fato de ser uma
atividade impossível de executar depois da coleta dos pontos laser, permitindo considerar a
metodologia do quinto teste como uma das melhores opções para avaliar a precisão de um
conjunto de pontos coletados pelo sensor de varredura laser.
94
5
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.
As informações e resultados descritos no presente trabalho confirmam o potencial
cartográfico disponível, através do emprego dos sensores de varredura laser, destacando a
necessidade de aprofundar as pesquisas nesta área de estudo e acrescentar a divulgação
acadêmica da tecnologia e suas possíveis aplicações, incorporando seu estudo como conteúdo
programático dos cursos de graduação é pós-graduação em Engenharia Cartográfica
oferecidas no Instituto Militar de Engenharia (IME).
Os testes aplicados ao conjunto de dados laser ressaltam o nível de detalhamento que
pode ser obtido do relevo da superfície de estudo por meio do emprego do sensor laser e
evidenciam as dificuldades que podem ser encontradas durante o processamento e
armazenamento da densa coleta de dados fornecida pelo sensor, as quais encontra-se
diretamente relacionadas com o nível de detalhamento esperado para a reconstrução da
superfície varrida pelo sensor.
As dificuldades de processamento e armazenamento presente na manipulação de grandes
quantidades de dados são similares às dificuldades encontradas pela fotogrametria digital
durante seu desenvolvimento, mas o desejo de dispor soluções à problemática apresentada
deram motivação ao desenvolvimento de pesquisas fundamentais para a geração de softwares
é hardwares com soluções brilhantes.
As possibilidades de emprego dos dados laser nas tarefas de construção de mapas
topográficos em áreas sem cobertura vegetal densa provem dos excelentes resultados obtidos
nas áreas de teste. A comparação feita no quinto teste entre os dados obtidos com o sensor
laser e dados coletados no terreno com apoio do sistema GPS, evidenciam o alto nível de
confiabilidade e precisão alcançado pelo sistema de varredura laser, permitindo considerar o
sistema como uma metodologia alternativa aos procedimentos empregados tradicionalmente,
outorgando aos usuários a possibilidade de empregar o sensor mais adequado a suas
necessidades. O comportamento homogêneo dos resíduos calculados destaca a ausência de
erros aleatórios que incrementem variações no posicionamento planimétrico ou altimétrico.
Nos resultados obtidos pode apreciar-se como os valores altimétricos providenciaram os
melhores resultados; este fato pode-se atribuir ao emprego da mesma estação base utilizada
para o posicionamento dos pontos laser é para a coleta dos pontos no terreno. Ainda
empregando a mesma estação base para o posicionamento não foi possível atingir a precisão
anunciada pelos fabricantes, este fato não compromete a precisão do sistema, pelo contrario,
95
sem manter controle em todas as variáveis presentes na operação do sistema, foi possível
obter um erro médio planimétrico na faixa dos 0.84263 metros e o erro médio altimétrico na
ordem dos 0.47958 metros, além de conhecer que a precisão dos pontos laser empregados
como referência foram coletados com uma tolerância de 0.5 metros.
Tendo em consideração os resultados descritos acima e o padrão de exatidão cartográfica
esperado para o mapeamento no Brasil pode-se concluir que o conjunto de dados laser
analisados como um produto cartográfico final, atende as exigências de precisão para o
mapeamento 1:1.000 e menores, considerando esse conjunto de dados laser como um produto
cartográfico intermediário é preciso empregar como padrão de referência o erro máximo
admitido para o apoio terrestre o qual indicaria que a precisão dos dados laser atende as
exigências do mapeamento 1:20.000 em diante.
Quanto ao potencial de utilização de modelos numéricos de elevações gerados a partir de
dados laser no contexto do mapeamento topográfico, fica claro que a qualidade dos dados
laser seria o fator decisivo para seu emprego, porém, de acordo a os resultados obtidos é
possível dispor os dados coletados por este sensor para satisfazer as necessidades do controle
planimétrico é altimétrico da superfície a mapear. Finalmente, seria adequado padronizar a
melhor combinação dos parâmetros requeridos para construir um MNE estruturado, de acordo
com a precisão esperada. Os parâmetros referidos são o espaçamento entre os pontos que
formam a grade a ser construída é a seleção do interpolador empregado.
Estas conclusões são obtidas dos testes realizados, porém sugere-se a aplicação de outros
testes de qualidade em distintas regiões do país é com diferentes tipos de relevo e cobertura
vegetal para certificar a definitiva precisão dos dados obtidos dos sistemas de varredura laser.
Outro aporte do presente estudo foi a materialização de uma estratégia de filtragem para
coletar parcialmente um conjunto de dados lasers dispostos em um arquivo de texto (.txt),
permitindo obter uma distribuição homogênea em toda a superfície analisada alem de manter
a distribuição semi-regular freqüentemente disponíveis em dados coletados pelos sistemas de
varredura laser. A metodologia foi construída com apoio do software Mathcad alcançando os
resultados esperados, apesar disto sugere-se migrar a proposta de filtragem a uma plataforma
operacional que permita agilizar os tempos de processamento, considerando as limitações do
software empregado.
Os resultados obtidos nesta dissertação justificam futuras pesquisas nesta área de estudo,
sendo este trabalho motivação para que os organismos oficiais pelo mapeamento no Brasil, as
96
instituições de ensino é as empresas privadas, forneçam o apoio preciso nas futuras iniciativas
de desenvolvimento de pesquisas nesta área de concentração.
Na atualidade os fabricantes dos sensores Laser mantêm um esforço especial em lograr
que seus equipamentos possam coletar maiores quantidades de pontos em cada varrida do
sensor sobre uma superfície de estudo, considerando satisfazer a um publico alvo que há
despertado interesse nas potencialidades desta tecnologia e requer reconstruir uma região de
trabalho com um alto nível de detalhamento. Os resultados obtidos e as futuras pesquisas
podem motivar aos fabricantes em adequar as potencialidades do sensor para atingir outros
requerimentos, os quais não estão muito distantes dos objetivos atuais dos fabricantes,
lembrando que o sistema já é integrado com câmaras aéreas digitais e equipamentos de
filmagem para providenciar as informações que uma imagen só pode fornecer. Também podese destacar as possibilidades de dispor uma imagem ortocorrigida é a construção de curvas de
nível, invertendo menor tempo que o requerido por metodologias convencionais.
No decorrer da elaboração desta dissertação foram identificados outros temas vinculados
diretamente com o tema estudado. Diante a necessidade de explorar outras potencialidades do
sistema, permite-se recomendar os seguintes temas para pesquisas futuras:
•
efetuar processamento dos dados utilizados nesta dissertação com outros testes de
avaliação ou aplicar os mesmos testes de avaliação em outras áreas de estudo.
•
explorar o potencial de emprego dos sensores laser aerotransportado construídos para
fins hidrográficos (reconstrução batimétrica das regiões costeiras).
•
explorar a elaboração de ortofotomapas com a integração de câmaras aéreas digitais a
os sistemas de varredura laser.
•
pesquisar os métodos de filtragem empregados pelo sistema para identificar o relevo
da superfície varrida pelo sensor.
•
propor indicadores técnicos para a construção de modelos digitais do terreno
estruturados.
•
pesquisar outras aplicações praticas dos sistemas laser.
97
6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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98
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WILLEM and J. HOFFMAN A., Airborne Laser Scann (Lidar Hits), IAPRS,
Amsterdam, 2000.
99
7
APÊNDICES
100
7.1
APÊNDICE 1: Metodologia para Extrair uma a Mostra de Pontos Laser do Arquivo
Original Fornecido pelo Fabricante.
101
7.2
APÊNDICE 2: Metodologia para Coletar o Conjunto de Pontos Laser Presentes nas
Vizinhanças de Cada Ponto GPS Empregado Como Referência.
102
8
ANEXOS
103
8.1
ANEXO 1: FABRICANTES DOS SISTEMAS DE VARREDURA LASER.
8.1.1
Optech
Companhia Canadense fundada em 1984, dedicada ao desenvolvimento e investigação
tecnológica. Concentra seus esforços em cinco áreas de atuação: Topografia Terrestre,
Topografia Marítima, Espaço Atmosférico, Imageamento com Laser e Produtos Industriais de
medição. Todas estas áreas trabalham com a tecnologia Lidar como meio de interação entre o
sensor e a superfície ou substância em estudo.
Os produtos fabricados pela Optech conquistaram o mercado mundial permitindo a
expansão da companhia a nível internacional. Em 03 de abril do 2001 a companhia inaugurou
um escritório nos Estados Unidos, com a finalidade de facilitar suporte técnico especializado
aos fornecedores de seus equipamentos já que anteriormente dispunha somente de
representantes de seus produtos em outros países, apoiando-se na infra-estrutura de outras
empresas.
Entre suas mais destacadas contribuições é possível mencionar a instalação de vários
sistemas Lidar de absorção diferencial no Ártico para avaliar a concentração de ozônio na
atmosfera, durante 1994 recebeu um renomado prêmio canadense pela excelência e inovações
no campo da hidrografia empregando sistemas Lidar aerotransportado. Os esforços de
desenvolvimentos atuais permitiram-lhe trabalhar com a agência espacial canadense (CSA), a
agência espacial americana (NASA) e a agência espacial européia (ESA).
Apesar da extensa gama de produtos fabricados pela empresa, este estudo concentra sua
pesquisa nos modelos de sistemas Lidars construídos com fins topográficos (terrestres),
mantendo o enfoque principal desta dissertação.
A companhia Optech fabricou um total de nove (09) modelos de sistemas Laser para
mapeamento do terreno (ALTM – Airborne Laser Terrain Mapping), desde o modelo ALTM
1020 construído em 1993 até o mais recente modelo ALTM 2050 comercializado atualmente.
Cada um destes modelos de sistemas dispõe de características técnicas específicas, como
poderá ser observado nas TAB. 7.1 a 7.5. As tabelas 7.1 e 7.2 descrevem os modelos ALTM
fora da produção comercial, embora a companhia mantenha suporte técnico para todos os
modelos. As TAB. 7.3 a TAB. 7.5 representam os sistemas disponíveis comercialmente.
Informações de contato da empresa encontram-se em www.optech.on.ca.
104
TAB. 8.1 Características dos sistemas ALTM 1020 e 1025
Sistema
Fabricante
Dados Fornecidos pelo
sistema
Método de Varredura
Medidas por segundo
Freqüência de Varredura
Ângulo de Varredura
Comprimento de onda do
laser
Altitude de operação
Classificação do laser
Potência Requerida
Registro do pulso
Freqüência de Operação /
Varredura
Padrão de Varredura
ALTM 1020
Optech
Coordenadas 3D
Espelhos Oscilantes
5000
Variável de acordo ao:
*ângulo de Varredura
*velocidade da plataforma
*Densidade de pontos
30 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
Variável entre 0º ± 20º
ALTM 1025
Optech
Coordenadas 3D
Espelhos Oscilantes
25000
30 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
1047 nm
330 - 1500 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 15 A
1er é Ultimo pulso
1064 nm
330 - 750 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 30 A
1er é Ultimo pulso
100 Hz ate 5 khz
Dente de Serra (Zig-Zag)
100 Hz ate 10 kHz
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
laser
Potência Requerida
Registro do pulso
Varredura
ALTM 1210
Optech
Coordenadas 3D / Dados de
Intensidade
Espelhos Oscilantes
10000
30 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
ALTM 1225
Optech
Intensidade
Espelhos Oscilantes
25000
28 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
1047 nm
330 - 1200 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 30 A
1er é Ultimo pulso
1064 nm
330 - 1200 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 25 A
1er é Ultimo pulso
100 Hz ate 25 Khz
100 Hz ate 25 Khz
105
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
laser
Potência
Registro do pulso
Varredura
ALTM 2025
Optech
Intensidade
Espelhos Oscilantes
25000
28 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
ALTM 2033
Optech
Intensidade
Espelhos Oscilantes
33000
28 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
1064 nm
180 - 2000 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 24-35 A
1er é Ultimo pulso
1047nm
330 - 3000 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 35 A
1er é Ultimo pulso
25 Khz
100 Hz ate 33 Khz
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
Freqüência de Scan
laser
Potência
Registro do pulso
Varredura
ALTM 3025
Optech
Intensidade
Espelhos Oscilantes
25000
28 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
ALTM 3033
Optech
Intensidade
Espelhos Oscilantes
33000
28 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
1064 nm
180 - 3000 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 24-35 A
1er é Ultimo pulso
1064 nm
180 - 3000 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 26-35 A
1er é Ultimo pulso
25 Khz
33 Khz
106
TAB. 8.5 Características do sistema ALTM 2050
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
laser
Potência Requerida
Registro do pulso
Varredura
8.1.2
ALTM 2050
Optech
Intensidade
Espelhos Oscilantes
50000
28 Hz ± 20º / 50 Hz ± 10º
1064 nm
210 - 2000 mts
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 26-35 A
1er é Ultimo pulso
50 Khz
Topsys Gmbh
É uma companhia Alemã fundada em março de 1995 por três engenheiros que
trabalhavam no sistema europeu de defesa aérea (EADS). Atualmente, a empresa emprega
mais de 30 pessoas oferecendo diversos serviços vinculados com o uso da tecnologia Lidar.
Além disso, produz e vende os sistemas Lidars a clientes que desejam proporcionar os
mesmos serviços que a Toposys oferece na Alemanha. A compra de seus equipamentos inclui
treinamento, assessoramento e instalação locais, assegurando que o cliente obtenha os
mesmos resultados de precisão obtidos pela empresa na Alemanha.
Esta companhia dispõe de dois modelos de sistemas de varredura laser, conhecidos como
Toposys I e Toposys II. Ambos os modelos são capazes de gerar a maior quantidade de
pontos por segundo registrada entre os sistemas de porte similar fabricado por outras
empresas, oferecendo uma faixa de 83.000 medidas por segundo; outra característica muito
destacada em suas equipes é o emprego de um sistema de varredura linear obtido por meio de
um scanner com um dispositivo de fibra óptica, apoiado em um desenvolvimento tecnológico
do EADS com fins militares construído há 15 anos, proporcionando ótimos resultados de
107
acordo a informações obtidas do fabricante. Atualmente é o único sistema fabricado, tanto
comercialmente como para uso particular, que emprega o mencionado sistema linear de
varredura laser. Cada um destes modelos de sistemas dispõe de características técnicas
específicas, como poderá ser observado na TAB. 7.6.
Entre os principais serviços oferecidos pela empresa destacam-se as construções de
modelos digitais do terreno e modelos de superfícies obtidos como produto primário do
processamento dos dados coletados por seu sensor. Incluem-se produtos adicionais como
vetorização, simulação tridimensional de cidades, ortofotomapas, curvas de nível, consultoria,
entre outros serviços associados à área de atuação da empresa. Os dados obtidos dos sensores
de varredura laser apresentaram excelentes resultados nas áreas de telecomunicações,
simulação de inundações, silvicultura, cartografia, representações 3D, etc.
A companhia apresenta também uma solução integral combinando ao sensor laser uma
câmara digital multi-espectral cujas características são apresentadas na TAB. 7.7 abaixo.
Informações de contato da empresa encontram-se em www.toposys.com.
TAB. 8.6 Características dos sistemas Toposys I e II
Sistema
Fabricante
sistema
Coordenadas 3D
Escâner de fibra óticas
128 (Numero) canais do escâner
80000
TopoSys II
TopoSys
Intensidade
Escâner de fibra óticas
128 (Numero) canais do escâner
83000
650 Hz
650 Hz
laser
Potência Requerida
Registro do pulso
Varredura
1540 nm
1000 mts
Classe IV (ANSI)
Desconhecido
1er o Ultimo pulso
1540 nm
1600 mts
Classe IV (ANSI)
Desconhecido
1er é Ultimo pulso
83 Khz
Linear
83 Khz
Linear
Medidas por segundo
TopoSys I
TopoSys
108
TAB. 8.7 Características da Câmera Digital
Ângulo de abrangência
23,8º
Pixel por linha
640
Resolução (altitude de vôo: 1000m)
0,55 mm
Quatro (04) Canais Spectrais
0,44 - 0,49 µ m
0,50 - 0,58 µ m
0,58 - 0,66 µ m
0,77 - 0,89 µ m
8.1.3
Topeye AB
A Companhia Topeye AB tem suas origens em fevereiro de 1996, como resultado da
fusão corporativa de três importantes companhias suecas, a Saab
Combitech, a Saab
Dynamics e a Osterman Helicopter, criando a Saab Survey Systems AB, companhia que
produzia o sistema Saab TopEye, conhecido sensor de varredura laser desenvolvido
tecnologicamente pela Saab Dynamics junto a especialistas internacionais.
Em 30 de abril de 1999, a companhia Osterman Helicopter adquiriu a totalidade das
ações da companhia Saab Survey Systems AB, renomeando a mesma como Topeye AB e
mudando seu escritório principal para a cidade de Gotemburgo. Seu novo enfoque comercial
está orientado para proporcionar serviços apoiados no sistema TopEye, manter serviço
especializado de atenção a seus clientes e produzir seus equipamentos Topeye
comercializando-os internacionalmente.
A TopEye AB dispõe de dois modelos de sistemas de varredura laser, com características
similares. Entretanto cada um deles está orientado a objetivos específicos, reforçando certas
vantagens, dependendo da necessidade do estudo a ser realizado.
Um dos equipamentos é construído para ser empregado a bordo de um helicóptero. Este
sistema leva por nome Rotary Wing. Também é possível instalá-lo em um avião modificando
algumas de suas estruturas básicas. Entretanto, não poderá aumentar sua altitude máxima de
operação de acordo com as normas de emprego seguro de equipamentos laser. O equipamento
ora em tela apresenta vantagens se a área a ser estudada corresponde a grandes faixas lineares,
como linhas de alta tensão, oleodutos, estradas etc; dada flexibilidade à plataforma que leva
este sensor. O segundo equipamento é construído especificamente para aeronaves, sendo
109
conhecido com o nome de Fixed Wind. E recomendado principalmente para grandes
extensões de superfície, cidades, estudos de silvicultura, mapeamento etc. A TopEye dispõe,
como equipamento opcional, uma câmera digital de alta resolução que pode ser instalada em
ambos modelos de sistema de varredura laser.
Cada um destes modelos de sistemas dispõe de características técnicas específicas, como
poderá ser observado na TAB. 7.8.
Informações de contato da empresa encontram-se em www.topeye.com.
TAB. 8.8 Características dos sistemas TopEye
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
laser
Potência Requerida
Registro do pulso
Varredura
8.1.4
ToEye (Asa Rotativa)
Saab Dynamics/TopEye AB
Coordenadas 3D
Espelhos Oscilantes
6000
ToEye (Asa Fixa)
Saab Dynamics/TopEyeAB
Coordenadas 3D
Espelhos Oscilantes
6000
estabilizado e 40º não
estabilizado
estabilizado
1064 nm
60 ate 480 mts
Clase 3B (En 60825)
28 VDC
Até 3 ecos de pulso laser
1064 nm
200 ate 1000 mts
Clase 3B (En 60825)
28 VDC
6 Khz
6 Khz
LH-Systems
A criação desta companhia deu-se em 01 de junho de 1997 fruto do acordo comercial de
duas grandes empresas, a Leica Geosystems AG, proveniente da Suíça e a empresa
Americana BAE Systems, fundadores da companhia LH-Systems, cuja principal atividade
esta concentrada em sensores aerotransportados e sistemas fotogramétricos.
Durante o primeiro trimestre de 2001, a companhia Leica Geosystems AG, reestruturou
sua organização e disponibilizou seis grandes divisões para atender melhor sua atividade
comercial, criando as seguintes Divisões: GIS & Mapping, Survey & Engineering, Consumer
110
Products, Special Products, Industrial Measurement e New Businesses. A Divisão GIS &
Mapping agrupou suas atividades em quatro áreas principais: GPS/GIS, Geographic Imaging,
Land Information Systems e finalmente Airborne Data Acquisition, esta última sub-divisão foi
constituída pela companhia LH-systems.
Em maio de 2001, a LH-systems adquiriu a Azimute Corporation, considerada uma das
três principais empresas fabricantes de dispositivos lasers, de acordo com o International
Lidar Mapping Fórum (Flood, 2000). A Azimute Corporation foi a companhia fabricante do
sistema de varredura laser AeroScan.
A LH-Systems outorgou à Azimute Corporation a responsabilidade de dirigir sua divisão
Lidar, estabelecendo como meta a construção do novo produto LH-systems ALS40, scanner a
laser aerotransportado, que pode ser integrado a seu moderno sensor fotogramétrico digital
ADS40. Atualmente a LH-systems encontram-se desenvolvendo ferramentas que permitam
integrar por meio de um mesmo software o controle de ambos sensores (ADS40 e ALS40)
durante sua operação.
As características técnicas específicas do sensor ALS40 poderá ser observado na TAB.
7.9. Informações de contato da empresa encontram-se em www.lh-systems.com.
TAB. 8.9 Características do sistema ALS40
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
ALS40
LH Systems
Intensidade
Espelhos Oscilantes
laser
Potência Requerida
Registro do pulso
Varredura
35 Khz
Variável entre 0º ± 45° (nova
versão até 75°)
Na faixa do infravermelho
próximo
2000mts(nova versão até
6100/perda de precisão)
Classe IV (ANSI)
28 VDC/ 10 A
Nova versão alcançara até 5
ecos de pulso
38- 50 Khz de acordo à altitude
111
8.1.5
Fabricante Não Comercial
Os grandes benefícios oferecidos pelos sensores de varredura laser despertaram o
interesse não só de fabricantes comerciais. Atualmente existem diversas organizações que
desenvolveram sistemas laser aerotransportados para atender à suas próprias necessidades.
Dentre essas empresas, destacam-se as seguintes: a Advanced Lidar Technology Inc; FugroInpark b.v, EagleScan Inc, Mosaic Mapping Systems Inc, Terra Point Llc, Ins.for the Nav. Of
Stuttgart, e a NOAA/NASA.
É importante mencionar estas instituições já que qualquer delas, no futuro, poderá
comercializar seu sistema, como foi o caso inicial da Toposys, que construiu seu sistema para
uso interno e agora também o comercializa. Novos interessados em desenvolver seus próprios
sistemas poderiam surgir. Em todo caso, este crescente número de fabricantes exige a
necessidade de conhecer os fundamentos da tecnologia para ser capaz de analisar os dados
provenientes deste novo sensor.
A seguir será apresentado as características técnicas dos sistemas ScanLars e ATM II
construídos para emprego interno do fabricante,como poderá ser observado na TAB. 7.10.
TAB. 8.10 Características dos sistemas ScanLars e ATM II.
Sistema
Fabricante
sistema
Medidas por segundo
laser
Potência Requerida
Registro do pulso
ScaLars
Inst.for the Nav. Of Stuttgart
Intensidade
Espelhos Rotatórios
7000
Variável entre 0º ± 20°
810 - 1064 nm
700 mts
Classe IV (ANSI)
Desconhecido
1er é Ultimo pulso
7.69 Khz
Circular
112
ATM II
NOAA/NASA
Intensidade
Espelhos Rotatórios
Desconhecido
(20 Hz ± 15º)
523 nm
750 mts
Classe IV (ANSI)
115 Volts / 15 A
1er é Ultimo pulso
2 - 10 Khz
Circular
8.2
ANEXO 2: Fornecedores Brasileiros, de Serviço de Varredura Laser.
O crescente desenvolvimento da tecnologia Lidar e suas aplicações práticas
despertaram o interesse das empresas fornecedoras de serviços no setor da geoinformação.
Dispor da mais moderna tecnologia apresenta vantagens comerciais, motivo pelo qual,
freqüentemente, estas companhias investem recursos para modernizar suas ferramentas de
trabalho para conseguir manter-se competitivas e oferecer melhores serviços a seus potenciais
usuários.
Quando se trata de tecnologia de ponta, muitos clientes potenciais esperam que a
tecnologia se consagre para evitar um risco maior em seu investimento. Por isso sua expansão
avança lentamente. Esta realidade é mais freqüentemente observada nos países em
desenvolvimento, onde dispor da mais moderna tecnologia representa custos muito elevados.
O emprego da tecnologia Lidar como sensor ativo fornecedor de dados descritivos de
uma superfície é uma realidade presente no mundo, especialmente nos países onde surgiram
os principais fabricantes de sistemas aerotransportados de varredura laser, provocando um
parcial desinteresse naqueles países onde seria mais difícil alcançar esta tecnologia.
Em toda América do Sul somente dois países venceram este paradigma: a Argentina e
o Brasil. A primeira conta com um fornecedor local que oferece uma gama de produtos
associados ao processamento dos dados obtidos de seu sensor laser e o Brasil conta nestes
momentos com 3 companhias que oferecem, entre outros produtos, o emprego de seu sensor
de varredura laser para levantamentos terrestres, orientados a uma serie de aplicações.
Esta realidade desperta o interesse dos especialistas da região, em compreender as
capacidades deste sensor e analisar a possível aplicação de seus produtos em suas tarefas
habituais. A seguir será apresentado um resumo descritivo dos fornecedores locais no Brasil.
8.2.1
Geoid Ltda
A Geoid Ltda é uma empresa mineira especializada em mapeamento de alta precisão.
Utiliza recursos de rastreadores de satélites GPS geodésicos, fotografias aéreas digitais a
cores, videografia e scanner a laser. Representa no Brasil a Optech, empresa canadense
fabricante de equipamentos a laser.
113
É pioneira em mapeamento com GPS no setor privado nacional e foi a primeira
empresa em adquirir o sensor laser trazendo ao mercado Brasileiro soluções cartográficas
modernas obtidas com apoio da mais recente tecnologia de sensoriamento remoto. A Geoid
dispõe o sistema ALTM 1210 fabricado pela Optech. Concentra seus objetivos em fornecer
soluções de mapeamento as empresas de projetos, mineradoras, reflorestamento, construção
civil e pesada, petróleo, concessionárias de saneamento, telecomunicações, energia elétrica
entre outros. Maiores informações podem ser encontradas em : www.geoid.com.br.
8.2.2
Esteio Engenharia e Aerolevantamentos S.A.
Companhia Brasileira fundada em 1969, atuando como empresa de consultoria,
concentrando suas tarefas na execução de projetos e supervisão de diversas obras de
engenharia civil (estradas, aeroportos, linhas férreas, linhas de energia elétrica, etc.). A
necessidade de empregar levantamentos aerofotogramétricos como base de apoio na
elaboração de seus projetos, motivaram a empresa a formar uma equipe técnica que realizasse
serviços de aerolevantamento. Por isso em 1976 foi inscrita como empresa de categoria “A”
no Estado Maior das Forças Armadas do Brasil, tendo sido autorizada a executar cobertura
aerofotogramétrica e mapeamento convencional. Desde essa data, a empresa foi incorporando
tecnologia de ponta para fortalecer os serviços oferecidos. Em maio de 2001, a Esteio
adquiriu o sistema de varredura laser ALTM 2025, fabricado pela empresa canadense Optech,
incorporando entre seus serviços a possibilidade de obtenção de dados altimétricos por meio
desta moderna tecnologia.
A Esteio oferece uma grande variada gama de serviços técnicos entre os que se
destacam: Cobertura Aerofotogramétrica, Processamento Fotogramétrico, Aerotriangulação,
Apoio Terrestre, Geoprocessamento, Cadastro Técnico, Conversão de Dados, Tratamento
Digital de Imagens, Engenharia viária, Gerenciamento de Obras, Ortofotomapas, Cartografia
Temática e Serviços Especiais. Maiores informações podem ser encontradas em :
www.esteio.com.br.
8.2.3
Toposys do Brasil Ltda
A Toposys, fabricante do sistema de varredura laser, (RESLOW, 2000), atua em
parceria com outras firmas e oferece uma solução completa e sistemática no monitoramento e
114
planejamento de linhas de transmissão, modelagem e representação tridimensional,
monitoramento de erosões em áreas litorâneas, extração de modelos digitais de elevações,
integração de dados a sistemas GIS, e outras aplicações associadas ao mapeamento e soluções
cartográficas.
A projeção da Toposys fora dos limites da Alemanha, abrange escritórios comerciais
na Áustria e no Brasil. Neste último país, a Toposys encontra-se em uma fase inicial,
tramitando as permissões necessárias de acordo com as exigências e normativas vigentes para
operar seu sistema laser Toposys II, o qual pode ser integrado a sua câmera digital multispectral de acordo com as necessidades do cliente.
Maiores informações podem ser encontradas em www.toposys.com.
115
8.3
ANEXO 3: Estudo das Estratégias de Espaçamento Empregadas pela DGS, Intergraph e
Ackerman na Geração do M.N.E.
Estudo comparativo das estratégias de espaçamento propostas em MARCIS (2003)
Estratégia
Espaçamento Horizontal
50 m
1ª DL
75 m
21 m
Intergraph
31,5 m
42 m
100 m
50 m
Ackermann
200 m
100 m
116
Observação
Escala de restituição de
1/25.000
1/50.000
Resolução geométrica de
14 µm
21 µm
28 µm
Terreno plano
1/25.000
Terreno ondulado
1/25.000
Terreno plano
1/50.000
Terreno ondulado
1/50.000

Dissertação - IME

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