Vitor Godoy de Barros - Início - Universidade Federal de Uberlândia
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Vitor Godoy de Barros - Início - Universidade Federal de Uberlândia
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÁNDIAUFU INSTITUTO DE GEOGRAFIA-IG VITOR GODOY DE BARROS UTILIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE MAPEAMENTO MÓVEL PARA COLETA DE DADOS EM ÁREA URBANA PARA LEVANTAMENTOS DE FEIÇÕES (POSTES) COM FINS CADASTRAIS. Monte Carmelo 2015 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÁNDIAUFU INSTITUTO DE GEOGRAFIA-IG VITOR GODOY DE BARROS UTILIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE MAPEAMENTO MÓVEL PARA COLETA DE DADOS EM ÁREA URBANA PARA LEVANTAMENTOS DE FEIÇÕES (POSTES) COM FINS CADASTRAIS. Monografia apresentado para a disciplina Trabalha de Conclusão de Curso II, como requisito básico para a obtenção do certificado de conclusão do Curso de Graduação em Engenharia de Agrimensura e Cartográfica. Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Bezerra de Araújo Gallis. Monte Carmelo 2015 2 AGRADECIMENTOS Agradeço as instituições que propiciaram os meios e os recursos para a realização do presente trabalho, especialmente ao CNPq, pelo recurso disponibilizado ao Projeto, através do Processo 483413/2012-7. A Universidade Federal de Uberlândia, ao Instituto de Geografia e aos Professores Dr. Rodrigo B. A. Gallis e Dr. Ricardo Luis Barbosa da Universidade Federal de Uberlândia, ao Prof. Dr. Francisco de Assis da Silva, da Universidade do Oeste Paulista, ao Pesquisador Alan Kazuo Hiraga, da Empresa Integral Soluções Analíticas, ao Dr. Claudionor Ribeiro da Silva, Dr. Fernando Luiz de Paula Santil e ao Técnico-Administrativo Januário Chirieleison Fernandes. 3 RESUMO O mapeamento móvel, vem incorporando avançadas tecnologias, como os sensores de varredura a laser terrestre e câmaras integradas de forma a gerar imagens tridimensionais para coletar dados de forma rápida e acurada. As aplicações gerais para este tipo de levantamento são: inventário de obras de arte, projetos de corredores de tráfego, transportes, projetos de rodovias, mapeamento de túneis, aplicações ambientais e modelagem de projetos de ruas. Por se tratar de uma tecnologia recente, há uma gama de aplicações e possibilidades a serem descobertas. Um Sistema de Mapeamento Móvel está sendo desenvolvidos na UFU para levantamento de imagens terrestres de alta resolução com imagens georreferenciadas 360º graus de rodovias e áreas urbanas coletadas com um veículo automotor e uma câmara Lady bug5 com o objetivo de produzir soluções integradas, robustas e confiáveis, permitindo o desenvolvimento de uma metodologia de coleta de dados rápida e precisa cujos dados podem ser integrados a softwares de processamento em conjunto com imagens aéreas de alta resolução para atender a demanda de levantamentos para diversas finalidades. Em suma, de um ponto de vista técnico, um acervo de imagens e mapas digitais ajudará os administradores e engenheiros a melhorar os padrões de qualidade e segurança nas rodovias e corredores de tráfego urbano. Neste trabalho, o intuito é utilizar um Sistema de Mapeamento Móvel para levantamento de feições ao longo de ruas com a finalidade de obtenção de sua coordenada tridimensional. PALAVRAS-CHAVE: Mapeamento Móvel, Fotogrametria Posicionamento Global, Sistema de Navegação Inercial, SIG. Terrestre, Sistema de 4 ABSTRACT The mobile mapping, as that state of the art has been incorporating advanced technologies, such as scanning sensors terrestrial laser and integrated cameras to generate three-dimensional images to collect data quickly and accurately. The general applications for this type of survey are: inventory of art works, traffic corridors projects, transport, road projects, tunnel mapping, environmental applications and modeling streets projects. Because it is a recent technology, there are a range of applications and possibilities to be discovered. A Mobile Mapping System is being developed for the UFU survey of high resolution ground images with geo-referenced images 360 degrees of highways and urban areas collected with a motor vehicle and a Ladybug5 chamber in order to produce integrated, robust and reliable, allowing the development of a methodology for collecting data quickly and accurately which data can be integrated into processing software in conjunction with high-resolution aerial imagery to meet demand surveys for various purposes. In short, from a technical point of view, a collection of digital images and maps will help administrators and engineers to improve the quality and safety standards on roads and corridors of urban traffic. In this work, the intention is to use a Mobile Mapping System for lifting features along streets in order to obtain their threedimensional coordinate. Keywords:Mobile mapping, Photogrammetry Land, Global Positioning System, Inertial Navigation System, GIS. 5 LISTA DE SIGLAS SIG: Sistema de Informação Geográfica. SMM: Sistemas Móveis de Mapeamento. GPS:Sistema de Posicionamento Global. VHS:Video Home System. GNSS:Global Navigation Satellite System. CCD:Charge-CoupledDevice. CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor. MP:Megapixels. INS: Sistema de Navegação Inercial. IMU:InertialMeasuremente Unit. IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. LTGEO: Laboratório de Topografia e Geodésia. RBMC: Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo. RINEX:Receiver Independent Exchange Format. CTM: Cadastro Técnico Multifinalitário. VISAT: Video-Inercial Satellite SeniorEngineer. BIG: Banco de Imagens Georreferenciadas. ISPRS: Systems for Data Processing Analysisand Representation. DOD: Department of Defense. FDMA: Frequency Division Multiple Acess- Múltiplo Acesso pela Divisão da Frequência . PPP: Precise Point Positioning- Elemento de Validação em Órbita. PEC : Padrão de Exatidão Cartográfica. EP: Erro Padrão. 6 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................................5 2 OBJETIVO........................................................................................................................................9 2.1 OBJETIVO GERAL.......................................................................................................................9 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO..............................................................................................................9 3 JUSTIFICATIVA...............................................................................................................................9 4 FUNDAMENTACAO TEÓRICA...................................................................................................10 4.1 DESCRIÇÕES DE TRABALHOS DE PESQUISA REALIZADOS NO PASSADO DIRETAMENTE RELACIONADOS COM O PROJETO..............................................................................10 4.2 FOTOGRAMETRIA....................................................................................................................11 4.3 CÂMERAS...................................................................................................................................12 4.4 IMAGENS DIGITAIS..................................................................................................................13 4.5 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)..............................................................14 4.6 GLONASS....................................................................................................................................15 4.7 GALILEO.....................................................................................................................................15 4.8 BEIDOU/COMPASS....................................................................................................................16 5. MATERIAIS E MÉTODOS...........................................................................................................16 5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS....................................................................................................16 5.2 EQUIPAMENTOS........................................................................................................................17 5.3 ÁREA DE ESTUDO....................................................................................................................23 5.4 LEVANTAMENTO DOS POSTES EM CAMPO PARA EFEITO DE COMPARAÇÃO COM AS COORDENADAS OBTIDAS NA IMAGEM.............................................................................24 5.5 PROCESSAMENTO GNSS........................................................................................................25 5.6 LEVANTAMENTOCOM O SISTEMA DE MAPEAMENTO MÓVEL...................................26 5.7 ELABORAÇÃO DO PRODUTO FINAL....................................................................................28 5.8 ANÁLISE DA EXATIDÃO CARTOGRÁFICA..........................................................................30 6 CONCLUSÕES...............................................................................................................................35 REFERÊNCIAS.................................................................................................................................36 7 1 INTRODUÇÃO A maioria das cidades brasileiras cresce de forma desordenada, ocasionadas principalmente pela falta de planejamento e de recursos dos Municípios. O Brasil necessita de planejamento, tanto para minimizar os problemas já existentes, quanto para normatizar planos diretores e subsidiar o Cadastro Técnico Mulifinalitário Urbano. Consequentemente cresce a necessidade de se obter dados e informações geográficas para caracterizar e dar suporte ao Cadastro, mantendo essas informações atualizadas ao decorrer do tempo, com o auxílio de uma base cartográfica e de bancos de dados. Cadastro pode ser definido como um banco de dados que contém de forma organizada, depurada e classificada. O Cadastro Técnico Multifinalitário ou CTM de um município é aquele que, a partir de dados físicos, econômicos, cartográficos e jurídicos, permite ao gestor ter pleno conhecimento do território urbano. Em resumo, as questões tecnológicas de implantação e manutenção do cadastro não são o principal problema. As maiores dificuldades estão na definição estratégica das finalidades do cadastro e, a partir destas, dos dados que deverão compô-lo. Como exemplos, podem ser destacadas às seguintes aplicações do cadastro técnico: a tributação, a fiscalização de atividades econômicas, a fiscalização de obras, a transação de imóveis, o planejamento urbano, o monitoramento do meio ambiente, a regulação dos serviços públicos e a democratização da informação pública (CORDOVEZ, 2004). Na Cartografia, a integração de tecnologias digitais vem criando novas opções de abordagem de problemas recentes ou já conhecidos, propiciando o surgimento de outros produtos ou serviços distintos dos que já existem e exigindo recursos humanos qualificados. O Mapeamento Móvel, por exemplo, vem incorporando avançadas tecnologias recentes, como os sensores de varredura a laser terrestre e câmeras integradas de forma a gerar imagens esféricas 360°, de forma rápida e acurada. As aplicações gerais para este tipo de levantamento são: inventários de obras de arte, projetos de corredores de trafego, transportes, projetos de rodovias, mapeamento de túneis e modelagem de projetos de ruas. Por se tratar de uma nova tecnologia não muito utilizada atualmente em nosso país, ela nos fornece uma gama de aplicações e possibilidades a serem descobertas. Levando em consideração a facilidade da representação da espacialidade cartográfica dos fenômenos analisados durante um levantamento com um Sistema de Mapeamento Móvel terrestre, que está sendo desenvolvida, a integração dos dados levantados com uma imagem 8 de alta resolução, no intuito de gerar uma carta. O potencial de informações que podem ser abstraídas da análise dos dados coletados em campo, utilizando-se esta metodologia de coleta, pode torna-se útil para estudos, tendo em vista a necessidade de monitoramento de áreas que estão sujeitas as constantes intervenções humanas. As informações cartográficas digitais de município são gerenciadas através de programas computacionais chamados SIG (Sistema de Informação Geográfica). Esses softwares têm tecnologia para organizar e manipular dados de forma integrada com os bancos de dados, cuja arquitetura integrada, faz com que se torne uma ferramenta de inteligência geográfica para ser utilizada por setores para conhecer planejar diversas atividades além do cadastro municipal. A tecnologia de levantamento de dados utilizando dos sistemas de mapeamento móvel, se mostra apta a fornecer dados para serem visualizados nos SIGS (GALLIS, 2002). A inovação faz com que produtos ou serviços sejam lançados no mercado buscando otimizar tarefas. Os SMM’s (Sistemas de Mapeamento Móvel) são uma das possibilidades, pois integram os sensores e dados de posicionamento e imageamento, permitindo o mapeamento pormenorizado do mundo real (GALLIS, 2002). O mapeamento móvel é uma das diversas áreas da fotogrametria que estuda a reconstrução do espaço tridimensional utilizando de imagens bidimensionais, reconstruindo a superfície terrestre e suas feições. Para Oliveira (2003, p. 18), a câmara fotogramétrica está cada vez mais ganhando espaço no mercado por ser um método mais eficiente de mapeamento, alegando: Sensores de imagem em órbita terrestre, associados a sistemas de navegação estão sob investigação científica. A câmara fotogramétrica é o meio mais eficiente de obter imagens sobre o objeto a ser mapeado, seja embarcada em uma aeronave, seja montado no teto de um veículo terrestre automotor. No caso terrestre, configurando o que vem sendo denominado de Mapeamento Fotogramétrico Móvel, que por sua vez representa uma linha de investigação científica e tecnológica de um método de mapeamento de vias terrestres de locomoção (ruas, rodovias e ferrovias) que vem sendo cada vez mais utilizado tanto comercialmente quanto para fins de pesquisa. O pioneiro na atividade de mapeamento móvel de vias terrestres de locomoção foi o sistema GPS Van, desenvolvido na Universidade Estadual de Ohio, em Colombus-OH, nos Estados Unidos, composto por um par de câmaras digitais, um receptor GNSS (Global Navigation Satellite System) e um sistema de armazenamento de imagens. Outros exemplos desta modalidade são os sistemas comerciais denominados ON-SIGHT e VISAT, compostos 9 por câmaras digitais, câmaras VHS, sistemas de navegação inercial e GPS e sistemas de armazenamento de dados(GALLIS, 2002). Dentro dos sistemas terrestres de mapeamento móvel (STMM), que têm como características básicas sensores acoplados em veículos automotores deslocando-se ao longo das vias de transportes, foram criadas as Unidades Móveis de Mapeamento. Por se tratar de uma tecnologia recente, há uma gama de aplicações e possibilidades a serem descobertas. Um Sistema de Mapeamento Móvel está sendo desenvolvido na Universidade Federal de Uberlândia – Campus Monte Carmelo para fins de levantamentos de imagens terrestres de alta resolução, georreferenciadas, com 360° da rodovias e áreas urbanas coletadas com um veículo automotor e uma câmara Ladybug5, com o objetivo de produzir soluções integradas, permitindo o desenvolvimento de uma metodologia de coleta de dados rápida e precisa, cujos dados podem ser integrados a softwares de processamento em conjunto com imagens aéreas de alta resolução para atender a demanda de levantamentos para diversas finalidades. As imagens georreferenciadas podem ser entendidas como o ato (técnico e científico) de produzir uma informação geográfica. Informação georreferenciada é a informação sobre um fato ou objeto, gráfico ou alfanumérico, à qual está associada uma ou mais posições geográficas (latitude, longitude e de altitude), estabelecendo assim uma referência de localização, posição ou orientação (BADIRU, 2012). As informações georreferenciadas são atributos de objeto, gráfico ou alfanumérico, associando uma ou mais posições geográficas (latitude, longitude e de altitude), com isso, se estabelece uma referência precisa para se localizar, posicionar ou se orientar (GASPAR, 2008). Nesse contexto, tem por objetivo propor uma metodologia para utilização das imagens georreferenciadas tridimensionais 360° de áreas urbanas coletadas em um veículo automotor utilizando um SMM para obtenção de coordenadas georreferenciadas para cadastro de pontos e feições de interesse, como postes, que se localizam no entorno de ruas e rodovias, onde um veículo motor, dotado de um sistema de mapeamento, possa transitar. 2 OBJETIVO 2.1 OBJETIVO GERAL 10 O objetivo deste trabalho é utilizar um Sistema de Mapeamento Móvel (SMM) composto por uma câmara esférica e um veículo automotor, para realizar levantamento de feições urbanas, focando no georreferenciamento e cadastramento de postes, em uma área teste, nas proximidades do campus Sesi – UFU, na cidade de Monte Carmelo-MG. Um levantamento utilizando de metodologia convencional (Topografia ou Geodésia) será utilizado para comparar com os resultados obtidos com o SMM e em seguida a visualização em um SIG. Analisar um conjunto de dados cadastrais de postes de linhas elétricas com SMM, comparando com levantamento convencional. 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO Com esse projeto de pesquisa mantém-se o interesse científico e tecnológico na integração de imagens tomadas em perspectivas terrestres, com o objetivo de produzir soluções de integração confiáveis. Os principais objetivos da pesquisa a ser desenvolvida são: Através de imagens coletadas com um sistema terrestre integradas a uma cena orbital de alta resolução analisar e visualizar as informações referentes às feições extraídas no entorno de arruamentos e rodovias; 3 Avaliar os dados coletados pelo sistema desenvolvido; Validar o processo. JUSTIFICATIVA Este trabalho se justifica pela sua relevância técnico científica, pela metodologia inovadora envolvida, pela oportunidade de colocar em prática os conhecimentos adquiridos durante o curso. Durante o projeto, houve oportunidade de estudos e pesquisas sobre a utilização da aplicação da Geodésia e da tecnologia envolvida no Mapeamento Móvel e possíveis comparações com outros procedimentos de aquisição e análises de dados e informações, para auxiliar o cadastramento urbano. 4 FUNDAMENTACAO TEÓRICA 11 4.1 DESCRIÇÕES DE TRABALHOS DE PESQUISA REALIZADOS NO PASSADO DIRETAMENTE RELACIONADOS COM O PROJETO Nos últimos anos foram realizados diversos trabalhos de pesquisa utilizando Sistemas de Mapeamento Móvel. Estes trabalhos comprovam a viabilidade de utilização deste tipo de tecnologia em mapeamento. A seguir, são apresentados alguns destes trabalhos. Trabalho que descreve um dos primeiros sistemas móveis de mapeamento, o GPS Van, da Universidade Estadual de Ohio, em Columbus-OH, nos Estados Unidos. Este possuía a configuração básica do sistema, ou seja, um par de câmaras digitais, um receptor GPS, um sistema de armazenamento de imagens, um mecanismo que executava o controle do sistema e softwares que gerenciavam as operações de campo e escritório. Neste sistema, as posições espaciais e os atributos eram extraídos automaticamente no momento da coleta ou durante o pós-processamento e eram imediatamente transferidos para um SIG (NOVAK et al, 1995). No Canadá, surgiu um sistema com o mesmo princípio do GPS VAN. Trata-se do VISAT (Video-Inercial_Satellite) da Senior Engineer, GEOFIT Inc., localizada em Laval, Quebec. O sistema foi inicialmente desenvolvido pela Universidade de Calgary e pela empresa GEOFIT Inc., e tem como principal objetivo o mapeamento móvel de rodovias. A diferença entre este sistema e os anteriores é que este utiliza um conjunto de oito câmaras digitais, que captam imagens de áreas ao redor da rodovia, não só a visão frontal (EL-SHEIMY, 1996). UMMD é a sigla do sistema em desenvolvimento, desde 1998, no campus da Unesp Presidente Prudente, constituído por um veículo (VW kombi), um par de vídeos-câmera digitais, um par de receptores GPS e uma estação computacional de processamento de imagens, cuja característica principal é a de integrar diferentes sensores e obter dados e imagens de rodovias e arruamentos urbanos. A constituição básica desse sistema móvel de mapeamento é dada por um segmento móvel e um fixo. O segmento móvel é caracterizado por um veículo, no teto do qual são colocados um par de câmaras digitais de vídeo e uma antena de receptor GPS; no interior do veículo são embarcados um microcomputador portátil e diversos equipamentos e dispositivos de apoio e controle. O segmento fixo é caracterizado por um laboratório, particularmente, o Laboratório de Mapeamento Móvel, equipado com capacidade de armazenamento, processamento e análise de imagens e dados espaciais. Este trabalho mostra o contexto atual do mapeamento móvel, avanços e resultados obtidos nos levantamentos urbanos e rodoviários realizados com a UMMD, que subsidiaram a criação de um Banco de Ima- 12 gens Georreferenciadas (BIG), um armazém de imagens que se mostra útil a uma gama de aplicações de engenharia e serviços de utilidade pública (SILVA et al, 2003). Um banco de imagens georreferenciadas construído a partir da necessidade de gerenciar as imagens obtidas através dos levantamentos realizados com a UMMD. Este banco possui ferramentas que possibilita a visualização de um par de imagens e inclui um módulo de interseção fotogramétrica, que permite a execução de três métodos de interseção (por escala, por agrupamento de parâmetros e ajustamento rigoroso). O teste realizado possibilitou a construção de uma carta na escala 1:2000, e verificou-se que, dentre os três métodos de interseção, apenas o método de ajustamento rigoroso atende ao Padrão de Exatidão Cartográfica na classe A. Os outros dois métodos são úteis para aproximar as coordenadas geoespaciais dos pontos do terreno necessárias à solução rigorosa (OLIVEIRA et al, 2003). 4.2 FOTOGRAMETRIA Com origem grega, a palavra fotogrametria é dividida em “photos” significa luz e “gramma” significa algo desenhado e “metron” significa medição, originando o termo que apresenta uma medição através de um desenho que utilizou luz (ASP, 79). A Fotogrametria estabelece as relações entre câmara ou o sensor, as fotografias e o terreno ou objeto fotografado. Para que essas relações sejam definidas, são adotados os sistemas de coordenadas correspondentes ao espaço imagem e ao espaço objeto. O espaço imagem compreende o sistema referencial tridimensional de coordenadas (ANDRADE, 1998). O termo Fotogrametria vem da obtenção de medidas advindas da gravação em um sensor, através da exposição de um objeto ou superfície de interesse a raios de luz (ou outros tipos de ondas). Ou seja, tem por finalidade determinar as formas, dimensões e posições dos objetos contidos numa fotografia, através de medidas efetuadas sobre a mesma (TOMMASELLI, 2000). O advento da Fotogrametria digital trouxe uma vantagem considerável na redução de processos, que passaram a ser automatizados, é o caso das orientações interior, relativa e absoluta. Muitos softwares reconhecem os diferentes padrões das câmaras, e suas marcas fiduciais, permitindo a realização dos ajustes em frações de segundo, com a mínima interferência do operador (SILVA,1999). A Fotogrametria Terrestre consiste nas atividades de captação de dados gráficos por meio da Fotogrametria utilizando como sensor uma câmara métrica terrestre. As finalidades deste tipo de levantamento são a investigação para obtenção de relações precisas entre objetos 13 e componentes do objeto imageado para serviços especializados de medição e controle de deformações, restauração de patrimônio arquitetônico ou de engenharia civil, restauração de monumentos e arqueologia (TOMMASELLI, 2000). 4.3 CÂMERAS As câmeras usadas em fotogrametria são classificadas em métricas e não métricas, podendo ser analógicas, quando utilizam filmes fotográficos, ou digitais, cujo sensor pé formado por uma linha (sensor linear) ou uma matriz de pixels (sensor de quadro). O sensor é geralmente constituído por um circuito integrado com elementos (pixels) sensíveis a luz. O circuito integrado pode ser de dois tipos: CCD (charge- Coupled Device) ou CMOS (complementary Metal Oxide Semiconductor). A característica geométrica é a principal diferença entre as câmaras métricas e não métricas (TOMMASELLI,2004). As câmaras digitais se diferenciam das analógicas principalmente pelo sensor uni ou bidimensional, CCD ou CMOS, no lugar de filme. São classificadas de acordo com o tamanho do sensor em câmaras digitais de pequeno, médio e grande formato. Nas câmaras digitais, no momento da tomada de fotografias, três imagens são capturadas no mesmo instante em três bandas diferentes do espectro eletromagnético, correspondentes aos comprimentos de onda do vermelho, do verde e do azul. As imagens podem, então ser compostas em uma única imagem, considerando a teoria aditiva de cores, resultado em uma imagem denominada colorido-normal (JENSEN,2009). 4.4 IMAGENS DIGITAIS Uma imagem digital é um conjunto de elementos de imagem espacialmente ordenados em um arranjo matricial, cuja posição é dada por (x, y), sendo que a cada elemento de imagem (pixel) é associado um tom de cinza, expresso genericamente por g(x, y), que são valores inteiros armazenados em n bits, sendo que o número máximo de tons de cinza que podem ocorrer na imagem é 2n (GALO, 1993). Resumidamente, uma imagem digital possui estrutura de representação (na forma de arquivo) composta por uma matriz bidimensional de pixels, que nada mais são do que pequenos retângulos ou quadrados com um tom de cinza. A obtenção de uma imagem digital consiste na incidência de um feixe de raio luminoso em um elemento sensor (CCD), provocando a geração de um sinal elétrico 14 proporcional à intensidade de luz incidente. Tais sinais são armazenados em capacitores e passam por um processo de amplificação, onde é produzida uma série de voltagens. Estas quantidades são convertidas em grandezas discretas por um conversor analógico/digitais e armazenados em memória de vídeo e mostrados em um display (GALO, 1993). A qualidade de uma imagem digital é determinada durante sua captura e depende de dois componentes resolução espacial e resolução radiométrica. A resolução espacial corresponde a medida de menor separação angular ou linear entre dois objetos que o sensor pode identificar, enquanto a resolução radiométrica refere-se a quantidade em níveis digitais representados através dos tons de cinza, quanto maior essa quantidade maior será a resolução radiométrica. 4.5 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS) O GPS é um sistema de navegação por mensagens de rádio, enviados por satélites, proporcionando navegação precisa em três dimensões, além de uma base de tempo muito confiável e precisa. Foi criado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da America (DoD – Department of Defense) para fins de navegação em aplicações militares. Teve seu desenvolvimento iniciado em 1973. Seu uso foi aberto à comunidade civil e científica em 1983 devido a sua alta acurácia e muitas aplicações surgiram, como: navegação, controle de frotas, agricultura de precisão, cadastro e posicionamento geodésico. Porém só foi declarado totalmente operacional apenas em 1995. O sistema atualmente possui número de satélites variável, com um mínimo de 24 satélites, compondo os blocos (blocos IIA, IIR e IIR-M) distribuídos em seis planos orbitais com um ângulo de cinqüenta e cinco graus em relação ao Equador. O período de passagem é de doze horas siderais. Desta forma, a qualquer momento e em qualquer posição da superfície terrestre o usuário terá a disposição no mínimo quatro satélites (número mínimo de satélites necessário para realizar o posicionamento) para serem utilizados. Em relação aos levantamentos geodésicos convencionais (Poligonação, Irradiação, entre outros), o GPS apresenta a vantagem de não necessitar da intervisibilidade entre as estações, além de poder ser utilizado sob quaisquer condições climáticas. O sistema GPS de navegação usa o princípio baseado na medição das pseudodistâncias entre o receptor e no mínimo quatro satélites que compõem o sistema. Conhecendo-se as coordenadas dos satélites em um referencial, podem-se determinar as coordenadas da antena 15 do receptor. Geometricamente somente três satélites seriam necessários, porem uma quarta observação se faz necessária, devido ao não sincronismo entre as bases de tempo do receptor e dos satélites observados. O termo pseudodistâncias e dá justamente devido a falta de sincronismo entre os relógios dos satélites e do receptor (SEEBER, 2003). Diversas técnicas podem ser usadas para determinar a posição de um receptor sobre a superfície terrestre. O posicionamento por ponto simples, usando somente informações recebidas dos satélites (efemérides transmitidas e as pseudodistâncias – Código C/A) pode proporcionar posições com acerácea da ordem de 10 metros. Para o caso de determinação de posições para o georreferenciamento direto, métodos como DGPS (Diferencial GPS), relativo ou PPP (Precise Point Positioning) normalmente são utilizados. Mais detalhes das técnicas de posicionamento e processamento podem ser encontrados em (MÔNICO, 2008) e (SEEBER, 2003). 4.6 GLONASS O GLONASS, assim como o sistema GPS, foi desenvolvido com o objetivo de proporcionar posição e velocidade em tempo real. Foi concebido por volta de 1970, na antiga União Soviética, e atualmente é mantido e operado pela Federação Russa de Forças Espaciais. Foi inicialmente desenvolvido para fins militares, mas atualmente é usado por usuários civis. Apesar de ter seu desenvolvimento iniciado na década de 70, só foi considerado funcional no final de 1995. Foi concebido para possuir 24 satélites em 3 planos orbitais (um a cada 120º), com inclinação de 64,8º, em órbitas aproximadamente circulares. Os satélites deste sistema transmitem seus sinais em duas portadoras (L1 e L2), mas diferentemente do sistema GPS, cada satélite possui uma freqüência principal, e faz uso da técnica denominada FDMA (Frequency Division MultipleAcess – Multiplo Acesso pela Divisão da Frequência) para distinguir as mensagens enviadas por diversos satélites ao mesmo receptor. Mais detalhes podem ser encontrados em Mônico (2008). 4.7 GALILEO O sistema Galileo nasceu da necessidade dos países da União Européia em ficarem independentes dos sistemas militares (GPS, GLONASS, Compass). Os primeiros estudos para a definição e implementação deste sistema datam de julho de 1998, até o lançamento do 16 primeiro satélite, em dezembro de 2005, denominado GEOVE (GalileoIn-Orbit Validation Element – Elemento de Validação em Órbita). O Galileo será um sistema aberto e global, de controle civil, e deverá ser totalmente compatível com o sistema GPS e GLONASS. Hoje está com 30 satélites em três órbitas circulares média, com inclinação de 56º em relação ao plano do equador, sendo que três destes estarão ativos, mas poderão ser usados como reserva no caso de falhas em algum dos outros 27 satélites da constelação principal (nove satélites por plano orbital). O Galileo não foi projetado para fins militares, e possuirá serviços como de busca e resgate, segurança de vida, auxílios a serviços públicos como polícia, bombeiros, etc. e devido a isto, alguns destes serviços deverão ser taxados. O Galileo deverá ter um desempenho no mínimo ao alcançado pelo sistema GPS modernizado, mesmo para aplicações de usuários comuns ou posicionamentos simples (MONICO, 2008). 4.8 BEIDOU/COMPASS O sistema Compass (Beidou-1) é um sistema de navegação Chinês baseado no uso de satélites geoestacionários, e fornece seus sinais a toda a China e em algumas regiões vizinhas. Atualizações neste sistema (Beidou-2) prevêem lançamentos de novos satélites para compor uma constelação semelhante ao GPS, GLONASS e Galileo, além de seus 5 satélites geoestacionários já existentes. Mais detalhes podem ser encontrados em (COMPASS, 2008). 4.9 ANÁLISE DA EXATIDÃO CARTOGRÁFICA A Análise da Exatidão Cartográfica consiste em avaliar estatisticamente as discrepâncias entre as coordenadas de pontos da carta e as coordenadas de pontos homólogos obtidos a partir de pontos observados no terreno ou de uma fonte com precisão confiável. O número de pontos sugerido é um mínimo de vinte, bem distribuídos por todos os quadrantes da carta. Conforme o decreto N.º 98.817 de 20 de Junho de 1984, a classificação da carta é feita segundo o Padrão de Exatidão Cartográfica (PEC) e o Erro Padrão (EP). O Padrão de Exatidão Cartográfica é um indicador estatístico de dispersão, relativo a 90% de probabilidade, que define a exatidão do trabalho cartográfico (Decreto N.º 98.817, Capítulo II, seção 1, artigo 8º, § 1º). O Erro-Padrão isolado num trabalho cartográfico não ultrapassará 60,8% do 17 Padrão de Exatidão Cartográfica (Decreto N.º 98.817, Capítulo II, seção 1, artigo 8º, § 3º) (PEC 2015). No quadro 1, são mostrados os PEC e EP planimétricos em milímetros na escala da carta e os valores altimétricos em fração da equidistância. Quadro1-Padrão de Exatidão Cartográfica Planimétrico e Altimétrico (com fração da equidistância) e Erros Padrão. PEC EP Classe Planimétrico (mm) Altimétrico Planimétrico (mm) Altimétrico A 0,5 x Ec. 1/2 x Eq. 0,3 x Ec. 1/3 x Eq. B 0,8 x Ec. 3/5 x Eq. 0,5 x Ec. 2/5 x Eq. C 1,0 x Ec. 3/4 x Eq. 0,6 x Ec. 1/2 x Eq. Nas descrições a seguir, ter-se-ão os procedimentos envolvidos na análise de tendências e precisão, sendo que, nas fórmulas, a variável X representa tanto as coordenadas planimétricas quanto altimétricas, de acordo com a análise que se queira realizar. A análise estatística de uma carta baseia-se na análise das discrepâncias entre as coordenadas de referência e as coordenadas observadas na carta X ri para cada ponto i Xi por (1) ∆X i = X r i − X i Um dos testes utiliza à média e o desvio padrão das discrepâncias amostrais: 1 n ∆X = ∑ ∆X i n i =1 (2) (3) n S 2 ∆X = 1 ∑ ∆X i − ∆X n − 1 i =1 ( 2 ) No teste de tendências podem ser avaliadas as seguintes hipóteses: 18 contra H 1 : ∆X ≠ 0 H 0 : ∆X = 0 Para este teste, deve-se calcular a estatística amostral (4), (04) ∆X tx = ⋅ n S ∆X e verificar se o valor tx amostral está no intervalo de aceitação ou rejeição da hipótese nula. t x < t ( n −1,α / 2 ) onde: é obtido da tabela t de student, com nível de significância de e n-1 graus de lit( n −1,α / 2 ) berdade. Uma vez que a desigualdade não seja satisfeita, rejeita-se a hipótese nula, ou seja, a carta não pode ser considerada como livre de tendências significativas na coordenada testada, para um determinado nível de significância. A existência de tendências em alguma direção significa a ocorrência de algum problema, cuja causa pode ser a mais variada possível. Uma vez quantificada esta tendência, seu efeito pode ser minimizado pela subtração de seu valor a cada coordenada retirada na carta (GALO & CAMARGO, 1994). No teste de precisão pode ser analisado as seguintes hipóteses: H0 : S 2 ∆X =σ 2 X contra H 1 : S ∆2X > σ 2X O termo αx é o desvio padrão esperado para a coordenada X, ou seja, o Erro Padrão esperado para a classe a ser analisada. É importante ressaltar que o EP para as classes é fixado para a componente, sendo que para os testes planimétricos, considera-se: (05) σX = EP 2 Se a análise for feita sobre as resultante, a expressão acima fica: 19 σ X = EP Depois de calculada a variância da classe esperada, a seguinte estatística é calculada S2 χ 2X = (n − 1) ⋅ ∆2X σX (06) e verifica, se o valor σ está no intervalo de aceitação ou rejeição. χ 2X ≤ χ (2n −1,α ) Onde: χ (2n −1,α ) é obtido da tabela Qui-quadrado, com nível de significância de χ e n-1 graus de liberdade. 4.10 CONSIDERAÇÕES INICIAIS Monte Carmelo é um município brasileiro do estado de Minas Gerais, está em 892 metros de altitude e tem uma área de 1354 km². Sua população estimada, segundo dados do IBGE em 2014, é de 47 770 habitantes. A principal atividade econômica da cidade é a produção de telhas, tijolos, artefatos cerâmicos e também é destaque na produção de café. Um mapeamento móvel para Monte Carmelo poderá auxiliar a logística viária assim como o cadastramento. Para MARTINELLI (1991), As cidades ao longo da história vêm adequando-se de acordo com as demandas das necessidades humanas, pois por trás da realidade há uma dinâmica social, que produz o espaço geográfico, do qual somos parte integrante. A partir da dinâmica das cidades é que se pode definir como os agentes previsíveis e imprevisíveis existentes como as obras de infra-estrutura urbana, os impostos territoriais Urbanos e Rurais entre outros devem ser manuseados. O planejamento das cidades se dá tendo em vista as necessidades da população bem como visando o seu bem-estar. Partindo-se desta afirmação, todas as atitudes tomadas pelo poder público tornam-se concretas. Dessa forma conclui-se que a base cartográfica de uma cidade deve ser atualizada em função da dinâmica da mesma. É fato que uma base cartográfica mais atualizada e 20 homogeneizada é imprescindível para o cadastro mais preciso, dessa forma é alcançada a equidade fiscal, ou seja, os impostos territoriais são cobrados com maior justiça social, proporcionando à população, através desses impostos, os serviços necessários para o bem comum e o desenvolvimento da região. Muitas vezes cogita-se em aproveitar informações existentes, tais como fotografias aéreas obtidas em época posterior aos mapeamentos existentes, porém nunca representadas em forma de mapas. Essas informações existentes, além de estarem desatualizadas (fator tempo), não apresentam as modificações urbanas ocorridas nos últimos anos e não se justifica efetuar gastos consideráveis para obter um mapa preciso, porém desatualizado. 5. MATERIAIS E MÉTODOS 5.1 EQUIPAMENTOS Inicialmente a relação de materiais e equipamentos a serem utilizados na pesquisa foi: um veículo automotor, câmera Ladybug5 (Figura 1 e Figura 2), par de receptores GNSS de dupla frequência ,softwares de processamentos e notebook. No levantamento, embarcamos um receptor GNSS de navegação. Figura 1 - Câmera Ladybug5. Fonte: LASER(Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. 21 Figura 2- Câmera Ladybug5 com suporte Fonte: LASER (Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. A câmera digital esférica Ladybug5, possui seis câmeras de 5 MP e permite que sistema de vídeo tenha -1394b (FireWire) que uma permite cobertura 360º esférica que imagens JPEG, com e uma resolução de interface IEEE 12MP, transmitidos para um sistema de armazenamento a 15fps (frames por segundos). Figura 3 - Suporte para a Câmera Ladybug5 sejam 22 Fonte: LASER (Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. Abaixo, exemplo de uma imagem panorâmica coletada com a câmara Ladybug. Figura 4 - Exemplo de imagem obtida com a câmera em movimento. 23 Fonte: (Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. Figura 5 - Exemplo de imagem obtida com a câmera em movimento. Fonte: (Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. Figura 6 - Exemplo de imagem obtida com a câmera em movimento. 24 Fonte: (Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. Figura 7 - Exemplo de imagem obtida com a câmera em movimento. Fonte: (Laboratório de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto) – UFU. O advento da tecnologia de levantamento geodésico por GNSS aumenta a eficiência para analisar, gerenciar e otimizar atividades relacionadas com o espaço geográfico. Os receptores GNSS de dupla frequência (L1e l2) determinam coordenadas sobre a superfície terrestre, esses objetos mapeados são denominados feições que são usadas para a construção de uma base cartográfica e posteriormente visualizada num SIG (Sistema de Informação Geográfica) (MONICO, 2008). 25 Abaixo, imagem do Levantamento realizado na área teste escolhida para levantamento das coordenadas tridimensionais dos postes que foram utilizadas posteriormente para verificar a qualidade posicional das coordenadas estimadas através das imagens do Sistema de Mapeamento Móvel. Figura 8 – Receptores GNSS-rover L1, ProMark200. Fonte: O Autor. 26 5.3 ÁREA DE ESTUDO A área escolhida fica próxima a UFU - Campus de Monte Carmelo. Com aproximadamente 2500 metros de vias, no bairro Vila Nova (Figura 7). A área teste foi escolhida levando em consideração a proximidade do campus UFU SESI, onde se encontram os equipamentos e Laboratórios disponíveis, dando suporte a elaboração do levantamento. Além de acessível para o trabalho, por não possuir um alto fluxo de veículos se mostrou também adequado para este tipo de tarefa. Figura 9– Área de estudo a ser mapeada e localização do campus SESI. Fonte: o autor. 27 Figura 10– Área de estudo no software QGIS Fonte: o autor. 5.4 LEVANTAMENTO DOS POSTES EM CAMPO PARA EFEITO DE COMPARAÇÃO COM AS COORDENADAS OBTIDAS NA IMAGEM O trabalho de georreferenciamento dos postes foi uma atividade realizada em campo, da qual se utilizou a técnica de obtenção de dados através de receptores GNSS de dupla frequência. O GNSS foi regulado para trabalhar no modo relativo estático para intensificar a precisão do levantamento. O georreferenciamento iniciou-se com a coleta de dados e o cadastramento dos elementos postes. Após o levantamento de campo, os dados coletados foram processados e ajustados. Os pontos foram ajustados em relação à base que é ajustada em relação à RBMC. Os arquivos com as respectivas observações foram transferidos do receptor para o Centro de Controle da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS - RBMC. A partir deste ponto foram criados novos arquivos em formato padrão RINEX(Receiver Independent Exchange Format), que é o formato padrão. As bases escolhidas foram em relação à melhor geometria entre as redes, a estação de Uberlândia e Rio Paranaíba. 28 Escolheu-se levantar 14 postes como amostras distribuídas ao longo da rota. A forma de escolha se deu de modo que a obter postes com coordenadas conhecidas distribuídos por toda a área de estudo. O Levantamento de campo foi realizado no período da manhã, iniciando com o posicionamento de um receptor GNSS de dupla frequência (L1 L2) em um marco de coordenadas definidas dentro do campus SESI UFU, o qual posicionou como base para o levantamento. Em seguida foram coletados pontos, com um rover (receptor de simples frequencia L1), distribuídos uniformemente ao longo da área teste já definida. Ao término, foram coletados 14 pontos georreferenciados. 5.5 PROCESSAMENTO GNSS Os pontos foram processados no software GNSS Solutions e após o processamento, transformados em shapefile e visualizados no software QGIS. A base, localizada próxima do LTGEO (Laboratório de Topografia e Geodésia) no campus UFU SESI, foi ajustada utilizando dados da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) de Uberlândia e Rio Paranaíba, para melhorar a precisão da base e consequentemente dos pontos relativos coletados em campo. Figura 11: Postes distribuídos ao longo da área 29 Fonte: O autor. Figura 12- Relatório de processamento dos pontos e desvio padrão (14 pontos). 30 Fonte: O autor. 5.6 LEVANTAMENTO COM O SISTEMA DE MAPEAMENTO MÓVEL 31 O planejamento deste tipo de coleta foi essencial para a obtenção de produtos que atendam aos padrões de exatidão cartográfica. No planejamento, observam-se aspectos como: resolução das imagens, qual o melhor horário de coleta de dados levando em consideração a influência do sol e na câmera. Analisar a rota a ser executada na coleta de dados assim como definir os atributos a serem identificados e cadastrados. A metodologia de coleta baseou-se no recobrimento terrestre da área percorrendo as vias com um veículo automotor dotado do sistema de coleta Ladybug5 e um receptor GNSS de navegação integrado. Antes do início do levantamento, foi preciso conferir todos os equipamentos que compunham o sistema como: o software GPS GATE, que libera coordenadas de navegação vinda do receptor GNSS Garmin para o software da câmera. Em seguida ajustamos suporte, já com a câmera acoplada, em cima do carro, fixada com ventosas e fitas de estiques com catraca de pressão. Após tudo ajustado, o levantamento durou 20 minutos, saindo do campus e percorrendo aproximadamente 2,5 km de vias públicas. Figura 13- Câmera Ladybug5 Fonte: LASER (Laboratório de Fotogrametria) – UFU. 32 5.7 ELABORAÇÃO DO PRODUTO FINAL Para visualizar os dados levantados pelo sistema de mapeamento móvel e nos levantamento dos pontos para controle de qualidade, utilizou-se o software Quantum Gis e também um plugin chamado Open Layers Plugin. O plugin é instalado Open Layers como todos os outros plugins em Python. A partir do menu Plugins no QGIS, escolha Fetch Python Plugins. Isso abre o instalador do plugin. Para localizar o plugin, digite open layers na caixa de filtro, em seguida, selecione Open Layers Plugin da lista. Uma vez que é realçado, clique no botão Instalar plugin. Isto irá baixar o plugin a partir do repositório, instalá-lo e carregá-lo no QGIS. O OpenLayers Plugin usa sua extensão vista para buscar os dados do serviço que você escolher. Por esta razão, você deve carregar pelo menos uma de suas próprias camadas primeiras. Uma vez que cada um dos serviços está esperando um pedido de latitude / longitude de sua camada ou tem de ser geográfica ou você deve habilitar na projeção desejada. Para adicionar um dos serviços, existem duas escolhas: a escolher o serviço a partir das Plugins-> OpenLayers menu de plugin ou você pode usar a Visão geral OpenLayers. A Visão geral abre um novo painel que lhe permite escolher um serviço de uma lista drop-down. Clique na caixa mapa Ativar para ativar a lista drop-down e visualizar o serviço que se deseja adicionar. Figura 14 - Operação no software. Fonte: O autor. Este plugin permite adicionar um número de serviços de imagem para sua tela do mapa: Google Físico, Ruas, Híbrido, Satélite, Open Street Map, Yahoo Rua, Híbrido, Satélite, Bing Estrada Aéreo, Aérea com rótulos e Open Street Maps. Figura 15 – Distribuição dos pontos. 33 Fonte: O autor. Para visualizar os dados levantados pelo sistema de mapeamento móvel e nos levantamento dos pontos para controle de qualidade, utilizou-se o software Quantum Gis. As coordenadas dos postes foram obtidas através de medições realizadas no software HORUS, gerando coordenadas para 56 postes ao longo da área, de acordo com a figura 16. Figura 16- Visão dos pontos levantados especializados no Quantum GIS. Fonte: O autor. 34 6 RESULTADO DE DISCUSSÕES Quadro 2- Discrepância entre as coordenadas dos pontos de controle e da carta digital. Coordenadas GPS medidas em campo Ponto E (m) N (m) 1 238070,103 7926696,679 2 3 4 238150,179 238213,982 238292,364 7926693,831 7926687,406 7926672,646 5 238057,050 7926571,520 6 238139,131 7926563,223 7 8 9 10 11 12 13 14 238207,032 238278,862 238269.142 238234,115 238040,718 238107,573 238195,368 238252,884 7926556,505 7926549,259 7926440,356 7926418,364 7926398,798 7926356,546 7926326,139 7926307,319 Coordenadas no produto Discrepâncias E (m) N (m) αE (m) ∆N (m) 238070,103 7926693,67 9 1,029 1,818 238151,179 7926693,83 1 -1,856 2,643 238213,982 7926687,40 6 -0,141 3,784 238292,364 7926670,64 6 0,16 2,722 238057,05 7926573,52 -0,503 -2,553 238139,131 7926563,22 3 -3,986 1,343 238207,032 7926556,50 5 -2,793 2,088 238278,862 7926549,25 9 -0,029 3,204 238.269 7926438,35 6 0,44 2,451 238235,115 7926418,36 4 -2,856 -0,329 238040,718 7926398,79 8 0,813 4,31 238109,573 7926356,54 6 -1,259 3,048 238195,368 7926326,13 9 -3,106 0,793 238252,884 7926307,31 9 -1,7 3,104 Média -0,751761905 1,353619048 Desvio-padrão 1,409920384 1,742599595 35 Dos resultados obtidos no Quadro 3, tem-se a seguinte análise. Quadro 3 - Análise de Tendência da carta digital Componente Analisada Distribuição de t-student Calculado - tx E -2,4434045515 N 3,559659813 Análise Tabela – t(13, 5%) Tendenciosa 1,397 Tendenciosa Partindo dos resultados da tabela acima se conclui que a carta elaborada se mostrou tendenciosa para as componentes analisadas. Na Análise de Precisão pode ser analisada com a comparação do desvio padrão das discrepâncias com o Erro Padrão (EP), para a classe que se deseja testar. Uma vez que a expressão anterior não é satisfeita, rejeita-se a hipótese nula, ou seja, a carta não atende a precisão correspondente a Classe analisada. A tabela 4 mostra a análise da precisão na escala 1/5000. Quadro 4- Análise de precisão considerando a escala 1:5000 Classe Analisada Componente analisada Qui-quadrado Calculado (∆2) Análise Tabela Aceito (sim/não) (χ 13,10%) A B C E 35,34000872 Não N 53,9844841 Não E 12,72240314 Sim N 19,43458143 E 8,835500218 Sim N 13,4962371 Sim 14,68 Não Pelos resultados da tabela 4, pode-se concluir que a precisão da carta atende às especificações da classe C para a escala 1: 5.000. 36 6 CONCLUSÕES Dentre os resultados obtidos, estão imagens georreferenciadas de feições de interesse (postes) coletadas ao longo das ruas percorridas com o sistema de coleta. O trabalho foi dividido em cinco etapas, sendo elas: o estudo preliminar, o levantamento geodésico, levantamento SMM, o processamento de dados e a visualização das coordenadas num ambiente SIG. Foi analisado o posicionamento das entidades geográficas e os postes cadastrados, apresentando as vantagens e desvantagens do mapeamento móvel para o cadastramento urbano, atingido precisão posicional adequada para uma série de aplicações tendo como resultado a representação vetorialmente das feições necessárias para a composição da base cartográfica. A utilização SMM no mapeamento urbano e no cadastro de postes mostra-se como uma técnica válida, com boas expectativas para os resultados futuros, principalmente depois que a integração câmara inercial estiver funcionando plenamente. De acordo com os resultados obtidos na análise do Padrão de Exatidão Cartográfica (PEC), podemos concluir que o produto final se enquadra na classe C na escala 1:5000. De acordo com a norma, esse produto não pode ser usado para fins cadastrais, pois se enquadra na classe C, porém esse valor pode melhorar ao aumentar o numero de amostra. REFERÊNCIAS ANDRADE, J. B. Fotogrametria. 1. Ed. Curitiba: SBEE, 1998. 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