universidade federal do rio de janeiro instituto de matématica curso

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE MATÉMATICA
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
LEVANTAMENTO ALTIMÉTRICO
RIO DE JANEIRO
2005
SANJAY JENA
RODRIGO MIRANDA TERRA
LEVANTAMENTO ALTIMÉTRICO
Monografia apresentada ao professor José Alexandre de Seixas
como exigência parcial para conclusão da cadeira de
Geoprocessamento.
RIO DE JANEIRO
2005
RESUMO
Esta monografia apresenta um estudo sobre as motivações para
uso de informação altimétrica de terreno bem como técnicas
atuais para levantamento de tal informação. Considera- se o
histórico do uso de computares para manipulação deste tipo de
informação geográfica. É destacado também o uso de formatos
raster para armazenagem deste tipo de informação.
Como trabalho de conclusão de cadeira foi feito um esforço
especial para informar ao leitor sobre como as técnicas e
informações altimétricas são fácilmente disponíveis hoje e como
o aluno de ciência da computação pode agregar a tais em
quaisquer trabalhos futuros em sua vida profissional cujo o
esboco inclua este tipo de geoprocesamento.
CAPÍTULO
I
1 INTRODUÇÃO
O Geoprocessamento é baseado em dados geográficos da terra. A superfície dela é
tridimensional.
Antigamente, na apresentação de superfícies eram usados modelos de madeira. Também
muito popular eram mapas de papel com relevos sombreados e curvas de nível.
A representação digital de superfícies terrenos é chamada “digital elevation model” (DEM),
também conhecido como “digital terrain model” (DTM).
Imagem 1: modelo terreno plástico
Um Sistema de Informações Geográficas (SIG) baseado no um modelo de dados em duas
dimensões pode ser suficiente em algumas aplicações, mas representam a realidade bem
reduzida e limitam a funcionalidade das aplicações.
Um modelo de dado completo se compõe de três dimensões: solo, posição e elevação.
Juntos com o crescimento dos mercados de SIG cresceram as exigências para a potência
das possibilidades de análise.
Para satisfazer as exigências atuais é preciso que um SIG seja capaz de oferecer
representação e análise em três dimensões, combinando e processando os dados da
elevação juntos com outros dados espacias ou imagens.
1.1 O ASPETO DA DIMENSIONALIDADE
Essencialmente, um DEM contem várias instâncias de pontos em x- y- z coordenadas. Um
modelo terreno pode ser realizado através de um atributo de elevação para cada ponto
(x,y). Este tipo de modelo de elevação só pode descrever superfícies, más não consegue
tratar vários valores de z para o mesmo ponto. Por isso, ele é chamado 2.5- dimensional .
Imagem 3: Superfície (2.5 dimensional)
Num modelo de elevação realmente em três dimensões a elevação faz parte da posição e
o modelo consegue tratar varias posicões de z para o mesmo ponto.
Imagem 4: Varias valores da elevação para os mesmos pontos (3 dimensional)
Os dois tipos de modelo de elevacão têm vantagens e desvantagens: um modelo em três
dimensões representa a realidade melhor do que um model em duas dimensões e meia.
Por outro
lado, a maioria
das análises precisam de muito
mais capacidade de
processamento num model em 3 dimensões.
A escolha do modelo depende muito da aplicação; no entanto o modelo mais difundido é
o modelo 2.5 dimensional.
1.2 APLICAÇÕES
Juntos com a Aerofotografia e o Sensoriamento Remoto melhoraram as tecnologias para
obter os dados de elevação, que, são independe de nuvens, iluminação do sol e contraste
da superfície da terra.
O desenvolvimento rápido nos anos passados e o melhoramento da precisão, fez com que
hoje, os dados de DEM achem aplicação em muitas áreas da hidrologia, climatologia,
geomorfologia e ecologia, mas também em áreas civieis e militares e áreas industrias
como telecomunicação.
As áreas da aplicação podem ser separadas nas que seguem, onde DEMs têm papeis
significativos no melhoramento da análise de resultados, produtos, desenvolvimento e
“decision making”.
Aplicações científicas
Na ecologia nas pesquisas sobre as dependências entre todas formas de vida e o meio
ambiente delas, como solo, agua, clima e terreno.
Na hidrologia precisa- se o conhecimento sobre o relevo para modelar o movimento da
agua.
Na climatologia é importante ter dados sobre a fluxuação da temperatura e humidade que
são associados ao relevo.
Aplicações comercias
As aplicações comercias são distinguidas em dois setores.
Um setor processa os produtos básicos de DEM, nos quais os dados são preprocessados e
geocoficados
sem ter aplicação. Neste setor
é importante
posteriormente modelados conforme a necessidade do cliente.
que os dados sejam
O outro setor combina os dados com uma aplicação específica. As áreas maiores são
planejamento e construção (construção de ruas, linhas de electricidade, pontes etc.) e
serviços hidrológios e meteorológicos incluindo avaliação de riscos (probabilidade de
inundações etc.).
Aplicações indústrias
As áreas indústrias, que hoje muito usam dados de elevação, são a telecomunicação
(exploração das posições ótimas para macro célulares etc.), a aviação (sistemas que
evitam colisões através informações detalhadas sobre altura de terreno), sistemas GPS
(Global Positioning System), a indústria de mineiração, o turismo (mapas em 3D) e a
engenharia.
Aplicações na estruturação internas das empresas e militares
Dados geográficos são usados em todos os níveis de administração, diretoria, logistica e
planejamento nas áreas de comunicação e técnologias de informações.
Comumente se utilizam DEMs em generação e atualização de dados nos assuntos do
governo, assisténcia administrativa nas áreas afetadas por catástrofes, segurança na aéra
operacional (melhor treinamento pelo simulões mais reais), previsão de catástrofes
naturais e avaliação de riscos delas.
2.0 DESCRIÇÃO DO DEM
Extrair da melhor forma possível o amplo potêncial dos mapas de elevação digital
(DEM) é algo desafiador. É digno de nota que embora haja um enorme número de
aplicações como descritos no item anterior, cada uma delas demanda caracteristicas
específicas das representações e a cada uma o usuário deve estar atento as armadilhas
que podem estar presentes na utilização dos formatos disponíveis. Para uma melhor
compreensão
vamos
passar
a
analisar
os
fundamentos
da
representação
das
caracteristicas espaciais de um terreno em modelos computacionais.
Históricamente as primeiras tentativas de modelagens datam de trabalhos do fim da
década de 50. Destacadamente os trabalhos de Miller e La Flamme de 1958 em “The
Digital Terrain Modelling – theory and applications”. Estes trabalhos pioneiros enfocavam
a representação de terrenos por meio de seus perfis. O que inclusive era mais adequado
as restrições computacionais então existentes na época. Atualmente, como seria de se
esperar, as modelagens caracterizam de modo muito mais completo a estrutura de
terrenos. Antes de nos aprofundarmos nos modos de representação é importante
mencionar que diversos termos distintos são utilizados rotineiramente para denominar os
possíveis modelos de terreno. Cada um deles aprensentando sutis diferenças no
significado. Termos comuns são DMT ( Digital Model Terrain ) e NMT ( Numerical Model
Terrain ). Os modelos DMT se diferenciam dos DEM por poderem incluir alem da
informação com respeito a morfologia do terreno dados como objetos geograficamente
importantes ou dados quanto a textura ou qualquer outra informação agregada que vá
alem da descrição pura e simples da forma do terreno. Já o o termo NMT é básicamente
uma alternativa ao termo DEM. Ainda outros termos são relacionados são: Triangulated
Irregular Network (TIN), Digital Heigh Model (DHM), Digital Ground Model (DGM), Digital
Terrain Elevation Data (DTED). Todos esses são aplicados a formas alternativa de
representação de terreno.
Do ponto de vista estritamente matemático os modelos digital 2.5D são uma função
R em R3 ou seja para cada ponto de localização planimétrica se determina uma elevação
2
ou coordenada z. É importante definir o que entendemos por elevação ou altitude. Ela é
definida como distancia relativa a uma superficie de referência. Normalmente se usa ou o
geóide ou o elipsóide. Em geral se define o conceito de altitude ortométrica H0i no ponto
Pi como sendo:
H0i = ? dh
Sendo o caminho no caso do geóide o dado pelo vetor gravidade e no caso do
elipsóide a normal no ponto em questão.
Por causa das caracteristicas contínuas dos terrenos reais e as limitações discretas
dos modelos não analíticos muitas vezes é necessário alguma regra de interpolação para
obter a coordenada desejada. De forma mais concreta há três tipos de representação mais
comuns a matriz de cotas, curvas de nível e a malha triangular.
2.0.1 MATRIZ DE COTAS.
Na representação de matriz de cotas a estrutura de dados representa uma matriz
onde cada elemento representa uma região cujo tamanho dependerá da resolução do
mapa. Resoluções comuns são areas de 30 x 30 metros e 90 x 90 metros corespondendo
a escala de 1:24.000 e 1:250.000 respectivamente. Há a possíbilidade de uso de matrizes
regulares ou irregulares.
Um exemplo pode ser visto na figura abaixo:
Imagem 5 cada região tem associado um valor de altitude.
Com uma resolução suficiente e devida iluminação isto permite criar uma imagem do
terreno como a abaixo:
Imagem 6 Altitude de terremo modelo por DEM com matriz de cotas.
2.0.2 CURVAS DE NIVEL.
Este formato é uma representação digital direta dos tradicionais mapas de curva de
nível.
Armazena
digitalmente
poligonais
fechadas,
poligonos
que
correspondem
diretamente a regiões de mesmo valor altimético. Formatos padrões de 2D como o da
Autodesk para Autocad o .DXF podem expressar mapas assim. Também existem formatos
especificos como o .DLG. É possível a conversão automatica de curva de nível para matriz
de cotas com softs como o R2V,WinTopo e Blackart. A conversão de matriz de cotas para
curva de nível é ainda mais rápida.
Imagem 7 Exemplo de perfil em mapa de curva de nível.
2.0.3 MALHA TRIANGULAR
Composto por diversos vertices e linhas unindo tais vertices de modo a formar
supercífices
triangulares.
Normalmente
se
usa
triangulação
de
Delaunay.
Esta
traingulação tem a propriedade de a região definida por uma face de um triangulo nunca
contem o vértice de outro triangulo. Por sua caracteristica irregular mais fácilmente
permite acomodar complexidades do terreno. Veja a comparação entre as duas figuras
abaixo uma usando matriz de cotas e outras usando triangulação.
2.0.4 COMPARAÇÕES.
Cada um destes métodos de modelagens possuem suas vantagens e desvantagens.
Por exemplo a matriz de cotas tem a vantagens como: facilmente gerar as outras formas;
ser de fácil manipulação quer para vizualização quer para uma grande número de
algoritmo que usam informação de elevação. Mas tem inconvenientes como: grande
redundância de informação nas zonas em que o terreno é uniforme; incapacidade de
adaptação à diferente complexidade do terreno sem alter as dimensões das celulas;
grande volume de dados para alta resolução; em terrenos onde a variação de altitude é
acentuada dentro da área de amostragem para a resolução usada pode haver considerável
erro na representação.
Já as curvas de níveis podem fácilmente ser obtidades da grande base de carta já
disponível em formado impresso porem os algoritmo
complexos e lentos.
de manipulação são muito
Alem disto as curvas de nivel perdem precisão em terremo muito
ingrime. Finalmente a triagulação também tem algoritmos complexos para manipulação
principalmente extração de perfis.
Aqui no nosso estudo nos concentraremos em considerar os DEM representados por
matrizes de cotas. Por isto vamos passar a analise mais funda deste formato.
2.1 FORMATOS DE ARQUIVOS PARA MATRIZES DE COTAS.
Na prática muitos são os formatos usados para representar a matriz de cotas. Todos
acabam compartilhando pontos fortes e fracos pois se baseam na mesma técnica de
matrizes de cotas. Entre os mais conhecidos são.
USGS DEM – US Geological Survey formato padrão do centro de estudos geológico
americanos. Por se tratar de um importânte centro de estudo que disponibiliza de forma
gratuita dados o uso deste formato é excencial para viabilizar certas abordagens. Deve
ser observar que o USGS DEM tem muitas sub variantes assim é necessário conhecer
exatamente sua versão ao trabalhar com esses dados.
DTED – Digtal Terrain Elevation Data formato usado também por muitas agências que
divulgam dados.
BT - Binary Terrain. O DTED e USGSDEM são formatos ASCII apropriados para leitura
de programas FORTRAN. Contudo ocupam muito espaço. Assim de modo alternativo a
representação BT armazena os números não por sua representação ASCII da expansão
decimal mais por seu valor em binario o que resulta em grande compresão.
CDF, HDF – Common Data Format and Hierarchical Data Format – Na realidade são
formatos cientificos para armazenas qualquer informação que possa ser representada por
matrizes. Muitos programas que lidam com barimetria dão preferência a este formato.
ASTER, PGM, DTM, GRD
– A lista de formatos DEM é bem longa e variada. Muitos
programas optam por criar seu próprio formato quer por adequação específica a uma
operação necessária que por reserva de mercado. Esta são exemplos disto. ASTER
formato que totas as imagens do sensor ASTER no satélite terra da NASA; PGM portable
gray map; DTM Digital Terrain Model; GRD grid; HGT Height.
Vamos observar em detalhes apenas o USGS DEM os demais seguem os mesmos
principios. As variações entre formatos costumam incluir diferenças entre estruturas de
dados; representação em ASCII ou binária; Matriz em linha ou coluna; projeção usada e
etc...
2.1.1 FORMATO USGS DEM
O format USGS DEM é como já mencionado basicamente o formato padrão para
armazenagem em linhagem FORTRAN. Ele possue três tipos básicos de registro.
Nomeados por A, B e C. Os registro A contém informações de header com dados como
projeção, georeferência e descrição do arquivo. Já os registros B que são a maior parte
dos dados se compoem das cotas propriamente dita. As alturas são definidas em
unidades genéricas cuja relação com metro ou qualquer outra unidade linear é definida
pelo registro A. Finalmente o registro C contem dados estatíscos sobre o arquivo como
por exemplo a variancia do erro que o processo de geração daquele DEM especifico
determina. Um exemplo de cada um desses registros é:
Registro Tipo A ( Extraido do site USGS )
Exemplo DEM registro lógico Tipo A - Reno, Nevada- California, Quadrangle (West Half) (1
degree)
NJ11- 01W
3 1 0 0 0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0 3
2 4 - 0 42840000000000D+06 0.140400000000000D+06
0.428400000000000D+.06
0.144000000000000D +06 - 0.42480000000000D+06 0.14400000000000D +06
- 0424800000000000D+06 0.14040000000000D+06 0.999000000000D+03
0.264100000000000D+04 0.0 00.300000E+010.300000E+010.100000E+01 1
1201
Elementos
dados
Conteúdo
Descrição
1
NJ11- 01W
Quadrangle name field (144 characters); NJ11- 01W
is the designation for the DEM covering the west half
of the Reno, Nevada- California, sheet.
2
3
DEM level code; 3 reflects processing by DMA which
includes registration to planimetric features
appearing on the source 1- degree.
3
1
Pattern code; 1 indicates a regular elevation
pattern.
4
0
Planimetric reference system code; 0 indicates
geographic coordinate system.
5
0
Zone code; there are no zones in the geographic
system. Therefore, the zone code is set to zero.
6
0.0
Map projection parameters; all 15 fields are set to
(15 sets of 0.0) zero for the geographic system and should be ignored.
Presence of non - zero parameters are not related to
the geographic coordinate system and should also be
ignored.
7
3
Units code; 3 represents arc- seconds as the unit of
measure for ground planimetric coordinates throughout
the file.
8
2
Units code; 2 represents meters as the unit of
measure for elevation coordinates throughout the
file.
9
4
Number (n) of sides in the polygon which defines the
coverage of the DEM file (usually equal to 4).
10
11
- 0.4284...D+06, A 4,2 array containing the ground coordinates of
0.1404...D+06
the four corners of the DEM. In this case
........
translation from arc- seconds to degrees, minutes
........
and seconds yields: - 119 00 0, 39 00 00; - 119 00
- 0.4248...D+06
00, 40 00 00; - 118 00 00, 40 00 00; - 118 00 00.
0.1404...D+06
39 00 00.
0.9990...D+06
0.2641...D+04
Minimum and maximum elevations for the DEM.
12
0.0
Counterclockwise angle from the primary axis of
ground planimetric referenced to the primary
axis of the DEM local reference system.
13
0
Accuracy code; 0 indicates that a record of
accuracy does not exist and that no record type
C will follow.
14
0.300000E+01
A three- element containing DEM spatial
0.300000E+01
resolution (x,y, z); set to 3, 3, 1; or 3, 6, 1;
0.100000E+01
or 3, 9, 1 depending on the latitude of the
product.
15
1 1201
A two - element array containing the number of
rows and columns of profiles in the DEM. The
row value m is usually set to 1 as an indication
that the arrays are actually one- dimensional
profiles. The column value n set to 1,201
indicates that the DEM file consists of a total
of 1,201 profiles.
Type B Record
DEM Type B Logical Record- Reno, Nevada California, Quadrangle (West Half) (1 degree)
1
1 1201 1 - 0.42480000000000D+06 0.1404000000000D+06 0.0
0.121000000000D+04 0.177200000000D+04 1538 1539 1539 1534 1529 1520
1513 1508 1501 1493 1488 1479 1475 1474 1473 1472 1469 1467
1466
1464
Data
Element
Content
Explanation
1
11
Row and column identification number of the
profile contained in this record; 1, 1
represents row 1, column 1, in the DEM data set.
2
1201 1
Number of rows (elevations) and columns in this
profile; 1201, 1 indicates there are 1,201
elevations and 1 column in this profile.
3
4
- 0.4284...D+06
Translated to the decimal, - 428400.0 and
0.1404...D+06
140400.0 are the ground planimetric coordinates
(arc- seconds) of the first elevation in the
profile, thus computed equal to - 119 and 39
degrees.
0.0
Elevation of local datum for the profile.
Always zero for 1- degree DEM, the reference is
mean sea level.
5
0.1212...D+04
0.1772...D+04
Minimum and maximum elevations for the profile.
6
1538 1539...
An array of m x n elevations (m=1201, n=1) for
.......
the profile expressed in units of measure of
meters (record A, element 8, indicates meters
as units of measure) above or below the local
datum (record a, element 4).
Type C Record
Elevation Model Data Elements Logical Record Type C
Type
Data
Element
Physical Record Format
(FORTRAN
Notation)
ASCII Starting Ending
Format byte
byte
Comment
1 Code indicating
availability of
statistics in
data element 2
2 RMSE of file's
datum relative
to absolute
datum (x, y, z)
INTEGER*2
INTEGER*2
16
3I6
1
7
6 Code 1 = available
0 = unavailable
24 In some units as
indicated by elements
8 and 9 of logical
record type A.
3 Sample size on
which statistics
in data element
2 are based
INTEGER*3
I6
25
30 If 0, then accuracy
will be assumed to be
estimated rather than
computed.
4 Code indicating
availability of
statistics in
data element 5
INTEGER*2
I6
31
5 RMSE of DEM
data relative
to file's
datum (x, y, z)
INTEGER*2 3I6
6 Sample size on
which statistics
in element 5
are based
INTEGER*2 I6
36 Code 1 = available
0 = unavailable
37
54
In same units as
indicated by elements
8 and 9 of logical
record type A.
55
60
If 0, then accuracy
will be assumed to
be estimated rather
than computed.
Para mais imformações sobre a descricao do arquivo pode se recorrer ao link
http: / / edc.usgs.gov/guides/dem.html
Ao se utilizar o arquivo DEM deve se dar atenção ao nível de precisão para saber se é
adequado ao processamento em questão. O nível de precisão é definido pelo nivel do
arquivo. Nível 1 - Correlação de par estereo diretamente os limites de precisão são os
limites que o algoritmo de correlação pode fornecer. Nivél 2 há um pos- processamento e
integrasse a base hidrográfica com profundidade oceanica inclusive. Nível 3 a um controle
específio do valor máximo de RME ( Erro médio quadrático ) para isto adciona- se
infomações extras de outros levantamentos.
Também importante no uso de DEM é a sua resolução. Atualmente de forma gratuita se
obtem de todo ou parte do mundo DEM com resoluções de 1 segundo arc, 3 segundos
arco e 30 segundo arco. Que correspondem a cotas representando respectivamente áreas
de 30x30 metros, 90x90 metros e 1km x 1km.
2.1.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS USGSDEM
A maioria das vantagens e desvantagens do USGS DEM são na realidade vantagens e
desvantagem da armazenagem usando matriz de cotas. Como limitações temos o
problema de Aliasing. Pode se entender que o processo de encontrar as cotas é um
processo de amostragem em 2D, portanto suas limitações podem ser bem definidas pelo
transformação do dominio do espaço para dominio da frequencia por um transformada
Fourier 2D. Embasados pela teoria da transformada podemos afirmar que não podemos
representar variações buscas demais no relevo ( ou seja de frequência muito elevada ). O
correndo o Aliasing. O que é brusco demais? Depende da sua resolução e precisão mais a
capacidade de representação segue de modo analogo os limites do teorema de Nyquist.
Portanto para representar um vasta area com boa precisão precisamos de muita memória
embora talvez apenas uma parte do terreno seja irregular o bastante para se beneficiar da
informação registrada.
Contudo usamos o USGSDEM não por suas desvantagens é claro mas por seus pontos
fortes que incluem algoritmo relativamente simples, formato simples e facilidade de
extração de dados. Deve se observar que a maioria dos métodos de extração de
informação de altitude retornam informações pontuais sobre o local e não vetores com
gradiente do terreno.
Agora que temos uma visão geral da elevação digital é importante saber como obter os
arquivos para nossa manipulação.
3 FONTES
Para obter dados de DEM, podem ser usados as fontes de acervos ou os dados recolhidos
pelos satélites.
Na Internet é apresentada uma grande oferta de fontes de DEM, comercias e gratuitas.
3.1 FONTES COMERCIAIS
3.1.1 ENGESAT (WWW.ENGESAT.COM)
A
ENGESAT
oferece
dados
gerados por todos os satélites
operacionais e comercialmente
disponíveis que operaram desde
1966 até o presente momento.
Os preços dos dados dependem muito do satélite e se os dados já estão disponíveis.
A tabela seguinte mostra os preços de dados do catálogo do satélite IKONOS, com um
pedido mínimo de 49 km².
No caso que os dados ainda não estão disponíveis e têm que ser tirados ainda, o preço
aumenta, como o pedido mínimo de 100km.².
3.1.2 –TERRASERVER (WWW.TERRASERVER.COM)
TerraServer é o líder em fotografia area e imagens por satélites. Além disto o TerraServer
oferece um serviço online, que oferece fotografias do mundo inteiro até uma resolução de
1:8.
Imagem
do
mundo inteiro
Zoom ao Rio de Janeiro, Brasil.
Na esquerda são mostrados os dados das coordenadas e a resolução.
Na uma resolução de 1:15 é possível identificar os prédios da Ilha do Fundão no Rio de
Janeiro
3.1.3 GLOBEEXPLORER (WWW.GLOBEXPLORER.COM)
3.1.4 SPACEIMAGING
Obtido pelo satélite IKONOS SpaceImaging oferece DEMs em formato de raster e vetorial,
bem orientado por uso aplicado.
3.1.5
DIGITALGLOBE
DigitalGlobe foi criado por uma comunidade de GIS. Hoje eles têm uma grande oferta de
imagens obtidas pelos satélites SPOT e LANDSAT.
3.2 FONTES GRATUITAS
3.2.1 GEOCOMMUNITY (WWW.GEOCOMM.COM)
O Site do GeoCommunity oferece uma coleção completa de DEM dos Estados Unidos
incluido Puerto Rico.
3.2.2 Land Processes Distributed Active Archive Center (http:/ / edcdaac.usgs.gov)
No site do LandProcess DAAC podem ser baixados os dados do mundo inteiro na
resolução 30 Arc segundos.
3.2.3 USGS SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHY MISSION (SRTM) (http:/ / srtm.usgs.gov / )
O USGS liberou os dados de DEM global em formato de rasta de 30 arc segundos.
3.2.4 SRTM TERRAIN VIEWER (http:/ / aero.ist.utl.pt / ~ dg / )
Este site oferece dados de DEM em formato de DRC e um programa para visualizar estes
dados. Os dados de DEM são disponíveis para muitos países como Japão, Portugal,
Inglaterra, Indonésia e muitos mais.
4 GERAÇÃO DE DEMS
Apesar da grande quantidade de fontes de DEM já gerados pode ser o caso de que para
projetos específicos os DEM da área necessária com a resolução necessária não estejam
disponíveis. Uma possível solução e realizar a geração de DEMs. Apartir de agora vamos
abordar métodos e técnicas para geração de DEMs. Outra vantagem de conhecermos os
métodos de geração de DEM é podermos avaliar as fontes disponíveis e conhecermos a
natureza do erro esperado pelo método de geração aplicado.
Os métodos principais mais não únicos para criação de DEM são: Scanner Laser Aereo;
InSAR; Levantamento de Campo; Fotogrametria Estéreo; Digitalização de mapas de curva
de nível.
4.1 SCANNER LASER AEREO
Talvez o mais direto de todos os métodos. Consiste no sobrevoo do terreno com aviões
especialmente preparados com equipamentos de medição. Em cada voo vários feixes
pulsantes de laser são emitidos. O tempo de retorno do pulso indica a distância. Atraves
normalmente de DGPS
avião mantem sua georeferência e as informações coletadas
podem ser ajustadas para formar o mapa completo. Este é um método rápido e preciso a
resolução para altitude costuma ser 15 cm! Porem é também um método caro pelo custo
do voo e equipamentos.
4.2 InSAR
O InSAR sigla de Interferometric Synthetic Aperture Radar usa técnicas avançadas de
processamento de sinais para que o sinal captado por antenas relativamente pequenas
instaladas em satélites ou naves espaciais como o onibus espacial possa ser processado e
se tenha como resultado o sinal equivalente de um grande radar. Com este grande radar
virtual são emitidos e registrados pulsos de microondas por toda a superfie a ser
mapeada. O processo é repetido uma segunda vez com a posição do satélite ligeiramente
diferente, em cada passada os sensores registram também a fase do sinal. A diferença de
fase que corresponde a frações do comprimento de onda, no caso de microondas a uns
poucos centimetros, pode ser descoberta quando se unem os dados das duas passadas
demodo a ter o registro de interferência.
Este método tem boa precisão pode cobrir grande área com boa resolução, como o caso
da missão da NASA de 2000 do SRTM que gerou boa parte dos DEM disponíveis no USGS.
Alem disto por usar microonda e não luz visível o scanner não é quase atrapalhado por
nuvens ou mau tempo.
Diagramas das medições em cada fase do satélite.
4.3 LEVANTAMENTO DE CAMPO
Sem dúvida o mais preciso de todos, e também o mais caro. Consiste no levantamento
tradicional de topografo no campo. As vantagem consiste que os métodos com teodolitos
costumam dar precisam superior ate mesmo ao scanner laser portanto menores do que
15cm. Alem disto o topografo tem condição de avaliar os melhores pontos para
representar o terreno bem como não é enganado por falsos reflexos e estruturas
temporárias. Alem disto pode mapear o nível do solo mesmo em terreno com muitos
prédios. É porem impraticavel para dimensões como um estado.
4.4 FOTOGRAMETRIA ESTÉREO
Este método calcula a altura atraves de duas fotografias de angulos ligeiramente
diferente. Como a altura de cada objeto é que determina as diferenças na imagem podese pela analize dos pontos que se correlacionam determinar a altura. Este método tem a
vantagem de ser fácilmente empregado. Por exemplo o Ikronos satélite comercial de alta
resolução e com custo de utilização muito baixo gera pares estéreo que podem ser
usados para o processo. Como o Ikrono tem boa cobertura de todo mundo pode se
conseguir gerar DEM que quase todo o globo com boa precisão.
As desvantagem é que é praticamente impossível eliminar o efeito de prédios, vegetação e
núvens nas tomadas.
4.5 DIGITALIZAÇÃO DAS CURVAS DE NÍVEL
Obtem os DEM atraves do processamento digital de mapas com curvas de níveis. Como
praticamente todos os paises possuem já contruida uma boa base cartografica que inclui
as curvas de níveis o material para gerar as curvas muitas vezes é o mais fácilmente
conseguido e o mais barato.
5 DESAFIOS
Agora que já consideramos muitos aspectos da geração e utilização de DEM vale apena
comentários finais sobre que rumos a área busca tomar. O principal desafio hoje para
continuar a melhor a qualidade dos levantamento altimétricos, principalmente os de larga
escala e com alta resolução são abordagens apropriadas para terrenos urbanos.
Alguma proposta tem aparecido e com relativo sucesso tem conseguido eliminar efeitos
como distorções no terreno por conta por exemplo de prédios altos.
6 BIBLÍOGRAFIA
MATOS, JOÃO DE. Fundamentos de informação Geográfica. Editora Lidel, 2001.
M. Gelautz, P. Paillou, C.W. Chen, H.A. Zebker [2001] A comparative study of radar stereo
and interfeometry for DEM generation.
TAKAGI, Masataka. [1995]“Accuracy of digital elevation model according to spartial
resolution”, IV Symposium on GIS – Between Visions and Applications, Stuttgart, Alemanha
LANG,
HAROLD [1990] “Algorithm
theoretical basis document for ASTER DIGITAL
ELEVATION MODEL”
MORI,Masatoshi
[1996]
“Application
of high - resolution
(10M) DEM on Geographic
information Systems”
Sulebak, J,R, [2000] “Applications of Digital Elevation Models”
Cheng, Philip [2001] “Automated DEM
Extraction from Aerial Photos and Satellite
Images”, Asian Conference on Remote Sensing.
Maas, Hans- Gerd [2002] “Automatic DEM generation by multi - image feature based
matching ¨
Ohio State University [2002] “Digital Elevation Model Files”
Allen, Christopher T. [2003] “Interferometric Synthetic Aperture Radar”
Jacobsen, Karsten [2001] “New Developments in Digital Elevation Modelling – Problem of
automatic DEM generation”