A_070 - UNESP : Campus de Presidente Prudente

Transcrição

II Simpósio Brasileiro de Geomática
V Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas
Presidente Prudente - SP, 24-27 de julho de 2007
ISSN 1981-6251, p. 483-489
ANÁLISE DE MÉTODOS MISTOS DE ATUALIZAÇÃO DE CARTOGRAFIA
URBANA
ANGELA MARIA BARBOSA DE SOUZA1
ANDREA FLÁVIA TENÓRIO CARNEIRO
3
DANIEL CARNEIRO DA SILVA
2
Universidade Federal de Pernambuco
UFPE - Departamento de Engenharia Cartográfica
[email protected]
[email protected]
[email protected]
RESUMO - Na maioria dos países, os mapas da cartografia urbana em grande escala são componentes
importantes na administração territorial e tem usos multi-finalitários. A aquisição e a manutenção das
informações devem garantir um mapa de qualidade e com menor custo para os municípios. A atualização
cartográfica inclui a aquisição de dados, o lançamento ou alteração dos dados e seus atributos sobre o
mapa existente ou sobre um novo mapa. A qualidade geométrica e de conteúdo, as especificações dos
equipamentos utilizados, o tempo de execução e capacitação profissional são fatores determinados a partir
da disponibilidade de recursos e influem diretamente na definição de normas e métodos a serem usados
na atualização cadastral. Este artigo descreve a necessidade da atualização cartografia em geral e da
urbana em particular, os métodos de aquisição de dados e as várias tecnologias que podem ser usadas de
forma combinada na atualização cartográfica. Neste contexto, serão apresentadas as alternativas adotadas
em diversos paises para atualização contínua de mapas urbanos, baseadas nos métodos de levantamentos
diretos e indiretos, que permitem a extração de informações de campo, mapas existentes, fotografias
aéreas e imagens de satélites de alta resolução.
ABSTRACT - In the majority of the countries, the maps of cartography urban are component important
in the land administration and have multi purposes uses. The acquisition and the maintenance of the
information must guarantee a map of quality and with lesser cost for the cities. The cartographic update
includes the acquisition of data, the launching or alteration of the data and its attributes on the existing
map or on a new map. The geometric quality and content, the specifications of the used equipment, the
time of execution and professional qualification are factors determined from the availability of resources
and directly influence in the definition of norms and methods to be used in the map update. This article in
general describes the necessity of the update maps and the urban one in particular, the methods of
acquisition of data and the some technologies that can be used together for the map update. In this
context, the alternatives adopted in diverse countries for continuous update of urban maps, based in direct
and indirect survey methods, and that allow the extraction of information of field surveys, existing maps,
air photographs and satellites images of high resolution, will be presented.
1 INTRODUÇÃO
A disponibilidade de mapas topográficos em
diferentes escalas é um importante pré-requisito para a
utilização ótima de recursos naturais, desenvolvimento de
infra-estrutura e controle ambiental. Na maioria dos
países a cartografia urbana é componente importante da
administração do território e ao mesmo tempo a aquisição
das informações cartográficas deve garantir um mapa de
qualidade e com custo mínimo para os municípios.
No caso do Brasil é comum que prefeituras de
grandes cidades contratem vôos fotogramétricos e bases
cartográficas inteiras novas que com poucos anos estão
completamente absoletos e muitas vezes se tornam
praticamente impossíveis de serem atualizadas. Muitas
A.M.B.Souza; A.F.T. C arneiro;D.C.Silva
vezes todas as fotografias aéreas e os produtos
cartográficos ficam sem uso por falta de pessoal
qualificado ou mesmo por pouca divulgação de métodos
mais econômicos e fáceis de serem implementados. Por
outro lado existem também prefeituras e agências
estaduais de planejamento que já implementaram ou estão
implantando projetos de atualização contínua, como é o
caso da Agência Estadual de Planejamento e Pesquisas de
Pernambuco CONDEPE/FIDEM para a Região
Metropolitana do Recife. O Projeto tem a finalidade de
validar a utilização de métodos de atualização
cartográfica usando documentos cartográficos distintos,
objetivando a implementação de um Sistema de
Informações Geográficas para aplicação no Cadastro de
Áreas Comprometidas com Intervenções (CACI).
Portanto o estudo de alternativas de atualização
cartográfica em escalas grandes, apropriadas para detalhar
os diversos elementos urbanos é uma necessidade
essencial para o poder público e para os cidadãos em
geral.
Neste artigo serão discutidos os procedimentos
correntes adotados em outros paises, e também no Brasil,
para a atualização ou revisão de mapas em escalas
grandes, que usam informações cartográficas dos mais
diversos tipos como mapas antigos escaneados, imagens
de satélite, ortofotos aéreas, modelo digital do terreno e
levantamentos de campo e os compatibiliza entre si de
forma a manter um ótimo padrão de precisão e qualidade
do conteúdo.
2 PLANEJAMENTO DA ATUALIZAÇÃO
O mapa urbano deve representar os serviços de
infra-estrutura básica, os loteamentos e as áreas
irregulares, estabelecer os limites da área urbana e rural
de forma a permitir a análise do uso do solo, definir os
logradouros e o que for essencial à gestão do espaço
urbano. Tem diferentes finalidades, devendo ser
multifinalitário (Luz et al. 2006). Em outros países
também é a base legal para determinação de mudanças
dos limites registrados e dos direitos de propriedade
(Carneiro, 2003).
A atualização de um mapa urbano deveria ser
realizada sempre que houvesse alguma mudança no
espaço físico, mas ela tem que atender também aos
recursoso financeiros e humanos disponíveis e pode ser:
• Contínua:
As mudanças no espaço físico são
detectadas assim que acontecem e o mapa
cadastral é imediatamente atualizado;
• Cíclica: Determina-se um intervalo de tempo prédefinido para se realizar a atualização;
• Seletiva:
São definidas prioridades para
atualização associadas com a demanda e precisão
necessária para cada finalidade.
Uma atualização completa com levantamentos
novos, desde a aquisição dos dados até o mapa novo, é
cara mesmo para os paises ricos (Moore et al, 1999).
Frequentemente são utilizados produtos cartográficos
existentes que são atualizados com levantamentos
topográficos e/ou GPS, novas fotografias aéreas e
imagens de satélites. Esses dados novos também podem
ser fornecidos parcialmente por outros órgãos públicos ou
concessionárias de serviços, como por exemplo uma
prefeitura que pode fornecer fotografias mais recentes, ou
a concessionária de águas fornecer o levantamento
topográfico de uma rua.
A atualização cartográfica inclui a aquisição de
dados, o lançamento ou alteração dos dados e seus
atributos sobre um mapa existente. A figura 1 mostra o
processo de decisão em atualização cartográfica cadastral
baseado em proposta de Luz et al. (2006). As diversas
referências bibliográficas trazem mais detalhes sobre os
diversos métodos apresentados e discutidos para
atualização cartográfica, inclusive existe todo um tutorial
da ISPRS: Tutorial Map Updating, no CD-ROM do XX
Congresso Brasileiro de Cartografia, 2001) com vários
artigos e apresentações.
Figura 1 – Processo decisório para atualização
cartográfica cadastral baseada em Luz et al. (2006).
Os métodos de levantamentos a serem empregados
dependem da escala e do tamanho da área. A figura 2
mostra um gráfico que relaciona as resoluções com o
mapeamento de grande a pequena escala, no qual se pode
ver o mapeamento urbano tanto pode ser atendido pelo
mapeamento topográfico como pelo sensoriamento
remoto, onde se inclue a aerofotogrametria, numa faixa
de centímetros a poucos metros (Mcglone, 2004).
Figura 2. Resolução Espacial em função da finalidade do
mapeamento (Baseado em Mcglone, 2004)
Os metodos de levantamentos usados em
processos de atualização serão discutidos segundo a
classificação de diretos (topografia, geodésia, GPS) e
indiretos (imagens de satélites e aerofotogrametria).
3 MÉTODOS DIRETOS
Nos Métodos Diretos as informações são
levantadas em campo usando as técnicas de Topografia e
Geodésia. Os equipamentos variam dos básicos, como
trenas, balizas, níveis e teodolitos aos mais modernos,
como estações totais comuns e robotizadas, trenas a laser,
níveis digitais e os receptores GPS. A alta qualidade
geométrica atingida por estes métodos permite a sua
representação em qualquer escala de mapeamento,
fornecem dados com grande precisão e é econômico para
pequenas áreas (Konecny, 1979). No levantamento de
limites de parcelas territoriais é indispensável, pois não é
possível identificar e distinguir todas as feições através
dos métodos indiretos (Gonçalves, 2006).
3.1 Levantamentos com Topografia
Os modernos equipamentos topográficos podem
acelerar muito a produtividade em campo das equipes. Os
levantamentos taqueométricos
eletrônicos cadastrais
permitem que sejam resgitrados os dados planimétricos e
ao mesmo tempo as cotas das feições e gerar MDT
(Modelto Digital do Terreno), além de poder fornecer
rapidamente dados para apoio a georreferenciamento ou
registro de imagens e fotografias aéreas. A existência de
rede geodésica local adensada e de grande precisão
facilita este tipo de aplicação.
As trenas eletrônicas a laser, ou comuns, e
sistemas CAD em computadores de mão já são usados
para coleta e atualização de dados de imóveis diretamente
em campo sobre um recorte do mapa digital da área,
como o MT Coleta® mostrado na figura 1 (Alezi
Teodolini, 2006).
Figura 3. Levantamento de campo atualizado diretamente
sobre base cartográfica com o MT Coleta®.
3.2 Levantamentos com GPS
Os modernos receptores GPS (Global Positioning
System) ligados a computadores portáteis possibilitam a
aquisição de atributos para bancos de dados além de
apresentar o posicionamento das feições levantadas,
permitindo a integração com um SIG (Sistema de
Informações Geográficas) (Monico et al, 1998, Patynen,
1998). Esses sistemas permitem que o operador atualize a
base cartográfica existente diretamente no campo e
posteriormente ou em tempo real envie as alterações para
o computador central (Patynen, 1998). Com isto as
equipes de campo e o tempo de execução são menores e
os resultados têm qualidade compatível aos realizados
com estação total.
Geralmente usa-se o posicionamento relativo estático
para levantamentos de pontos de apoio para
georreferenciamento de imagens de satélites ou
aerofotogrametria e os métodos rápidos com estáticorápido e Stop-And-Go para coleta de feições. Alguns
cuidados devem ser tomados nos levantamentos com
GPS como (Monico et al, 1998):
•
•
Aquisição de posições extras de algumas feições
já existentes no mapa a atualizar para permitir o
controle do levantamento e ajuste de qualquer erro
sistemático entre os dois levantamentos;
Evitar e prever problemas de recepção de sinais
em áreas com muita obstrução que podem
prejudicar a precisão de pontos e distorcer a
geometria das feições
4 MÉTODOS INDIRETOS
Nos
métodos
indiretos
incluem-se
a
aerofotogrametria, o sensoriamento remoto com imagens
de alta resolução e os sistemas ativos com radar e laser
scanner aerotransportado. Sendo que apenas os dois
primeiros serão discutidos aqui tendo em vista que os
demais não têm sido aplicado sistematicamente em
atualização.
4.1 Fotografias Aéreas
As fotografias aéreas destacam-se dentre os
produtos mas usados para mapeamento e atualização
(Konecny, 1979). Os seus usos do mais simples para o
mais sofisticado relacionados por Weele (1974) são:
• Fotografias originais
• Ampliação para uma escala aproximada
• Retificação
• Mosaicos
• MDT
• Ortofotocartas
• Mapa restituido
Os seus usos mais simples já foram sugerido para
uso em paises em desenvolvimento por Weele (1974).
As fotografias originais podem ser usadas em
pares estereoscópicos para atualização seletiva (Patynen,
1998); ou isoladas para retificação e ampliação (Weele,
1974). As fotografias aéreas digitais podem ser
processadas para geração de MDT (Modelo Digital do
Terreno). O MDT pode ser utilizado para a geração de
ortofotos, visualização 3D da área a ser atualizada e
monorestituição. A figura 4 mostra
exemplos de
processamento da fotografias aéreas e de integrações com
mapas e até imagens de satélites.
A geração de ortofotocartas novas (Pertele, 1991;
Patynen, 1998; Moore et al, 1999), é o processo
preferencialmente mais adotado em muitos sistemas de
atualização em vários paises, por ser mais econômico que
a restituição. A restituição para mapeamento novo e
completo em forma vetorial é a forma mais usual adotada
no Brasil, embora a de maior custo e que sem a devida
atualização rapidamente se torna absoleto.
Figura 4 – Exemplos de usos de fotografias aéreas
novas em processos de atualizações [baseado em AlRuzouq e Dimitrova (2006)].
Os
atuais
sistemas
computacionais
fotogramétricos, e vários de sensoriamento remoto e GIS,
podem fazer a orto-retificação de fotografias com bastante
facilidade, o que permite que essa operação possa ser
realizada por pessoal não especializado em fotogrametria
e com pouco treinamento. Com as fotografias ortoretificadas e em escala é fácil compilar as feições
desejadas ou alteradas ou preparar mosaicos de áreas
maiores.
O possível motivo de não serem usados os
métodos mais baratos de atualização com fotografias
aéreas, podem ser as restrições da legislação brasileira em
vigor, que só permite operações de restituição em
empresas especializadas e inibe soluções mais
econômicas; a necessidade de algum investimento em
equipamentos e softwares necessários; e uma evidente
falta de mão de obra qualificada em todo o pais.
4.1.1 Mono-Restituição e compilação em tela
A mono-restituição é uma alternativa econômica
para atualização de base cartográfica planimétrica a partir
de fotografias aéreas isoladas, pois não utiliza
equipamentos de custo elevado e basta um sistema CAD.
A mono-restituição é composta pela transformação das
coordenadas de pontos fotogramétricos (xp, yp) da
fotografia aérea para o referencial geodésico
tridimensional local (XL, YL, ZL) usando-se as equações
de colinearidade inversa e um MDT (Makarovic, 1973;
Mitishita e Olivas, 2001; Schimalski, 2001). As
coordenadas planimétricas XL, YL são convertidas para a
escala do mapa e desta forma os pontos fotogramétricos
se transformam em pontos livres da distorção devido ao
relevo.
Uma forma mais simplificada de monorestituição
consiste na compilação vetorial direta de feições de
ortofotos digitais aéreas ou de imagens de satélites
ortoretificadas, sobre a tela do computador.
4.2 Imagens de Satélites de Alta Resolução
Os avanços tecnológicos com as imagens de alta
resolução, mostram que podem competir com a
aerofotogrametria (Silva, 1995; Amorim, 2004) e serem
usadas para atualização em grande escala (Fraser et al.,
2001). Uma vantagem para as imagens de alta resolução é
a grande cobertura de área que pode ser solicitada e
preços mais baixos que a aerofotogrametria. Uma
desvantagem é que elas estão igualmente sujeitas à
nebulosidade e em certas regiões não se consegue
imagens em um período de tempo curto (Silva, 2006).
Embora as empresas distribuidoras das imagens de
satélites de alta resolução como o QuickBird e Ikonos
não forneçam os produtos que têm a mais alta precisão
para todos os paises, rapidamente estão sendo
desenvolvidos procedimentos alternativos que usam as
imagens com o processamento básico e com adequada
coleta de pontos em campo permitem obtenção de
precisão compatíveis até com escalas 1:2000, como nos
experimentos de Fraser et al (2001).
5. INTEGRAÇÃO DE TECNOLOGIAS NA
ATUALIZAÇÃO
A atualização de mapas urbanos em grande escala
pode utilizar diferentes métodos de aquisição e
combinação de dados para produzir informações de boa
qualidade posicional.
5.1 Questões Gerais
De modo bem geral os sistemas de atualização
usam em maior ou menor ênfase e se deparam com as
seguintes questões:
•
•
•
•
Transformação de mapas antigos analógicos em
digitais via rasterização, seguida por vetorização,
ou por digitalização via mesa digitalizadora.
Atualização da rede geodésica existente, seja com
densificação ou novo ajustamento ou implantação
de uma rede nova, quase sempre com uso de GPS.
Transformação dos sistemas de referências dos
mapas antigos para um outro sistema novo, como
agora no Brasil, é necessário transformar para o
SIRGAS.
Fusão de grande variedade de dados e escalas
diferentes usando transformações tipo Helmert,
afim, polinomial ou rubber-sheet.
A transformação de mapas antigos analógicos em
digitais pode ser para o formato raster (com um scanner
de grande formato) ou vetorial, dependendo da aplicação
pretendida. O formato vetorial pode ser conseguido por
rasterização seguida por vetorização automática com
apoio de software específico, ou por digitalização manual
em mesa digitalizadora. O formato digital facilita o uso de
mapas em diversos sistemas computacionais muito
difundidos como CAD e SIG, além dos específicos para
mapeamento.
Em qualquer projeto de atualização o sistema de
referência geodésico é fundamental para a garantia de
precisão dos novos levantamentos e para integração com
os antigos. Atualmente os projetos de atualização no
Brasil devem prever o uso do sistema SIRGAS em vigor
desde início de 2005. A materializacào desta nova Rede
Geodésica Brasileira foi baseada em rastreio GPS e tem
precisão muito superior ao antigo sistema SAD.
Também é muito importante analisar o sistema de
projeção para serem conhecidas as distorções máximas
admissíveis, seja na determinação dos limites das
propriedades (Al-Ruzouq e Dimitrova 2006) ou para
projetos de engenharia. Para o Brasil a Norma NB 14166
recomenda o uso do plano topográfico local, mas muitos
municípios usam o sistema UTM que é muito difundido,
embora já se tenha demonstrado que não é o mais
adequado para escalas grandes (Phillips, 1997).
Um dos grandes problemas da atualização parcial é
a grande quantidade de dados de fontes diversas que
precisam ser integrados e que se assegure uma qualidade
para o produto final. Procedimentos sistemáticos de
atualização como no USGS (U. S. Geological Survey)
usam mapas vetoriais antigos para serem atualizados com
ortofotocartas ou fotointerpretação com fotografias mais
recentes (Moore et al, 1999); O NLS (National Land
Survey of Finland) também usa para atualização
ortofotocartas e fotografias aéreas além de imagens de
satélites, cartografia produzida por outras fontes e
levantamentos de campo com GPS (Patynen, 1998). O
RJGC (Real Jordanian Geographic Center) usa mapas
antigos analógicos, fotografias aéreas, imagens de
satélites, modelo digital do terreno, levantamento de
campo com GPS. (Al-Ruzouq e Dimitrova, 2006).
A figura 5 mostra um esquema de fontes de dados
típicos diversos utilizados em processo de atualização
baseado em (Al-Ruzouq e Dimitrova, 2006).
produtos dois levantamentos nunca coincidem totalmente.
A figuras 6 ilustra o problema para a superposição de
dados vetoriais, em que a rua de um mapa (em preto) não
coincide com os limites das edificações e lotes no outro
(em vermelho e azul). Na figura 7 está um exemplo da
superposição de mapa vetorial em fotografia aérea na qual
a rua no lado esquerdo e várias edificações não estão
coincidindo.
Figura 6. exemplo de discrepância entre bases
cartográficas vetoriais
Figura 7. Exemplo de discrepâncias entre base
cartográficas vetorial e fotografia aérea
Figura 5 – Exemplo de diversos dados utilizados para
atualização [baseado em Al-Ruzouq e Dimitrova (2006)]
A fusão e integração de dados de origens e escalas
diferentes não é uma tarefa fácil e normalmente os
O procedimento geral é fazer uma superposição dos
dados mais novos sobre a base cartográfica mais
desatualizada e efetuar uma transformação para ajuste.
Isto é feito normalmente numa tela de computador, numa
operação chamada algumas vezes de registro mapa-mapa,
registro mapa-pontos, ou warping, na qual alguns pontos
do mapa antigo os pontos equivalentes no levantamento
novo devem ficar coincidindo no final da operação. As
diferenças entre os dois mapas são analisadas pelo
operador que compila as feições não existentes do mapa
novo para o antigo ou apaga as que não existem mais. Um
método alternativo é formar anaglifos com as duas
imagens e assim as feições que não coincidem aparecem
nitidamente em azul ou vermelho como usado por
exemplo por Ricchetti et al (2004) e Amorim (2000).
A figura 8 mostra um exemplo de uso de pontos
coletados com GPS para diversos fins: registro de mapas
escaneados; pontos de apoio fotogrametria e geração de
novas ortofotocartas; registro de imagens de satélites; e
levantamentos diretos de feições.
com Helmert (que permite translações, rotação e escala).
Quando existe diferenças de escala e rotação entre os
eixos X e Y é necessário usar a afim. Para a retificação de
fotografias aéreas e torná-las verticais a mais adequada é
a projetiva. Para imagens, como as de satélites, que têm
distorções internas mais complexas são usadas as
transformações polinomiais com graus variados. Ainda no
caso de mapas antigos as distorções podem ser diferentes
em cada sub-área e neste caso alguns programas executam
uma transformação completa como se a folha do mapa
fosse totalmente de borracha (rubber-sheet) (Moore et al,
1999).
Os pontos são escolhidos manualmente e devem
ser bem distribuídos sobre as imagens raster e/ou
vetoriais. Normalmente os programas informam os
resíduos e outras estatísticas que dão indicações sobre a
qualidade da transformação e podem ser comparados com
as discrepâncias permitidas para a escala do mapa,
segundo as normas cartográficas.
A definição de metodologia para analisar a
propagação de erros e validar as precisões dos dados
originais e do produto atualizado são tópicos de pesquisa
em andamento.
6. CONCLUSÕES
Figura 8 – Técnicas GPS que são usadas na atualização
cadastral [baseado em Al-Ruzouq e Dimitrova (2006)]
A integração das imagens de satélites de alta
resolução nos processos de atualização pode ser feita com
o registro da imagem diretamente com o mapa antigo ou
novo; para o próprio georreferenciamento com pontos
levantados por GPS e também com ortofotos.
5.2 Análise da Precisão do Produto Atualizado
Ao realizar a fusão, comparação e superposição de
dados é necessário resolver as seguintes questões:
1) Se o dado novo tem precisão melhor que o
antigo
2) Se o dado novo tem precisão pior
Estas questões não são bem discutidas na literatura a
respeito do assunto. No primeiro caso se os pontos
antigos forem considerados fixos então se estará
deteriorando os dados de melhor qualidade. Este é o
procedimento usado pelo USGS que procurar manter uma
precisão relativa melhor que a absoluta e os limites de
cada folha. No segundo caso ao aceitar o dado novo se
corre o risco de estar baixando a classificação de precisão
da carta original e quase sempre isto não é desejável ou
não é permitido.
As transformações necessárias para tornar
compatíveis dados diferentes podem variar de simples
translações, para áreas pequenas, a complexas em áreas
grandes. As transformações entre dados de sistemas de
projeção e geodésicos diferentes podem ser realizadas
Existem várias combinações possíveis entre
produtos cartográficos de origens e escalas diversas que
podem ser usadas para atualização de bases cartográficas
em escala grande como na cartografia urbana, desde que
sejam integrados numa atividade sistemática, contínua e
com métodos que garantam uma boa qualidade em
conteudo e precisão.
Existem também alternativas mais econômicas de
atualização e novas tecnologias que facilitam muitas das
tarefas
antes
altamente
especializadas,
como
levantamentos de pontos geodésicos com GPS ou a ortoretificação de fotografias e imagens de satélites de alta
resolução. Estes procedimentos já são usados
correntemente em muitos paises, mas no Brasil ainda não
é procedimento comum.
Um problema ainda não muito bem esclarecido é a
validação da precisão do produto resultante da atualização
em função da qualidade do original, dos dados novos e da
transformação efetuada, mas que está sendo objeto de
trabalho em andamento.
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