O USO DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS (VANTS) EM APLICAÇÕES DE MAPEAMENTO AEROFOTOGRAMÉTRICO

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1 O USO DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS (VANTS) EM APLICAÇÕES DE MAPEAMENTO AEROFOTOGRAMÉTRICO 1 Edson Mitishita 2 José Eduardo 1 Niarkius de Graça 1 Jorge Centeno 1 Álvaro Machado 1 Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas UFPR (mitishita@ufpr.br); (niarkiosnl@hotmail.com); (centeno@ufpr.br); (alvaroml@ufpr.br) 2 Instituto Tecnológico SIMEPAR (zedu.simepar@gmail.com) RESUMO Atualmente, a tecnologia de Veículos Aéreos não Tripulados (VANT) tem atraído a atenção para a realização do mapeamento fotogramétrico. O baixo custo e a viabilidade do recobrimento fotogramétrico autônomo são as principais vantagens desta tecnologia em aplicações fotogramétricas. Usando a integração GPS/ INS as imagens são tomadas em posições que foram previamente planejadas e os parâmetros de orientação exterior (posição Xo, Yo, Zo e atitude ω, φ, χ) das imagens podem ser diretamente determinados. No entanto, os VANTs comerciais de baixo custo (off-the-shelf) não substituem, totalmente a capacidade de uma aeronave tradicional. No geral, as principais deficiências estão relacionadas com: dificuldades para obter a autorização para realizar o voo em áreas urbanas e rurais, a instabilidade da plataforma, segurança do voo, instabilidade dos recobrimentos do bloco de imagem, alto número de imagens e imprecisões da determinação direta dos parâmetros de orientação exterior das imagens. Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos de um estudo de mapeamento fotogramétrico usando imagens aéreas obtidas do Sistema fotogramétrico UAV SIMEPAR que utiliza uma plataforma VANT- PIPER J3 UAV Hidro aircraft. Para a realização de procedimentos de voo autônomo esta equipada com o sistema micropilot MP2128g. O sistema é totalmente integrado com 3 eixos giroscópios / acelerômetros, GPS, altímetro de pressão, sensores de velocidade de pressão. Uma câmera Sony Cyber-shot DSC-W300 foi instalada na plataforma VANT para a obtenção das imagens fotogramétricas. A altura de voo utilizada foi de aproximadamente 440 m, resultando uma resolução aproximada no terreno (GSD) de 0,10 m. O estado da arte da tecnologia utilizada, a metodologia empregada e os resultados obtidos são apresentados e discutidos. Finalmente as principais conclusões são apresentadas. Palavras chaves: VANT, Fotogrametria, Mapeamento Fotogramétrico, Georreferenciamento Direto. ABSTRACT Nowadays Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology has attracted attention for aerial photogrammetric mapping. The low cost and the feasibility to automatic flight along commanded waypoints can be considered as the main advantages of this technology in photogrammetric applications. Using GNSS/INS technologies the images are taken at the planned position of the exposure station and the exterior orientation parameters (position Xo, Yo, Zo and attitude ω, φ, χ) of images can be direct determined. However, common UAVs (off-the-shelf) do not replace the traditional aircraft platform. Overall, the main shortcomings are related to: difficulties to obtain the authorization to perform the flight in urban and rural areas, platform stability, safety flight, stability of the image block configuration, high number of the images and inaccuracies of the direct determination of the exterior orientation parameters of the images. In this paper are shown the obtained results from the project photogrammetric mapping using aerial images from the SIMEPAR UAV system. The PIPER J3 UAV Hydro aircraft was used. It has a micro pilot MP2128g. the system is fully integrated with 3-axis gyros/accelerometers, GPS, pressure altimeter, pressure airspeed sensors. A Sony Cyber-shot DSC-W300 was calibrated and used to get the image block. The flight height was close to 400 m, resulting GSD near to 0.10 m. The

2 state of the art of the used technology, methodologies and the obtained results are shown and discussed. Finally the main conclusions are presented. KEY WORDS: UAV, Photogrammetry, Photogrammetric Mapping, Direct Georeferencing. 1.0 INTRODUÇÃO A utilização de imagens aéreas de alta resolução provenientes de veículos aéreos não tripulados (VANT) na extração de informações métricas da superfície terrestre tem sido vastamente pesquisada nestes últimos anos. As facilidades existentes na realização do voo autônomo, associado com o baixo custo do recobrimento e do sistema fotogramétrico VANT são os principais atrativos desta nova tecnologia em aplicações aerofotogramétricas, principalmente em pequenas áreas de trabalho. Entretanto e de forma geral, a utilização de VANTs na Fotogrametria esta em desenvolvimento e quase tudo que se conhece é provenientes de resultados publicados de estudos realizados nos principais centros de pesquisas. De forma geral, verifica-se que as principais dificuldades existentes no uso de VANTs estão relacionadas com falhas no recobrimento entre fotos e faixas devidas a instabilidade da plataforma na realização do voo fotogramétrico, inexatidão da determinação direta dos parâmetros de posição e orientação das imagens em função do da utilização de sistemas compactos e de baixo custo de medição inercial (IMU - Inertial Measurement Unit), elevado número de imagens devido ao uso de câmeras digitais compactas e baixa altitude de voo. As regulamentações de uso, procedimentos de segurança de voo e autorizações para a realização do recobrimento, principalmente em áreas urbanas são questões importantes e que ainda não estão completamente definidas tanto a nível nacional como internacional. Outra dificuldade para a realização de voos na grande maioria de VANTs com boa capacidade de carga é a necessidade de pilotos qualificados para a realização da decolagem e aterrissagem, apesar do voo fotogramétrico ser totalmente autônomo com tomadas das imagens em posições espaciais previamente planejadas. Devido às facilidades existentes na realização do recobrimento aerofotogramétrico, as aplicações da tecnologia VANTs são mais apropriadas para a execução de projetos de engenharia que visam à extração de informações atualizadas da superfície terrestre, exigindo a elevada resolução espacial das imagens, associada com a necessidade de avaliações frequentes. Estudos sobre a utilização de VANTs no monitoramento ambiental, deslocamento de terra, mapeamento de minas a céu aberto, cadastro urbano e sensoriamento remoto são descritos em Everaerts, (2008), Eisenbeiss (2009) e Eisenbeiss, (2011). Em Jorge et al. (2011) é estudado a utilização de VANT em agricultura de precisão. Monitoramentos de impactos ambientais são apresentados em Longhitano (2010). Outros estudos menos frequentes da utilização de VANTs no sensoriamento remoto são apresentadas em Laliberte et al. (2011), Turner et al. (2012) e Khan et al. (2012). Apresenta-se neste artigo um estudo da utilização de imagens aéreas VANT para a geração de ortoimagens de uma região rural contendo uma pequena área urbana com edificações. As principais etapas de trabalho foram subdividas em realização do recobrimento aerofotogramétrico, planejamento e levantamento de pontos de apoio e verificação, aerotriangulação, obtenção do DTM e obtenção das ortoimagens. Os resultados obtidos em cada uma das etapas são apresentados e discutidos. 2.0 RECOBRIMENTO AEROFOTOGRAMÉTRICO O Recobrimento aerofotogramétrico foi realizado com o Sistema Fotogramétrico VANT SIMEPAR. Este sistema utiliza um PIPER J3 UAV HYDROAIRCRAFT (Figura 1) com as seguintes propriedades: envergadura da asa de 2,8 metros; comprimento de 1,8 metros; peso de 9,5 quilos; capacidade de carga de 3,0 quilos; motorização a gasolina de aviação (DLE 30 cc); autonomia de voo de 60 minutos; velocidade média de 70 km/hora. O sistema é equipado com um micropilot MP2128g com GPS/INS integrados para fornecer os parâmetros de posição e orientação da aeronave no instante das tomadas da imagem. Uma câmera Sony Cyber-Shot DSC-W300 foi fixada na plataforma e conectada com o sistema micropilot para a realização do recobrimento aerofotogramétrico autônomo. A câmera possui um CCD de 4224 x 3168 pixels, resolução do pixel de 0,0018 mm e distancia focal nominal de 7,6 mm. A calibração da câmera foi realizada para obter os parâmetros de orientação interior que serão empregados nos procedimentos fotogramétricos. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 1.

3 Figura 1: Plataforma VANT - PIPER J3 UAV HYDROAIRCRAFT Tabela 1. Parâmetros de orientação interior determinados na calibração da câmera. Parâmetros de Orientação Interior (POI) Parâmetro Valor Precisão Parâmetro Valor Precisão C 8,123 mm 0,003 mm K 1-9, D-04 mm -2 6, D-05 mm -2 xo 0,052 mm 0,003 mm K 2-7, D-05 mm -4 6, D-06 mm -4 yo 0,127 mm 0,003 mm K 3 1, D-06 mm -6 2, D-07 mm -6 P 1 2, D-04 mm -1 1, D-05 mm -1 P 2 4, D-04 mm -1 1, D-05 mm -1 Um recobrimento aerofotogramétrico com quatro faixas (aproximadamente 10 fotos por faixa) com altura de voo de aproximadamente 450 metros (resolução do terreno de 0,10 m aproximadamente) foi realizado. Os recobrimentos entre fotos e faixas planejados foram aproximadamente de 60% e 40% respectivamente. Os recobrimentos fotogramétricos (planejamento o realizado) são apresentados na Figura 2. Os pontos em amarelo são as posições planejadas para a tomada das imagens e as linhas em azul são as faixas realizadas. Em função de condições atmosféricas não apropriadas para a realização do recobrimento, verifica-se que houve um considerável afastamento das linhas de voo das posições planejadas. Figura 2: Mostra o recobrimento planejado e o realizado.

4 Coordenada Y (Metros) Um bloco menor, contido no recobrimento realizado, com 30 fotos foi selecionado para a realização dos estudos propostos. Devido a falhas existentes no recobrimento entre fotos em algumas das quatro faixas, foi incluída uma quinta faixa que foi obtida no retorno da aeronave para a base (aterrissagem). A Figura 3 mostra a configuração do bloco resultante da seleção das imagens empregadas no estudo e a Figura 4 mostra uma das imagens contidas no bloco Coordenada X (Metros) Figura 3: Esquema do bloco de imagens que foi empregado no estudo realizado Figura 4: Mostra uma das fotos do bloco de imagens

5 3.0 LEVANTAMENTO DE PONTOS DE CONTROLE Com base no bloco de imagens selecionado, pontos de controle foram definidos em detalhes pontuais existentes nas imagens. Pontos de apoio nas bordas do bloco foram impossíveis de serem definidos por falta de detalhes pontuais naturais nas imagens. A região selecionada para a realização do estudo é um pequeno vilarejo num vale. As regiões elevadas são florestas naturais sem nenhum detalhe para a definição de pontos de controle, como mostra a Figura 5. Mesmo com essa dificuldade foram implantados 24 pontos de controle na região do bloco, conforme mostrado na Figura 6. As coordenadas geodésicas foram determinadas com levantamento GPS RTK (Real Time Kinematic). 4.0 AEROTRIANGULAÇÃO Figura 5: Mostra a região onde o recobrimento fotogramétrico foi realizado. O procedimento de aerotriangulação por feixes de raios (bundle adjustment) foi realizado para a determinação indireta dos parâmetros de orientação exterior (POE) das imagens do bloco. Os parâmetros de orientação exterior, obtidos diretamente da integração GPS/INS do sistema de voo autônomo (micropilot MP2128g), não foram empregados na aerotriangulação devido a inexatidão dos valores obtidos. A definição dos pontos fotogramétricos de ligação de fotos e faixas, medidas e processamento foram realizados com o Programa LPS (Leica Photogrammetry Suite). As localizações aproximadas dos 24 pontos de controle e dos pontos de ligação são apresentadas na Figura 6. Dos 24 pontos de controle, 12 pontos são de apoio e 12 são de verificação. Os principais resultados obtidos no processamento são apresentados na Tabela 2. Tabela 02: Principais resultados obtidos na aerotriangulação do bloco Resíduos nas coordenadas dos pontos de ligação Rmse x= 0,004 mm Rmse y= 0,004 mm Resíduos nas coordenadas dos pontos de apoio Rmse X= 0,154 m Rmse Y= 0,164 m Rmse Z= 0,364 m Discrepâncias nos pontos de verificação Média DX= 0,065 m Média DY= -0,023 m Média DZ= -0,206 m Rmse DX= 0,344 m Rmse DY= 0,332 m Rmse DZ= 0,571 m Rmse = Erro quadrático médio DX, DY e DZ = Discrepâncias em X, Y e Z

6 Coordenada Y (Metros) Estação de exposição Ponto de controle Ponto fotogramétrico de ligação Coordenada X (Metros) Figura 6: Configuração de pontos de controle e pontos fotogramétricos no bloco. Considerando os resultados dos erros quadráticos médios dos resíduos apresentados na Tabela 2, verifica-se que as precisões obtidas no ajustamento do bloco encontram-se acima de valores esperados para a resolução de um pixel no terreno (0,10 m). Somente os resíduos obtidos nas medidas dos pontos fotogramétricos e de apoio, mostram precisões das medidas fotogramétricas são iguais a ½ pixel. Os erros quadráticos médios dos resíduos nos pontos de apoio mostram uma precisão horizontal do bloco igual a 0,22 m que se aproxima a dois pixels no terreno. O erro quadrático médio dos resíduos na coordenada Z mostra que precisão vertical encontra-se dentro do valor esperado para a precisão da interseção tridimensional na componente vertical (0,60 m), considerado o valor médio para a base fotogramétrica, distância focal e erro de medidas nos pontos homólogos igual a dois pixels. As analises de exatidões do bloco com base nos valores da média e erros quadráticos médios das discrepâncias nos pontos de verificação mostram que a exatidão horizontal do bloco (0,48 m) aproxima-se de cinco pixels no terreno e a exatidão vertical aceitável valores esperados de precisão da interseção na componente vertical. A deficiência de pontos de apoio na periferia do bloco, como pode ser vista na Figura 6, deve ser a provável causa da exatidão horizontal do bloco ser bem inferior a valor esperado de dois pixels. Comparando-se as representações do bloco de imagens mostrados nas Figuras 3 e 6 verificam-se diferentes recobrimentos entre fotos e entre faixas. Na Figura 03 os valores dos ângulos de orientação das imagens nos eixos X e Y (Omega e phi) foram assumidos como sendo iguais à zero. Na Figura 06 foram considerados os valores de orientação das imagens, determinados na aerotriangulação. Resultado esse que evidencia a existência de imagens com inclinações acima de valores toleráveis, causadas pela instabilidade da plataforma, provocada por variações atmosféricas no instante da realização do recobrimento. 5.0 OBTENÇÃO DO MODELO DIGITAL DO TERRENO O Modelo digital de superfície (MDS) da região do bloco aerotriangulado foi obtido por procedimentos fotogramétricos via correlação digital de pixels no programa LPS. Foi utilizada uma matriz de correlação com dimensão de 7 x 7 e limite para o coeficiente de correlação igual 0,8.. A filtragem dos pontos não pertencentes ao terreno para a obtenção do modelo digital do terreno (MDT) foi realizada com base na visão estereoscópica dos modelos e procedimento manual. O numero de pontos resultantes no DTM foi de (aproximadamente 1 pto/m 2 ). A região do DTM possui a menor altitude o valor de 782 m e a maior o de 866 m. Com base nos 24 pontos de controle levantados na região obteve-se a exatidão do DTM aproximadamente igual a 1,6 m. A Figura 7 mostra a representação tridimensional do DTM da região trabalhada.

7 Figura 7: Representação tridimensional do DTM da região de estudo 6.0 GERAÇÃO DAS ORTOIMAGENS Utilizando-se dos parâmetros de orientação interior (POI), parâmetros de orientação exterior (POE) das imagens que recobrem a região de estudo e do DTM gerado, as ortoimagens foram obtidas no programa LPS com resolução de 0,10 m. A Figura 8 mostra uma das ortoimagens resultante do procedimento utilizado. As ortofotos foram automaticamente conectadas (mosaicadas) para a geração da ortoimagem da região estuda. A ortoimagem resultante é apresentada na Figura 9. Figura 8: Uma das ortoimagens da região estuda

8 Discrepância em Y (Metros) Figura 9: Ortoimagem da região estudada resultante da mosaicagem realizada. A verificação da exatidão horizontal da ortoimagem da região estudada foi realizada com base nas discrepâncias planimétricas de 12 pontos de verificação. Os valores dos erros quadráticos médios das discrepâncias nos eixos X e Y foram respectivamente 0,316 m e 0,327 m, resultando uma exatidão horizontal de 0,455 m. Os valores individuais das discrepâncias planimétricas obtidas são apresentadas na Figura 10. Como esperado, a exatidão horizontal da ortoimagem gerada possui valor aproximadamente igual a que foi obtida no processamento da aerotriangulação Pontos de verificação Circulo representa uma discrepância de 0,455 m Discrepância em X (Metros) Figura 10: Gráfico das discrepâncias planimétricas nos pontos de verificação contidos na região da ortoimagem da região estudada.

9 7.0 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Neste artigo são apresentados e discutidos os resultados obtidos do estudo realizado sobre a utilização do sistema fotogramétrico VANT SIMEPAR para a obtenção de ortoimagens convencionais de um vilarejo contido num pequeno vale de uma região rural. Um recobrimento aerofotogramétrico foi realizado com altura de voo de aproximadamente 440 m. Imagens digitais foram automaticamente obtidas com uma câmera Sony Cyber-Shot DSC-W300 com resolução espacial de 0,008 mm, resultando uma resolução espacial no terreno de 0,10m. Aerotriangulação, geração do DTM e ortoimagens foram às etapas de trabalhos realizadas. A partir dos resultados obtidos são apresentadas as principais conclusões: - O recobrimento fotogramétrico VANT sofreu variações do planejamento realizado devido às variações das condições atmosféricas existentes no instante da execução causando variação significativa da região planejada para o recobrimento; - A instabilidade da plataforma devida às variações atmosféricas pode afastou a verticalidade da câmera no instante da tomada das imagens provocando variações significativas nos recobrimentos entre fotos e faixas; - A determinação direta dos parâmetros de orientação exterior das imagens via a integração GPS/INS do sistema Micropilot não apresentou exatidões necessárias para a utilização no processamento da aerotriangulação; - A exatidão horizontal resultante na aerotriangulação (0,48 m), através da analise de discrepâncias em pontos de verificação, apresentou resultado bem acima do valor esperado de dois pixels no terreno (0,20 m). A causa mais provável dessa inexatidão é a deficiência de pontos de apoio na periferia do bloco causada pela inexistência de detalhes pontuais fotoidentificáveis nas imagens por ser uma região de floresta natural densa; - A exatidão vertical obtida na aerotriangulação apresentou exatidão esperada, determinada da relação entre a base fotogramétrica, distancia focal e dois pixels de precisão para a paralaxe vertical; - Procedimento autônomo baseado em correlação digital permitiu a obtenção do DSM da região. A filtragem manual de pontos somente no terreno com procedimento baseado na visão estereoscópica viabilizou a geração de um DTM com exatidão vertical de 1,6 m, determinada pela analise de discrepâncias verticais em 12 pontos de verificação; - A exatidão horizontal da ortoimagem da região estudada (0,455 m), obtida da analise de discrepâncias planimétricas em 12 pontos de verificação, foi similar a exatidão horizontal da aerotriangulação do bloco de imagens. As pesquisas futuras com essa temática concentrarão no desenvolvimento de metodologias para aumentar a exatidão da determinação direta dos parâmetros de orientação exterior das imagens visando à utilização desses na aerotriangulação a fim de minimizar o numero de pontos de apoio no bloco. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS EISENBEISS, H., UAV Photogrammetry, PhD Dissertation, Institute of Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich, Switzerland, Mitteilungen N.105, p. 235pages. EISENBEISS, H., The Potential of Unmanned Aerial Vehicles for Mapping, in: Fritsch/Spiller (eds.): Photogrammetric Week 2011, Wichmann Verlag, Heidelberg, pp EVERAERTS, J., The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVS) for remote sensing and mapping. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXXVII (B1), JORGE, C., INAMASU Y., CARMO, B., Desenvolvimento de um VANT totalmente configurado para aplicações em Agricultura de Precisão no Brasil, Anais XV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, INPE, Curitiba, PR, KHAN, A., SCHAEFER, D., TAO, L., MILLER, D., SUN, K., 1,2, Zondlo, M., Harrison, W., Roscoe, B., Lary, D., Low Power Greenhouse Gas Sensors for Unmanned Aerial Vehicles. Remote Sensing, 4, LALIBERTE, A., GOFORTH, M., STEELE, C., RANGO, A., Multispectral Remote Sensing from Unmanned Aircraft: Image Processing Workflows and applications for Rangeland Environments. Remote Sensing, 3,

10 LONGHITANO, G. A, VANTS para sensoriamento remoto: aplicabilidade na avaliação e monitoramento de impactos ambientais causados por acidentes com cargas perigosas. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica. Universidade de são Paulo, 148 p. TURNER, D.; LUCIEER, A.; WATSON, C., An automated technique for generating georectified mosaics from ultra-high resolution unmanned aerial vehicle (UAV) imagery, based on structure from motion (SfM) point clouds. Remote Sensing, 4,