ANÁLISE DA QUALIDADE DOS MODELOS DIGITAIS DE TERRENO E DE SUPERFÍCIE DO MUNICÍPIO DE PORTO ALEGRE

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1 ANÁLISE DA QUALIDADE DOS MODELOS DIGITAIS DE TERRENO E DE SUPERFÍCIE DO MUNICÍPIO DE PORTO ALEGRE Rafael Pereira Zanardi, Alberto Henrique Schneider, Christiane Silva Salomoni, Douglas Schmatz Mallmann 1 Tiago Rutsatz Salomoni 2 Mário Luiz Lopes Reiss, Ronaldo dos Santos da Rocha, Andrea Lopes Iescheck 3 Marcio Miguel Tavares, Elizabete Bugalski de Andrade Peixoto, Fabíola Camargo Távora 4 Peterson Martinski, James Skroch 5 Prefeitura Municipal de Porto Alegre 1 SMF - Secretaria Municipal da Fazenda 2 SMURB - Secretaria Municipal de Urbanismo rafael.zanardi@smf.prefpoa.com.br, albertohs@smf.prefpoa.com.br, christiane@smf.prefpoa.com.br, douglas.mallmann@smf.prefpoa.com.br, tiagors@spm.prefpoa.com.br 3 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto de Geociências - Departamento de Geodésia mario.reiss@ufrgs.br, ronaldo.rocha@ufrgs.br, andrea.iescheck@ufrgs.br 4 Consórcio Guaíba marciotavares@esteio.com.br, elizabete@esteio.com.br, fabiola.tavora@aeroimagem.com 5 Aerosat Engenharia e Aerolevantamentos Ltda. peterson@aerosat.com.br, james@aerosat.com.br RESUMO O presente artigo tem por objetivo descrever as atividades desenvolvidas na análise da precisão e exatidão altimétrica dos Modelos Digitais de Superfície (MDSs) e Modelos Digitais de Terreno (MDTs) gerados através de perfilamento LASER para a Prefeitura Municipal de Porto Alegre. Comparando os valores de altimetria dos MDSs e MDTs com os valores lidos nos pares estereoscópicos fotogramétricos e dos pontos GPS medidos em campo, os erros verificados ficaram dentro dos limites especificados em contrato. Os MDTs gerados a partir do perfilamento LASER podem ser classificados como Classe A para utilização em escala 1:1000 ou menor. Palavras chaves: Altimetria, MDT, MDS, LASER, LIDAR, Fotogrametria. ABSTRACT The purpose of this paper is to describe the activities taken to analyze the altimetric precision and accuracy of the Digital Terrain Models (DTMs) and Digital Surface Models (DSMs) generated by aerial LASER survey to Porto Alegre Municipality. Comparing the altimetric values in the DTMs and DSMs with the altimetry observed in photogrammetric stereo pairs and GPS ground control points, the observed errors were within the limits permitted in Contracted. The DTMs generated by aerial LASER survey can be classified as Class A according to Brazilian Cartographic Accuracy Standards for scales 1:1000 or minor. Keywords: Altimetry, DTM, DSM, LASER, LIDAR, Photogrammetry. 1

2 1. INTRODUÇÃO Capital do estado mais meridional do Brasil, o Rio Grande do Sul, o município de Porto Alegre (Fig. 1) abrange uma área de aproximadamente 500 km², possui habitantes (IBGE, 2011) e apresenta uma geografia diversificada, com morros, baixadas e um grande estuário: o Guaíba. Apesar da importância estratégica dos dados espaciais para a gestão municipal, Porto Alegre se encontrava defasada em algumas décadas em termos de atualização cartográfica. Fig. 1 - Imagem do município de Porto Alegre, RS. Os dados cartográficos então disponíveis nos órgãos municipais eram derivados de atualizações sobre um mapeamento fotogramétrico realizado em 1982, com a última atualização cadastral completa tendo sido realizada em Além disso, o sistema de referência de coordenadas municipal então vigente se encontrava em desacordo com os padrões tecnológicos nacionais, utilizando um datum topocêntrico de 1903: o Observatório da Comissão da Carta Geral do Brasil. Esses problemas estão sendo sanados, a partir da execução de um novo mapeamento do município e uma atualização cadastral, incluindo mapeamento aerofotogramétrico e perfilamento LASER, que vêm sendo efetuados desde 2010, além da recente contratação de engenheiros cartógrafos para o quadro permanente do município. A partir da nova base cartográfica, proveniente desse aerolevantamento, espera-se obter diversos benefícios, tais como modernização tecnológica da administração pública; padronização da base de dados entre os diversos órgãos, permitindo uma otimização do tempo e dos recursos públicos e agilidade no atendimento aos cidadãos; disponibilização de dados para subsidiar o planejamento urbano; justiça tributária, através da regularização da situação de proprietários que não contribuem ou contribuem menos do que deveriam e usufruem dos serviços prestados pelo município; além de abrir a possibilidade de utilização de novas ferramentas de geoprocessamento. O serviço de mapeamento e atualização cadastral de Porto Alegre está sendo executado pelo Consórcio Guaíba, formado pelas empresas Esteio, Aerocarta, Aerogeo, Aeroimagem e Base, e é composto por diversas etapas, a saber: Implantação de Rede Geodésica, Cobertura Aerofotogramétrica, Cobertura com perfilador LASER Aerotransportado, Restituição Estereofotogramétrica Digital, Geração de Ortofotos Digitais, Geração de Cartas, Geocodificação de Lotes, Cadastro Imobiliário Urbano e Desenvolvimento de Aplicativos. Para a validação dos produtos entregues pelo consórcio, foi contratada a empresa Aerosat, além de um convênio com a Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). O presente artigo trata da metodologia aplicada ao controle de qualidade dos Modelos Digitais de Superfície (MDS) e Terreno (MDT) do município de Porto Alegre. 2. PERFILAMENTO LASER Os campos de aplicação do LIDAR são muito amplos e incluem desde a geração de modelos digitais de elevação, modelagem tridimensional de cidades, gerenciamento de florestas proteção costeira, gerenciamento de desastres, estudos de erosão, arqueologia, até o monitoramento de corredores linhas de energia, dutos, ferrovias e rodovias, etc. A tecnologia permite aquisição de dados em curto espaço de tempo, detecção altamente detalhada da superfície da terra e acurácia compatível com as necessidades de praticamente qualquer aplicação. Mas, da perspectiva do usuário final, são necessários critérios de qualidade, métodos de avaliação que permitam examinar a performance do 1

3 levantamento e a acurácia das nuvens de pontos (Zhi, 2008). Os voos para execução do perfilamento LASER foram todos efetuados em agosto de 2010, obtendo 68 faixas na direção Norte-Sul (Fig. 2a) com superposição lateral de 30%. Os parâmetros de voo e configuração dos scanners foram definidos de forma a proporcionar uma densidade mínima de 2,2 pontos por m 2. Foram utilizados os scanners ALS50 (Fig. 2b) e ALS60 (Airborne LASER Scanner), ambos da LEICA Geosystems. Para o posicionamento do voo, foi utilizado um sistema com um receptor GPS em conjunto com uma unidade de movimento inercial (IMU, sigla em inglês), com uma base dupla, formada com os vértices do IBGE SAT e SAT-93642, com distância máxima de 50 km até o limite das manobras da aeronave quando da entrada e saída de faixas (Peixoto, 2014). Fig. 2 - Plano de voo (a) e sensor LASER ALS50-II (b). (Adaptado de: Consórcio Guaíba) Para atender a possibilidade de visualização dos detalhes principais do voo, foi preparada uma imagem hipsométrica com baixa densidade de pontos (Fig. 3). Essa imagem foi preparada pelo Consórcio Guaíba a partir do processamento e interpretação das altitudes dos pontos medidos e processados, associados a uma escala de cores, de maneira a identificar o relevo de Porto Alegre em um arquivo mais leve do que os arquivos finais do perfilamento. Fig. 3 - Imagem hipsométrica de Porto Alegre (a) e detalhe de recorte em perspectiva do perfilamento LASER de uma área da cidade (b). (Adaptado de: Consórcio Guaíba) 3. METODOLOGIA Embora um perfilamento seja um levantamento essencialmente altimétrico, não se pode tratar de controle de qualidade da altimetria de produtos cartográficos sem se avaliar também a sua qualidade planimétrica. Para tanto, procedeu-se a verificação do perfilamento LASER de Porto Alegre em duas etapas, planimétrica e altimétrica, conforme 2

4 descrito em Zanardi (2013). Aprovada a qualidade planimétrica do perfilamento LASER que deu origem aos produtos em estudo no presente artigo, procedeu-se somente a verificação altimétrica dos modelos de elevação Geração dos MDS e MDT Os Modelos Digitais de Superfície (MDS) e de Terreno (MDT) foram gerados pelo Consórcio Guaíba através de softwares específicos, voltados para o tratamento e geração de superfícies em 3D, dando origem aos produtos especificados no Termo de Referência. Os arquivos do tipo nuvem de pontos resultantes do perfilamento LASER foram processados e deram origem aos MDSs. Estes foram submetidos a filtros para remoção dos pontos referentes a edificações, vegetação, etc., para a geração dos MDTs, ou seja, o conjunto de pontos que caracterizam o solo (Fig. 4a). A remoção desses pontos não pertencentes ao terreno foi realizada pelo programa Terra Scan, baseada em parâmetros de classificação, conforme a declividade da região trabalhada, a distribuição geométrica dos pontos, altitude e a intensidade do retorno do pulso LASER. O conjunto de pontos do MDT foi editado até que nenhuma informação que não fizesse parte do terreno estivesse presente no modelo. Essa edição foi baseada em perfis e análises supervisionadas, conforme Fig. 4b, onde os pontos na cor magenta representam o terreno e os pontos na cor verde a vegetação. Adicionalmente, foram utilizados os vetores da restituição fotogramétrica (Fig. 4c) como referência para a exclusão dos pontos localizados sobre edificações, pontes, viadutos, passarelas, lagoas, rios, etc. Fig. 4 - Modelo digital de terreno (a), perfil do terreno (b) e pontos do MDT com os vetores da restituição (c). (Adaptado de: Consórcio Guaíba) Além do formato nuvem de pontos, também foram gerados MDSs e MDTs em formato geotiff (Fig. 5), com pixel de 1 metro. Para tanto, gerou-se na plataforma Global Mapper um GRID com espaçamento de 1 metro, utilizando a Triangulação de Delaunay como modelo matemático de interpolação dos valores do MDS/MDT. Todos esses produtos foram entregues divididos em folhas, seguindo a articulação na escala 1:1000 do mapeamento municipal (Peixoto, 2014). 3

5 Fig. 5 - MDS (a) e MDT (b) em formato geotiff. (Adaptado de: Consórcio Guaíba) 3.2. Controle de qualidade altimétrico A qualidade altimétrica de perfilamentos LASER tem sido alvo de estudos nos últimos anos, e tem se observado em muitos casos que a altitude do terreno pode ser medida com acurácia de aproximadamente 15 cm. Mas, de fato, há um grande número de fatores que afetam a qualidade dessas informações, tais como o material da superfície estudada, altitude do sensor, ângulo de incidência dos feixes, qualidade dos dados GPS/IMU, entre outros (Crombaghs, 2000). Para o controle da qualidade altimétrica dos MDSs, foram selecionados pontos nos modelos estereoscópicos, localizados sobre superfícies planas (lajes, caixas d agua e cisternas aparentes), bem como superfícies no terreno (quadras de esporte e cruzamento de vias), com distribuição espacial homogenia na área de estudo (Fig. 6a). Além desses pontos, foram utilizados 92 pontos medidos com GPS em campo (Fig. 6b), quantidade definida com base nos cálculos de Rocha (2002). Já para o controle da qualidade altimétrica dos MDTs, foram selecionados pontos de controle nos modelos estereoscópicos, localizados sobre superfícies sem vegetação ou outros obstáculos, sempre tangenciando o terreno, em locais como quadras de esporte e cruzamento de vias, com distribuição espacial homogenia (Fig. 6c). Também foram utilizados os mesmos 92 pontos medidos com GPS em campo da análise dos MDSs. Fig, 6 - Distribuição dos pontos de controle MDS (a), GPS (b) e MDT (c). (Adaptado de: Consórcio Guaíba) Os valores de altitude medidos nos modelos estereoscópicos e dos pontos GPS medidos em campo foram comparados com os valores de altitude dos respectivos locais nos MDSs e MDTs. Para essa comparação, adotou-se uma 4

6 tolerância de 0,61 metros, correspondente ao erro esperado para a coordenada Z no modelo estereoscópico. Para se chegar a esse valor, utilizou-se o cálculo demostrado na equação 1 (valores obtidos do certificado de calibração da câmera digital ADS-40). onde EZ (m): Erro altimétrico esperado do modelo estereoscópico H (m): Altura do vôo = 1,206 m EP (m): Erro da paralaxe = equação (2) f (m): Distância focal = 0,06277 m B (m): Aerobase = equação (3) = 0,61 m (1) onde P (m): Pixel = 6,5 * 10-6 m = 9,19239 * 10-6 m (2) onde α ( ): Ângulo de visada = 16 = 345,815 m (3) Para aprovação dos produtos como um todo, estabeleceu-se que no mínimo 68% (1 sigma) dos pontos analisados nos MDTs e MDSs deveriam apresentar discrepância menor ou igual a 0,61 m em relação às altitudes medidas nos modelos fotogramétricos e em campo. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. MDS Dos pontos verificados nos modelos estereoscópicos, (89,7%) apresentaram valores dentro do especificado, ficando 264 pontos com erro superior aos 61 cm definidos como limite. A média das diferenças entre a altitude medida na estação fotogramétrica e a altitude dos MDSs ficou em 29 cm, com desvio padrão de 33 cm. Todos os 92 pontos de campo verificados apresentaram valores dentro do especificado. A média das diferenças entre a altitude medida via GPS e a altitude dos MDSs ficou em 7,9 cm, com desvio padrão de 6,2 cm MDT Dos pontos verificados nos modelos estereoscópicos, (96,9%) apresentaram valores dentro do especificado, ficando apenas 78 pontos com erro superior aos 61 cm definidos como limite. A média das diferenças entre a altitude medida na estação fotogramétrica e a altitude dos MDTs ficou em 2,6 cm, com desvio padrão de 1,6 cm. Todos os 92 pontos de campo verificados apresentaram valores dentro do especificado. A média das diferenças entre a altitude medida via GPS e a altitude dos MDTs ficou em 3,7 cm, com desvio padrão de 4,3 cm. 5. CONCLUSÕES Pela análise aplicada, os valores de altimetria verificados nos MDSs e MDTs ficaram dentro dos limites especificados em contrato. De acordo com o que especifica a atual legislação brasileira para o assunto, o Padrão de Exatidão Cartográfica (PEC - Decreto nº , de 20 de junho de 1984): Art 8º - As cartas quanto à sua exatidão devem obedecer ao Padrão de Exatidão Cartográfica - - PEC, seguinte o critério abaixo indicado: 1. Noventa por cento dos pontos bem definidos numa carta, quando testados no terreno, não deverão apresentar erro superior ao Padrão de Exatidão Cartográfica - Planimétrico - estabelecido. 2. Noventa por cento dos pontos isolados de altitude, obtidos por interpolação de curvas-denível, quando testados no terreno, não deverão apresentar erro superior ao Padrão de Exatidão Cartográfica - Altimétrico - estabelecido. Art 9º - As cartas, segundo sua exatidão, são classificadas nas Classes A, B e C, segundo os 5

7 critérios seguintes: a - Classe A 1 - Padrão de Exatidão Cartográfica - Planimétrico: 0,5 mm, na escala da carta, sendo de 0,3 mm na escala da carta o Erro-Padrão correspondente. 2 - Padrão de Exatidão Cartográfica - Altimétrico: metade da equidistância entre as curvasde-nível, sendo de um terço desta equidistância o Erro-Padrão correspondente. b - Classe B 1 - Padrão de Exatidão Cartográfica - Planimétrico: 0,8 mm na escala, da carta, sendo de 0,5 mm na escala da carta o Erro-Padrão correspondente. 2 - Padrão de Exatidão Cartográfica - Altimétrico: três quintos da equidistância entre as curvas-de-nível, sendo de dois quintos o Erro-Padrão correspondente. c - Classe C 1 - Padrão de Exatidão Cartográfica - Planimétrico: 1,0 mm na escala da carta, sendo de 0,6 mm na escala da carta o Erro-Padrão correspondente. 2 - Padrão de Exatidão Cartográfica - Altimétrico: três quartos da equidistância entre as curvas-de-nível, sendo de metade desta equidistância o Erro-Padrão correspondente. Como a escala máxima de trabalho para os dados do projeto é de 1:1000 e a equidistância vertical das curvas de nível varia com a escala da planta conforme a TABELA 1 (Domingues, 1979), definiram-se os limites máximos de erro para PEC Classe A em 0,5 metros e o erro-padrão em 0,33 metros. TABELA 1 - Escalas cadastrais e respectivas equidistâncias das curvas de nível Escala Equidistância 1:500 0,5 m 1: m 1: m 1: m Dessa forma, como apresentaram mais de 90% dos pontos verificados dentro dos limites do PEC, os MDTs gerados a partir do perfilamento LASER podem ser classificados como Classe A para utilização em escala 1:1000 ou menor. A tecnologia de perfilamento a LASER aerotransportado, mais uma vez, mostrou ser adequada para a obtenção de dados de altimetria em áreas urbanas para trabalho em escalas até 1: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRASIL. Decreto Lei , de 20 de Junho de Estabelece as instruções reguladoras das normas técnicas da cartografia nacional. Brasília, Disponível em: < Crombaghs, M.J.E.; Brugelman, R.; de Min, E.J. On the adjustment of overlapping strips of LASER altimeter height data. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, v 33 (B3/1), p , Disponível em: < DOMINGUES, F. A. A. Topografia e astronomia de posição para engenheiros e arquitetos. São Paulo, McGraw- Hill do Brasil, p. IBGE Estimativa Populacional Censo Populacional Disponível em: < Martinski, P.; Skroch, J. Relatório Técnico Precisão e Exatidão - Altimetria do LASER. Curitiba: Aerosat - Engenharia de Levantamentos Ltda Martinski, P.; Skroch, J. Relatório Técnico Precisão e Exatidão - Planimetria do LASER. Curitiba: Aerosat - Engenharia de Levantamentos Ltda Peixoto, E. B. A.; Tavares, M. M.; Távora, F. C. Relatório Final do Perfilamento LASER Aerotransportado. Curitiba: Consórcio Guaíba p. 6

8 Rocha, R. S.; Exatidão cartográfica para as cartas digitais urbanas Florianópolis f. Tese (doutorado) UFSC, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Produção e Sistemas. Florianópolis, SC, Zanardi, R. P.; Schneider, A. H.; Salomoni, T. R.; Salomoni, C. S.; Reiss, M. L. L. Validação da qualidade do perfilamento a LASER aerotransportado da cidade de Porto Alegre. In: XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Anais p Disponível em: < Zhi, X.; Zhong, Z. A progressive quality control to improve the accuracy of LIDAR data processing. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. v. 37 (B1), p , Disponível em: < 7