COMPARAÇÃO DE MODELOS DIGITAIS COM IMAGENS DO SENSOR ASTER, SRTM E LEVANTAMENTO COM RECEPTOR DE SINAL GNSS RTK

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1 p COMPARAÇÃO DE MODELOS DIGITAIS COM IMAGENS DO SENSOR ASTER, SRTM E LEVANTAMENTO COM RECEPTOR DE SINAL GNSS RTK BRUNO ZUCUNI PRINA 1 LUIS FELIPE DÍAZ DE CARVALHO 2 Universidade Federal de Santa Maria - UFSM Colégio Politécnico da UFSM, Santa Maria RS brunozprina@gmail.com, lfelipe.dc@gmail.com RESUMO Este trabalho busca apresentar de forma detalhada a diferenciação de levantamentos realizados com receptor de sinal GNSS RTK perante a comparação com dados altimétricos disponibilizados via online gratuitamente, como é o caso de imagens do sensor ASTER e SRTM. Objetiva-se dessa forma, mostrar que um levantamento utilizado com receptor de sinal GNSS RTK nos retorna um resultado muito próximo da realidade, rico em detalhes, por outro lado os modelos digitais do terreno, oriundos dos sensores ASTER e SRTM servem de apenas de base para planejamento de trabalhos. Com esse intuito fizeram-se triangulações irregulares do terreno (TIN), resultando em modelos de elevação da superfície terrestre, para que assim, possam-se comparar os dados das três metodologias de obtenção de informação altimétrica. Palavras chave: Aster, SRTM, RTK, GNSS, MDT, TIN. ABSTRACT - This study aims to present a detailed differentiation of surveys conducted with GNSS RTK receiver signal before comparison with altimetric data available via online for free, as is the case of ASTER images and SRTM. The purpose is thus to show that a survey used to signal receiver in GNSS RTK returns a result very close to reality, rich in detail, on the other hand, the digital terrain models, from the SRTM and ASTER sensors serve only as a basis for planning work. To that end they became irregular terrain triangulation (TIN), resulting in elevation models of the earth's surface, so that, to be compared with data from the three methods of obtaining altimetric information. Key words: Aster, SRTM, RTK GNSS, DTM, TIN. 1 INTRODUÇÃO Para o planejamento de obras de engenharia, são requeridos estudos da superfície terrestre, ou seja, a criação de mapas topográficos, os quais retratem de forma representativa as ondulações da superfície terrestre. Alguns desses trabalhos requerem maiores precisões, outros a breve representação do terreno é suficiente, mas em ambos os estudos, faz-se necessário representar o terreno da melhor forma possível, sempre correlacionando sua precisão com sua escala. Há inúmeras formas de aquisição de dados, as aqui estudadas serão a respeito de imagens do sensor SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), do Aster e pontos coletados com receptor de sinal GNSS (Global Navigation Satellite System) RTK (Real Time Kinematic). As imagens do sensor Aster possuem pontos espaçados num intervalo de 30 metros, obtendo, dessa forma uma acurácia de cerca de 7 a 14 metros. Sua cobertura é quase totalmente global, limitando-se a 83 graus norte a 83 graus sul. As imagens desse sensor estão dispostas para download no link < Já o radar SRTM, possui um espaçamento de 90 metros na coleta de seus dados, obtendo, dessa forma uma acurácia de cerca de 10 metros. Sua cobertura é de 60 graus norte a 56 graus sul. As imagens desse sensor estão dispostas para download no link <www2.jpl.nasa.gov/srtm>. Conforme MILLER e LAFLAMME (1958) apud EL-SHEIMY, VALEO, HABIB (2005) Modelo Digital do Terreno (MDT) é um processo estatístico de 1 Técnico em Geoprocessamento e aluno do Curso Superior em Tecnologia em Geoprocessamento. 2 Professores do curso Técnico e Tecnólogo em Geoprocessamento.

2 representação contínua da superfície física, selecionando pontos com coordenadas X, Y e Z. O trabalho realizado foi descrito numa bacia hidrográfica, com aproximadamente 90 ha, localizada na cidade de Júlio de Castilhos/RS. A Figura 1 identifica a área em questão. das informações da estação base, por meio do seu erro de relógio 3. Ainda Monico (2007) salienta que o sistema RTK é composto por dois receptores (de dupla ou simples frequência) com as respectivas antenas, link de comunicação (para transmitir e receber correções e/ou observações da estação de referência) e software apropriado para realizar o processamento e validação dos dados. A limitação desse método de coleta está contida na distância entre a estação base a móvel, a qual deve ser menor que 4,3 km (Langley (1998) apud Monico (2007)). 2 MATERIAIS E MÉTODOS Figura 1 Mapa de localização da área de estudo. O problema desse trabalho está em solucionar a seguinte questão: Quais as discrepâncias encontradas na comparação de um levantamento de campo com uma tecnologia altamente precisa e imagens de radar? Justifica-se, dessa forma, em comparar as informações dos MDT, chegando à conclusão de quais aplicações que podem ser utilizadas para identificação da sinuosidade terrestres de pequenas e grandes áreas. Objetiva-se com esse trabalho em estruturar e comparar dados levantados com receptores de sinal GNSS RTK com imagens de radar. Especificamente, propõe-se em sistematizar os dados do levantamento, gerar modelos digitais do terreno (MDT) dos pontos coletados e das imagens SRTM e ASTER, acarretando numa grande experiência prática de como coletar coordenadas e transformá-las em informação. Para geração de todas as etapas do referido trabalho, fez-se primeiramente a coleta de coordenadas com o receptor de sinal GNSS RTK. Esse equipamento dá-nos uma precisão e acurácia disposta em milímetros, sendo uma medida confiável para a aquisição de um MDT de altíssima confiança. Segundo a metodologia imposta por Monico (2007) o trabalho realizado por receptores de sinais GNSS RTK é o método de posicionamento que possui, até o momento, o maior avanço em relação a alta precisão e acurácia de seus dados. O mesmo autor ainda informa-nos que o formato das mensagens desse equipamento sofreu a adição de quatro novos tipos de mensagens, criando, a partir disso, um novo formato de aquisição de dados. Essas mensagens são compostas pela medida da fase da onda portadora e pseudodistância as quais são coletadas na estação de referência e as correções das respectivas mensurações. Essas informações são enviadas para a estação móvel, com todas as informações necessárias. Sabe-se que o processo de correções são baseadas no conhecimento da localização da estação de referência, na posição dos satélites e no comportamento do relógio dos satélites, sendo assim, haverá a correção Para a formulação desse trabalho usou-se um receptor de sinal GNSS RTK, uma imagem SRTM e outra ASTER (As imagens referenciadas na pesquisa foram as que englobavam a área de estudo, na cidade de Júlio de Castilhos/RS). Dentre os aplicativos utilizados está o ArcGis. Como primeiro passo do trabalho coletou-se as coordenadas de interesse na bacia hidrográfica de estudo. Essa etapa foi a mais trabalhosa, bem como a mais importante para o desenlace do trabalho, pois a partir desses dados que se geraram-se as informações de interesse para as futuras comparações de dados. A coleta foi baseada na configuração do receptor GNSS RTK nas seguintes formas: -Datum horizontal: SIRGAS Geóide: egm96 -Distâncias: metros -Sistema de coordenadas: Universal Transversa de Mercator (UTM). Abaixo há a complementação de algumas especificações do aparelho em questão: -Canais Rastreados, padrão: 40 L1 GPS (20 GPS L1+ L2) -Canais Rastreados, opcional: 20 GPS L1 + L2 (GD) ou GPS L1 + GLONASS (GG) -Sinal Rastreado: L1/L2 C/A e Código P & Portadora -Precisão linha base: 3 mm + 1 ppm para L1 + L2 e 5 mm +1.5 ppm para L1. -Precisão RTK (OTF): 10 mm ppm para L1 + L2 e 15 mm +2 ppm para L1. -SpSp: Interna 900 MHz ou 2,4 GHz SpSp transceptor -UHF Radio Modem: Interna Rx ou Externa Tx/Rx -Potência de Saída (Base): 0.5W / 2.0W / 35W A Figura 2 mostra-nos o espaçamento dos pontos os quais foram coletados. Observa-se que ao fim dessa etapa, totalizou-se em pontos, obtendo dessa forma uma densidade próxima de 45 pontos/hectares. 3 Monico (2007), p. 345.

3 de fato normal, uma grande generalização das informações contidas na superfície terrestre, pois os dados possuem um grande espaçamento, ocultando inúmeras feições terrestres. Figura 2 Amostra dos pontos coletados. Após repassou-se as informações do receptor de sinal GNSS RTK ao meio computacional, bem como, fezse aquisição das imagens SRTM e ASTER, de forma gratuita, disponível no endereço eletrônico <> e <>, respectivamente. Com os dados prontos, passou-se a confeccionar o resto do trabalho no aplicativo ArcGis. Essa etapa procedeu de vários passos, abaixo analisar-se-á os mesmos de forma simplificada. Passo 1: Repassou-se todas as imagens para o mesmo sistema de coordenadas (SIRGAS 2000, fuso 22 Sul). Passo 2: Gerou-se as curvas-de-níveis baseadas nos pontos coletados e nas imagens adquiridas. O espaçamento padrão foi de 1 metro. Passo 3: Gerou-se os TIN s (Triangular Irregular Network) a partir das feições realizadas na etapa anterior. Para visualizar as classificações, dividiram-se os valores em 10 classes. O azul representa as áreas mais baixas e o verde indica as mais altas. Podemos conceituar TIN como uma malha de pontos irregular, na qual é realizada uma triangulação entre os pontos mais próximos, também pode ser conceituado como modelo geográfico vetorial. 4 5 Passo 4: Geraram-se os mapas e as visualizações em terceira dimensão. A parte da terceira dimensão foi obtida numa extensão do ArcGis, o ArcScene. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Depois de empregada a metodologia de obtenção de modelos digitais do terreno, e suas visualizações tridimensionais chegou-se aos devidos mapas e representações, as quais serão apresentadas a seguir. Em relação a imagem do sensor SRTM, na qual o pixel tem um espaçamento de 90 m, obteve-se uma representação (Figura 3) suavizada do terreno, porém, há, 4 Disponível em: < Acesso em 07 mai.12 5 Disponível em: < MNT_New.pdf>. Acesso em 07 mai.12 Figura 3 MDT resultante da imagem SRTM. A Figura 4 objetiva-se em mostrar de forma tridimensional o resultado da obtenção do MDT com essa fonte de dados. Figura 4 Imagem tridimensional adquirida pelo sensor SRTM. Ao analisar a imagem do sensor ASTER, analisase que sua representação é muito mais delineada do que a do SRTM (fato explicado pela sua resolução espacial 30 metros). Por outro lado, ao analisar de forma detalhada, nota-se que há muitas discrepâncias envolvidas nas mensurações de pequenas áreas. Destaca-se, então, que mesmo que a cena da imagem sofresse um aumento em sua resolução espacial, a confiabilidade dos dados não é significativa. A edição nº 32 da revista InfoGNSS apresenta a comparação de alguns sensores que realizam coletas de dados para geração de MDT. Essa revista destaca que o sensor ASTER tem uma acurácia dos dados de 7 a 14 metros e que o SRTM possui 10 metros, notificando que mesmo que a resolução espacial aumentasse a acurácia dos dados não se mantiveram nas mesmas proporções. A Figura 5 exemplificará o resultado final do MDT gerado através da imagem do sensor ASTER, e a Figura 6 exemplificará sua vista tridimensional.

4 Figura 5 MDT resultante da imagem ASTER. Figura 7 MDT resultante dos pontos coletados com receptores de sinal GNSS RTK. Figura 6 Imagem tridimensional adquirida pelo sensor ASTER. Por fim, ao analisar a metodologia de formulação de MDT por levantamentos de alta precisão com receptores de sinal GNSS RTK, analisa-se a sua excelente representação. Claro, que essa formulação é possível apenas se os pontos forem bem adensados, conforme o terreno. Pois mesmo que o instrumento forneça uma alta precisão e acurácia dos dados levantados, se não forem coletadas coordenadas espaçadas regularmente e em lugares que retratem o terreno de forma adequada, os dados coletados não fornecerão o melhor resultado. Notifica-se que, se quanto mais restrita for a área de estudo, a necessidade do uso de pontos de campo de alta precisão mostram-se essenciais para a formulação de uma boa base teórica. A Figura 7 ilustra o mapa final perante a inserção dos pontos coletados com receptor de sinal GNSS RTK. Já a Figura 8, mostra-nos o comportamento tridimensional dos pontos considerados de verdades de campo. Figura 8 Imagem tridimensional adquirida pelos pontos coletados com receptores de sinal GNSS RTK. 4 CONCLUSÕES Conclui-se que para estudos de pequenas escalas, as imagens oriundas do sensor SRTM são úteis para a amostragem do comportamento padrão do relevo, porém o sensor ASTER trará maiores detalhes da superfície, apresentando, dessa forma, maiores discrepâncias dos dados (maior porcentagem de imperfeições do terreno). Para estudos de média escala, o uso de ambas imagens servem com o mesmo princípio, apenas alerta-se que seria interessante coletar pontos em lugares estratégicos, para que assim haja uma melhor veracidade do modelo gerado. Já para estudos de grandes escalas, é interessante proceder-se de levantamentos de campo, pois como já mostrado, as imagens não são suficientes para identificar de forma adequada todas as feições do terreno, restringindo inúmeras informações. Dessa forma notificase que conforme o trabalho exercido, as imagens não são suficientes para a melhor representação do terreno. Outro fato a destacar é que a representação em pequenas, média ou grande escala dependerá inclusive da sinuosidade do terreno, pois se o mesmo mantiver-se de forma constante ou regular, as imagens poderão sim satisfazer a analogia com pequenas áreas. Considera-se de muita importância ao futuro profissional do autor a coleta de dados a campo, pois se podem analisar as dificuldades de como representar de forma adequada o relevo de um determinado lugar.

5 Em relação a sistematização dos dados, a geração dos MDT s, e as demais procedimentos realizados no aplicativo ArcGis consideram-se satisfatórios pelo fato de ter agregado mais informações teórico-práticas ao autor. AGRADECIMENTOS O autor agradece ao professor orientador pelas correções e idéias propostas perante a pesquisa em questão. REFERÊNCIAS EL-SHEIMY, N.; VALEO, C.; HABIB, A. Digital Terrain Modeling Acquisition, Manipulation and Aplications. Artech House. Boston London, FILHO, R. A. MNT: Modelagem Numérica de Terreno. Disponível em: < ulo/pasta%20pdf/ler450mnt_new.pdf>. Acesso em: 07 mai.12. InfoGNSS, edição 36, ano 6, Editora MundoGEO, p. 52. Modelos Digitais do terreno. Disponível em: < >. Acesso em: 07 mai.12. MONICO, J. F. G. Posicionamento pelo GNSS Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora Unesp, 2007.