OBTENÇÃO DE ORTOFOTOS COM FOTOGRAFIAS DE PEQUENO FORMATO UTILIZANDO DADOS DO LASER SCANNER COM MODELO DE TERRENO

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1 II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, de julho de 27 ISSN , p OBTENÇÃO DE ORTOFOTOS COM FOTOGRAFIAS DE PEQUENO FORMATO UTILIZANDO DADOS DO LASER SCANNER COM MODELO DE TERRENO MARLO ANTONIO RIBEIRO MARTINS EDSON A. MITISHITA Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento LACTEC Universidade Federal do Paraná UFPR RESUMO Este trabalho apresenta a metodologia para a ortorretificação de fotografias digitais de baixo custo utilizando dados do Laser Scanner Aerotransportado (LSA). Neste estudo foram utilizadas quatro fotografias digitais, a nuvem de pontos do LSA, a imagem de intensidade e a imagem de hipsometria. As imagens de intensidade e hipsometria, em conjunto com a nuvem de pontos do LSA, serviram para a extração dos pontos de apoio das fotografias, sendo estes utilizados para se processar a aerotriangulação. Em seguida, foi realizado a ortorretificação com o MDT e a mosaicagem das fotografias. Este processo de ortorretificação e a mosaicagem confeccionada através do LSA ficou com uma precisão de 5 cm para planimetria, ou seja, a mesma precisão dos dados do LSA utilizados para este trabalho. ABSTRACT - This work presents the methodology for orthorectifying low-cost digital photography using Airborne Laser Scanner (ALS) data. Four digital photos were used in the study, besides the ALS point cloud, intensity and hypsometric imagery. Intensity and hypsometric images, along with the ALS point cloud were used for extracting control points from the photos, and these points were used in the aerotriangulation process. Following the aerotriangulation, orthorectification was performed using Digital Terrain Model (DTM) and the photos were mosaiced together. The process of orthorectifying and mosaicing low-cost photos through ALS data ended up with a fifty-centimeter accuracy in the planimetry, thus obtaining the same accuracy of the ALS data itself. 1 INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta a metodologia utilizada para ortorretificação de imagens digitais tomadas com câmaras de baixo custo e dados laser. O processo é composto pelas seguintes etapas: geração da imagem hipsométrica; extração de pontos de apoio nos dados laser; identificação dos pontos de apoios nas fotografias e na imagem hipsométrica; determinação da orientação exterior das imagens digitais; classificação dos dados laser para geração do MDT; geração das ortofotos; e mosaicagem das ortofotos. 2 OBJETIVO 2.1 Objetivo Geral Descrever a metodologia para a ortorretificação de imagens digitais provenientes de câmara de baixo custo, KODAK modelo PRO14n, utilizando dados do Modelo Digital de Terreno (MDT) levantado pelo Laser Scanner Aerotransportado (LSA) Objetivo Específico a) Gerar a imagem hipsométrica (Intensidade + Altimetria) utilizando os dados do LSA para extração de pontos de apoio; b) Extrair os pontos de apoio da imagem hipsométrica (X,Y) em conjunto com a nuvem de pontos laser (Z); c) Identificar os pontos de apoios nas fotografias; d) Planejar e Identificar os pontos de apoio nos modelos e faixas; e) Processar a aerotriangulação do bloco de fotos; f) Classificar a nuvem de pontos laser, em Modelo Digital de Terreno MDT e Modelo Digital de Elevação MDE; g) Gerar as ortofotos com o MDT; h) Gerar o mosaico das ortofotos geradas pelo MDT.

2 II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, de julho de 27 3 ÁREA DE ESTUDO A área de estudo situa-se entre as coordenadas E=675.15,82m até E= ,7m e N= ,7m até N= ,16m, ou seja, um retângulo de 1.568,24m por 1.371,91m. Esta área se encontra nos bairros do Juvevê e do Cabral, na cidade de Curitiba-PR. Figura 2 Imagem de Intensidade e Hipsometria. 5 EXTRAÇÃO DOS PONTOS DE APOIO Para extrair os pontos de apoio são utilizados a imagem hipsométrica e a nuvem de pontos dos dados laser. Utiliza-se o programa MicroStation V8 para colocar as imagens e a nuvem de pontos. Na imagem hipsométrica busca-se pontos foto-identificáveis para extrair as coordenadas de terreno (X, Y, Z) da nuvem de pontos laser, ver nas figuras 3 e 4. Figura 1 Mapa de Localização. 4 GERAÇÃO DAS IMAGENS LASER O processo de obtenção das imagens Laser (Intensidade e Hipsometria) para a extração planimétrica dos pontos de apoio, foi dividido em duas partes: geração da imagem de intensidade, sendo estas salva no formato GEOTIFF; e geração da imagem de hipsometria, sendo estas salva no formato GEOTIFF. Cabe ressaltar que estas imagens são totalmente ortorretificadas, tanto no nível do solo como no nível das edificações, já que o sistema laser levanta pontos diretos no terreno e com coordenadas tridimensionais. Assim, no processamento das imagens cada pixel tem uma coordenada que representa uma porção real do terreno que é ortoretificado, resultando numa ortoimagem. Para realizar este processamento das imagens foi utilizado o software APL QT Viewer, cuja nuvem de pontos laser é a base de dados, já que seria necessário processar uma imagem com todos os detalhes levantados, desde o terreno até as edificações e vegetação. No programa, a nuvem de pontos laser foi importada como arquivo ASCII file e processado para gerar as imagens de intensidade e de hipsometria, conforme figura 2. Figura 3 Imagem hipsométrica com os pontos laser. Figura 4 Perfil da área selecionada e identificação do ponto de apoio. 6 ORIENTAÇÃO EXTERIOR O objetivo primordial da orientação exterior é a obtenção da posição e atitude de cada foto em relação ao referencial do espaço objeto (BRITO, J. N. e COELHO, L. 22), esta relação pode ser visualizado na figura 5.

3 II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, de julho de 27 conhecidas nos dois sistemas (imagem e geodésico). Isto irá gerar duas equações por ponto de apoio, ou seja, seis equações para os três pontos de apoio, logo seis equações para seis parâmetros. Porém na prática utiliza-se um mais número de pontos de apoio. Isto é usual para que seja possível a detecção de erros grosseiros, análise estatística dos resultados e maior confiabilidade na determinação dos parâmetros. Neste trabalho foram utilizados 19 pontos de apoio, distribuídos em 4 fotografias, conforme a figura 6, de maneira que todos os pontos estivessem o mais próximo dos pontos de Von Grübber. Figura 5 Orientação Exterior. Os elementos de posição da orientação exterior são X, Y e Z, estes irão definir a posição do centro perspectivo (O) com o respectivo sistema de coordenada geodésica (X, Y, e Z). Os elementos de atitude da orientação exterior descrevem a relação entre o sistema de coordenada geodésica (X, Y e Z) com o sistema de coordenada de imagem (x, y e z), ou seja, três ângulos de rotações phi (φ), ômega (ω) e kappa (κ) em relação aos eixos coordenados do referencial do objeto. A orientação exterior pode ser obtida de dois modos distintos. A primeira pela determinação da posição e atitude da câmara no momento de tomada da câmara, por sistemas inerciais e de navegação. A segunda, através do ajustamento de um feixe de raios perspectivos. Este ajustamento pode ser realizado em uma única fotografia ou em um conjunto de fotografias simultaneamente (Bundle Adjustment). Os parâmetros de orientação exterior são determinados pela resolução de um sistema de equações, obtidos com a equação da colinearidade. m11 ( X X ) + m12 ( Y Y ) + m13 ( Z Z ) x = c (1) m ( X X ) + m ( Y Y ) + m ( Z Z ) m21( X X ) + m22 ( Y Y ) + m23( Z Z ) y = c (2) m ( X X ) + m ( Y Y ) + m ( Z Z ) 31 Para resolver este sistema de seis incógnitas (X, Y, Z, φ, ω, e κ) é necessário ter no mínimo três pontos de apoio, sendo que cada ponto com possua coordenadas Figura 6 Distribuição dos pontos de apoio nas fotografias. Para a determinação da orientação exterior das fotografias foram utilizados o programa ERDAS 8.7, modulo Leica Photogrammetry Suite, o certificado de calibração da câmara KODAK 14n, estes parâmetros (orientação interior) podem ser visualizados na tabela 1, os pontos de apoio e os pontos fotogramétricas. Tabela 1 Parâmetros de calibração da câmara. PARÂMETRO VALOR σ C 35,8622 3, X,216 1,9 1-3 Y,153 1,8 1-3 K 1-7, , K 2 9, , K 3 3, ,4 1-2 P 1 2, , P 2-1, , A 6, , B -7, , No modelo fotogramétrico formado por estas fotografias apareceram 19 pontos foto-identificáveis, cujos nomes, localização, coordenadas dos mesmos foram

4 II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, de julho de 27 obtidas na nuvem de ponto do laser e nas imagens hipsométricas, como visto no item 5. E também foram obtidas as coordenadas dos mesmos pontos no sistema fotogramétrico. Com estes dados e o programa ERDAS 8.7, modulo Leica Photogrammetry Suite, calculou-se a orientação exterior das quatro fotografias. Na tabela 2 e 3, pode-se visualizar os parâmetros de orientação exterior, sendo as coordenadas do centro perspectivo em N, E e H. Tabela 2 Parâmetros de orientação exterior. Foto X Y Z , , , , , , , ,58 19, , , ,212 Tabela 3 Parâmetros de orientação exterior. Foto ω Φ Κ 1-1,362 2, ,125 2,63 2, , ,967-2,52 116,15 4 -,341-1, ,676 7 CLASSIFICAÇÃO DOS PONTOS LASER A partir do software TerraScan foi realizada a classificação simples dos pontos, para diferenciar apenas quais elementos correspondem ao terreno (MDT) e quais correspondem à vegetação, à edificação e à outros elementos da superfície (MDE). A etapa de classificação foi realizada de maneira automática na nuvem de pontos com o objetivo de separálos em pontos que tocaram à superfície terrestre e pontos que tocaram outros elementos (objetos). O programa TerraScan possui uma ferramenta específica para esta tarefa, onde os parâmetros para a utilização desta ferramenta (ângulo do terreno, ângulo e distância de interação) foram definidos com base na análise de outros resultados realizados na área de estudo. Estes parâmetros podem ser visualizados na figura 7. Depois de realizadas as etapas mencionadas anteriormente, os produtos obtidos do processamento dos dados brutos do Laser foram os seguintes: a) Pontos com coordenadas UTM georreferenciadas no Sistema Geodésico Brasileiro SBG com altitude ortométrica, para o Modelo Digital de Elevação MDE (terreno e estruturas verticais) no formato ASCII; b) Pontos com coordenadas UTM georreferenciadas no Sistema Geodésico Brasileiro SGB com altitude ortométrica, para o Modelo Digital de Terreno MDT (apenas o terreno) no formato ASCII. 8 ORTORRETIFICAÇÃO DAS IMAGENS A ortorretificação é o processo de correção da projeção de perspectiva para ortogonal, minimizando desta forma os efeitos do relevo do terreno da imagem. Uma imagem digital bruta adquirida por sensores contém distorções se comparada a uma projeção cartográfica. O propósito da correção geométrica é o de remover tais distorções de modo que a imagem digital fique conforme um sistema de projeção cartográfica. As distorções podem ser classificadas como: Distorções sistemáticas, Distorções não sistemáticas e Distorções devido ao terreno. Para que uma imagem seja ortorretificada é necessário que seus parâmetros de orientação interior (IOP) e exterior (EOP) e as informações altimétricas do terreno sejam conhecidas. O modelo matemático basea-se na equação da colinearidade, que relaciona pontos no espaço imagem com pontos no espaço objeto. Existem basicamente dois métodos para a geração da ortofoto, o processo direto e o processo inverso. No processo inverso, parte-se da imagem ortorretificada e busca-se o valor do pixel na imagem original. No processo direto, parte-se de um pixel na imagem original e busca-se o seu correspondente na imagem ortorretificada. Figura 8 Ortorretificação utilizando o MDT Figura 7 Classificação da Nuvem de Pontos. Neste trabalho foi utilizado o processo inverso para a geração da ortofoto digital, já que este processo é adotado pelo ERDAS 8.7. Os parâmetros de orientação

5 II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, de julho de 27 exterior (EOP), das quatro fotografias, utilizados nas ortorretificações, foram obtidos no item 6, ver tabela 2 e 3, o os parâmetros de orientação interior (IOP), ver tabela 1. REFERÊNCIAS ACKERMANN, F. Operational Rules and Accuracy Models for GPS Aerotriangulation. In: ISPRS, MOSAICAGEM DE IMAGENS Para a mosaicagem (ver figura 8) das fotografias ortorretificadas utilizou-se o programa ERDAS 8.7. Para o processo de mosaicagem de imagens, são necessários pontos de ligação, que serão utilizados na solução. As equações desta transformação necessitam solucionar seis (6) incógnitas, correspondentes aos parâmetros de transformação. Para isso são necessários, pelo menos, três pontos visíveis nas duas imagens (cada ponto fornecendo duas coordenadas), para que seja possível a solução destas incógnitas. Geralmente, para que o ajustamento seja realizado de maneira satisfatória, faz-se necessário à existência de observações com redundância. Por este motivo, são escolhidos mais pontos de ligação que o necessário. Estes pontos devem ser bem distribuídos nas imagens para que o resultado seja confiável, ver figura 6 do item orientação exterior. ANDRADE, J. B. DE, Fotogrametria. SBEE, Curitiba, BRITO, J. N. E COELHO, L. Fotogrametria Digital. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 22. HABIB, A. GPS Controlled Aerial Triangulation of Single Flight Lines. Department of Geodetic Science and Surveying. The Ohio State University, LAPINE, L. Airborne Kinematic GPS Positioning for Photogrammetry: The Determination of the Camera Exposure Station. In C. Greve (Ed.), Digital Photogrammetry: An addendum to the manual photogrametry. Falls Chuch, VA: ASPRS LICHTI, D. The Interpolation Problem in GPS-Supported Aerial Triangulation. The Photogrammetric Record, v. 17, n. 99, p , April 22. MIKHAIL, E. M. AT ALL. Introduction to Modern Photogrammetry. John Wiley & Sons. Nova Iorque. 21. MITISHITA, E. A. Monorestituição Digital de Aerofotos, Associada com Sistema de Computação Gráfica CAD, para Fins de Mapeamento na Área Florestal Tese de doutorado, UFPR, Figura 8 Mosaico das Fotografias 1 CONCLUSÕES No que se refere ao objetivo geral do presente trabalho, a metodologia proposta para confecção de ortofotos a partir de dados oriundos do Sistema de Laser Scanner Aerotransportado e fotografias digitais de pequeno formato, superou as expectativas, alem de proporcionar um estudo de todos os passos para a realização de ortofotos. A ortofoto confeccionada através do Sistema LSA e fotografias digitais de pequeno formato ficou com a mesma precisão dos dados Laser, ou seja, 5 cm para planimetria, portanto à qualidade geométrica deste tipo de ortofoto atenderia o PEC classe A para a escala 1:2..

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