Fotografias oblíquas digitais de pequeno formato na elaboração de plantas de quadra

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1 Fotografias oblíquas digitais de pequeno formato na elaboração de plantas de quadra Amanda Maria da Silva 1 João Marcos Pereira 2 Andrea Flávia T. Carneiro 3 Universidade Federal de Pernambuco- UFPE Decart/CTG 1,2,3 Rua Acad. Helio Ramos, s/n - Cidade Universitária Recife - Pernambuco Brasi amanda27mendy@gmail.com 1 ; jmarcos007@gmail.com 2 ; aftc@ufpe.br 3 Resumo. The use of maps produced from oblique photographs have been taken in recent years, with significant importance, both for cartographic visualization systems for Internet, such as Geographic Information Systems and virtual reality. Satellite systems for high resolution photogrammetric systems and special arrangements with multiple cameras are the main sources of acquiring oblique images, but imaging systems low cost has also been used. This paper aims to present the development of a mosaic of photographs oblique of Itaquitinga-PE. The work was performed as part of a project whose goal was to test alternatives for providing small cities of cartographic databases, which serve to support the management of the city and the implementation of Multipurpose Cadastre. In this article, we discuss the procedures for planning, acquisition and processing of images. The results of blocks and rectified map produced are presented and discussed. Keywords: oblique photographs, perspective maps, multipurpose cadaster, fotografias oblíquas, mapas de perpectivas, cadastro multifinalitário. 1. Introdução As imagens de satélites de alta resolução geralmente são oblíquas e tem sido usadas sob a forma de mosaicos nos sistemas de visualização do Google Earth ou Bing Maps. Por outro lado, fotografias oblíquas obtidas com sistemas fotogramétricos multicâmaras ou em sistemas de imageamento móveis, são processadas fotogrametricamente ou combinados com dados de Lidar para construção de modelos 3D de cidades e visualizações em perspectiva de qualquer ponto desejado pelo usuário. Nas imagens de satélite de alta resolução, com TPT (Tamanho do Pixel no Terreno) ou GSD (Ground Sample Distance) de ordem submétrica a métrica, as fachadas das construções aparecem rebatidas, mesmo após realizadas as correções de ortorretificação, o que caracteriza uma imagem oblíqua. As fotografias oblíquas podem apresentar uma resolução mais alta do que a das imagens de satélite, da ordem de centímetros, mas os sistemas SIG disponíveis atualmente ainda não tem oferecem suporte para essas imagens (Grenzdöfffer et al, 2007), como para as imagens de satélites. Este artigo tem por objetivo apresentar a geometria das fotografias oblíquas e suas aplicações, com destaque para um experimento com superposição a uma planta de quadra. 2. Aplicações das fotografias oblíquas Existem algumas vantagens no uso de fotografias oblíquas. Habbecke e Kobbelt (2010) ressaltam que as fotos oblíquas apresentam, além de uma melhor visão intuitiva, informações sobre as alturas dos prédios, aparência e detalhes das fachadas e diferenças de altura do terreno. Permitem aplicações para modelos 3D de cidades e podem ser superpostas a mapas cadastrais, como mostra a figura

2 Figura 1. a) Fotografia oblíqua b) Mapa cadastral da área c) Superposição do mapa cadastral com a fotografia inclinada (Habbecke e Kobbelt, 2010) Grenzdöfffer et al (2007) relaciona os usos potenciais para planejamento urbano e cadastro, gerenciamento e monitoramento de operações em segurança e proteção de infraestruturas como aeroportos e prédios públicos. Rau e Chu (2012) usam fotos oblíquas para compor as texturas das fachadas. Silva et al (2012) usam para compor mapa de área plana em região de costa. Hofstee (1997) mostra o uso dessas fotografias para atualização de mapas cadastrais com o sistema livre ILWIS. Uma revisão do uso das fotografias oblíquas, com ênfase na descrição do sistema patenteado da Pictometry na geração de modelos 3D de cidades é dada por Karbo e Schrot (2009). Lemmens et al(2008) apresentam aplicações em cadastro. 3. Geometria da fotografia oblíqua A geometria da fotografia oblíqua é dada em detalhes na literatura mais antiga, como em Wolf (1983), e é revisada para a fotogrametria digital em Grenzdörffer et al (2007). Alguns dos elementos geométricos são mostrados na Figura 2: a altura de vôo h g, o ângulo do eixo ótico em relação à vertical y, o semi-ângulo de visada y e as distâncias no terreno: D min, D avg ao eixo ótico e D max. Figura 2. Geometria da fotografia oblíqua (baseado em Grenzdörffer et al (2007) 1975

3 Onde: D min = h g. tan( y - y ) (1) D avg = D max - D min (2) D max = hg.tan( y + y ) (3) As resoluções geométricas dadas pelos TPT variam conforme as fórmulas entre um mínimo (m bmin ), correspondente à melhor resolução, ao máximo (m bmax ), a pior resolução (equações 4 e 6). Na posição do eixo ótico, a resolução é dada por m avg (equação 5): (4) (5) (6) 4. Elaboração do mosaico de fotografias inclinadas de Itaquitinga-PE Os procedimentos adotados para aquisição, processamento dos dados, geração das plantas de quadras com retificação projetiva e mapa completo serão descritos nos itens a seguir. 4.1 Aquisição das fotografias oblíquas O projeto foi realizado na área urbana do município de Itaquitinga/PE, que possui uma área total de 103,442 km 2 e habitantes e, segundo dados do censo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010). A sede do município tem uma altitude aproximada de 88 metros e coordenadas geográficas 7º40'04" S e 35º06'06" W, distando 66,7 km da capital. Devido à nebulosidade e à baixa altitude das nuvens da região, em torno de 500m, foi planejado o vôo para aquisição de fotografias oblíquas, de acordo com a planilha mostrada na Figura 3. A câmara usada foi uma Canon A640 de 3648x2736 pixels, devidamente calibrada e montada com ângulo de depressão de 45º. Foram planejadas cinco faixas em sentido Norte- Sul, com altitude de voo de 300 m. Com essa altitude, geometria da câmara e ângulo de depressão, o tamanho do pixel no terreno varia de 8 cm a 24 cm. 1976

4 Figura 3 - Planejamento do voo A Figura 4 mostra uma das fotografias obtidas. Figura 4 - Fotografia oblíqua do município de Itaquitinga-PE. 4.2 Retificação das quadras A topografia da cidade é ondulada, apresentando variações de altitude de até 50 m, portanto cada parte da fotografia tem o inevitável deslocamento devido ao relevo que só pode ser devidamente corrigido usando os procedimentos fotogramétricos adequados de restituição ou ortorretificação. Estes procedimentos também estão sendo executados neste projeto e serão utilizados em futuro próximo para comparação com os resultados das retificações com a simples transformação projetiva empregada nesta fase. O modelo matemático da transformação projetiva é dado por: 1977

5 (7) em que: x, y são as coordenadas na imagem com vista em perspectiva, ou imagem original x, y são as coordenadas da imagem retificada a,b,c,d,e,f e g são os parâmetros da transformação projetiva A partir do conjunto de fotografias obtidas, foram selecionadas as quadras a serem recortadas e processadas. Optou-se por aquelas situadas mais próximas do centro, de modo que tivessem menor distorção projetiva e melhor resolução geométrica. Os recortes de quadras foram feitos através do software livre Gimp. A Figura 5 ilustra uma quadra recortada. Os recortes foram feitos de modo que fosse possível pegar pontos de controle (pontos x, y da Equação 7) um pouco fora da quadra a fim de haver sopreposição e manter continuidade entre elas na hora de montar o mosaico. Figura 5 - Exemplo de recorte de uma quadra. Para a aplicação da Equação 7, são necessários pelo menos quatro pontos de controle comuns à imagem bruta e ao sistema de referência desejado. Para a obtenção do segundo conjunto de pontos de controle foi utilizada uma fotografia georreferenciada na escala de 1:15.000, cedida pelo 1º/6º GAV, unidade da FAB sediada em Recife. Como a área urbana encontra-se próxima do centro da fotografia, as distorções devido ao deslocamento do relevo puderam ser consideradas pequenas e desprezadas neste projeto. O sistema geodésico de referência é o WGS84 e a projeção é UTM. Os dois conjuntos de pontos e o recorte da quadra foram processados utilizando-se um aplicativo desenvolvido em Matlab. O primeiro conjunto de pontos foi registrado diretamente com programa desenvolvido em Matlab e, em seguida, foram informadas as coordenadas UTM coletadas na fotografia georreferenciada. Com as coordenadas dos pontos nos dois sistemas, os parâmetros da transformação são obtidos e aplicados à imagem original, obtendose a imagem está retificada. Após a transformação, a perspectiva cônica é corrigida e a imagem resultante passa a ter uma escala uniforme ao longo dos eixos E e N, com geometria equivalente à perspectiva cavaleira. 1978

6 As quadras retificadas foram ajustadas em escala adequada para impressão em folha tamanho A4 e usadas individualmente para apoiarem a elaboração de plantas de quadras para apoio ao cadastro de imóveis da cidade. 4.3 Montagem do mosaico A montagem do mosaico de imagens digitais foi realizada a partir das quadras, georreferenciadas com o software livre gvsig v A partir das quadras georreferenciadas, foi possível se criar uma estrutura vetorial no formato shapefile, utilizando o software livre QuantumGis. Para a criação do mosaico também foi utilizado inicialmente o gvsig. Porém o mesmo apresentou problemas de desempenho de velocidade e memória, à medida em que mais quadras iam sendo adicionadas e a solução foi usar o programa ArcGIS. O mosaico final é mostrado na Figura 6. Figura 6 - Mosaico final da área urbana do município de Itaquitinga-PE 5. Resultados e discussão As fotografias oblíquas apresentaram uma variação de resolução no terreno de 8 a 24 cm. Após os processos de retificação e unificação em mosaico, são reamostradas para um tamanho uniforme de 20cm, apresentando, no entanto, variações na nitidez. Com a escolha adequada da melhor imagem da quadra para recortar e retificar, podem ser visualizados com bastante nitidez os detalhes das fachadas das casas que estão com frente para o centro de exposição (CE) da câmara (Figura 7a), no entanto as casas viradas para o outro lado tem identificação difícil. Após a retificação e reamostragem, dependendo da posição da quadra, na fotografia, e da topografia a qualidade visual pode ser bastante reduzida, como mostra a Figura 7b. 1979

7 Figura 7 - Visualização com detalhes. a) boa qualidade b) qualidade precária Apesar das distorções e variação da qualidade visual, o mapa geral permite uma visualização atualizada de toda área urbana da cidade. As quadras impressas individualmente em formulários tamanho A4 facilitam bastante o trabalho de campo para cadastro dos imóveis e medições complementares com trenas. Alguns problemas registrados com os dados adquiridos, percebidos durante o processamento, e que podem ser evitados em trabalhos similares foram os seguintes: As faixas de voo não ficaram perfeitamente paralelas, devido à falta de experiência do piloto. Esta condição pode ser conseguida com a adoção de pontos auxiliares para orientação das faixas e receptor GPS adequado à navegação aérea. Calibração do suporte da câmara, de modo que o eixo x do sistema fotogramétrico fique perfeitamente paralelo à linha de vôo e o ângulo de depressão seja facilmente ajustado. A geração do mapa completo não havia sido prevista antes do voo e o sentido de tomada das fotografias foi do Norte para Sul, sendo que por questões ótimas de visualização deste tipo de mapa, o melhor sentido é sudoeste- nordeste. Isto para que o mapa, ao ser observado pelo usuário, mostre as fachadas que serão vistas no sentido transversal da figura, do canto direito inferior direito para o superior esquerdo. Esta visualização é similar à recomendação para mapas sombreados. Para obtenção do conjunto de pontos de apoio, no sistema de referência do mapa final, é preciso que os mesmos sejam de boa e uniforme qualidade geométrica. Quanto ao uso da transformação projetiva e análise dos resíduos nos pontos de controle a média em torno de 3m com máximos de 6m. Os melhores resultados ocorrem quando toda a quadra situa-se aproximadamente em uma mesma superfície plana (horizontal ou inclinada). No caso de quadras com maior extensão, ou aquelas situadas sobre mais de um plano topográfico houve necessidade de processá-las por partes. 6. Conclusões Os mapas oblíquos, ou de perspectiva, construídos a partir de retificações pela transformação projetiva quadra a quadra, podem ser uma alternativa para dotar as prefeituras de pequeno porte de base cartográfica atualizada, que podem ser úteis para apoio a implementação de CTM. As quadras retificadas separadamente podem ajudar no serviços de campo para complementação e preenchimento do BCI (boletim de cadastro imobiliário) e o mapa geral permite uma visualização mais rica que o mapa topográfico convencional. 1980

8 Para a aquisição, processamento e geração de plantas de quadras e mapa geral, alguns cuidados e adaptações tem que ser observados: construção de suporte para a câmera de modo que os ângulos e sentidos dos eixos sejam facilmente ajustados; previsão do sentido de vôo sempre de sudoeste para nordeste; existência de base cartográfica para fornecimento dos pontos necessários às transformações; análise de capacidade e recursos de processamento das imagens digitais, georreferenciamento e geração de mosaicos totalmente com softwares livres. Agradecimentos Os autores agradecem ao MEC/SESU pelo apoio financeiro através do Proext-2011, ao Ministério das Cidades e à Prefeitura de Itaquitinga, pelo apoio à realização deste trabalho. Referências Bibliográficas Grenzdörffer, G. J.; Guretzki, M.; Friedlander, I. Photogrammetric image acquisition and image analysis of oblique imagery - a new challenge for the digital airborne system Pfiff. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing- ISPRS Hannover Workshop, Disponível em: Acesso em outubro de Habbecke, M.; Kobbelt, L. Automatic Registration of Oblique Aerial Images with Cadastral Maps. ECCV Workshop on Reconstruction and Modeling of Large Scale 3D Virtual Environments, Disponível em: Acesso em outubro de Hofstee, P. Chapter 19 - Updating a land use map with oblique air photos. In: ILWIS 2. 1 for Windows Applications Guide. ILWIS Department, International Institute for Aerospace Survey & Earth Sciences: Enschede, Holanda. p Disponível em Acesso em 30/10/2012. Karbo N.; Schroth, R. Oblique Aerial Photography: A Status Review In: Fritsch, D. [Ed.]: Photogrammetric Week `09: pp Institut fur Photogrammetrie- IFP, Disponível em: Acesso em outubro de Lemmens, M; Lemmen C; Wubbe, M. Pictometry : Potentials for Land Administration. FIG-International Federation of Surveyors. Article of the month Disponível em: Acesso em 20/10/2012. Rau, J. Y; Chu, C. Y. Photo-Realistic 3D Mappin from Aerial Oblique Imagery. In: International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXVIII ISPRS Congress. Part 1. CDROM Silva, D. C., Candeias, Ana Lúcia Bezerra, Costa, Glauber C. Aquisição de Imagens Aéreas de Alta Resolução e Baixo Custo em Marés Baixas para Pesquisas Oceanográficas. Revue Française de Photogrammét rie et de Télédét ect ion., v , p.46-52, 2012 Wolf, P.R. Elements of Photogrammetry. McGrawHill College Zebedin, lukas ; Klaus, A ; Gruber5-Geymayer, B ; Karner, K. Towards 3D Map Generation from Digital Aerial Images. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. v. 60. p