USO DE VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO (VANT) PARA GERAÇÃO DE PRODUTOS FOTOGRAMÉTRICOS APLICADOS À GESTÃO DE OBRAS

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1 1º Simpósio Brasileiro de Tecnologia da Informação e Comunicação na Construção 10º Simpósio Brasileiro de Gestão e Economia da Construção 8 a 10 de novembro de Fortaleza - Ceará - Brasil USO DE VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO (VANT) PARA GERAÇÃO DE PRODUTOS FOTOGRAMÉTRICOS APLICADOS À GESTÃO DE OBRAS BARBOSA, Amanda (1); COSTA, Dayana (2); MELO, Roseneia (3); ÁLVARES, Juliana (4); MENDES, Carolina (5) (1) Graduanda em Engenharia Civil, UFBA, (2) Doutora em Engenharia Civil, Professora Adjunta, UFBA, (3) Doutoranda em Engenharia Civil, UFBA, (4) Mestranda em Engenharia Civil, UFBA, (5) Graduanda em Engenharia Civil, UFBA, RESUMO Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) têm se destacado por seu grande potencial de aplicabilidade na construção civil. Esta tecnologia aliada à fotogrametria digital é capaz de fornecer produtos com informações relevantes para aplicações relacionadas à gestão de obras, desde que para isso as fotografias sejam coletadas de forma efetiva. Contudo, observa-se que existem poucas pesquisas que exploram o planejamento de voos voltados para tais aplicações, o que corrobora para a importância desse estudo. O objetivo geral desse artigo é avaliar o uso de planos de voo para a aquisição de imagens com VANT em ambientes de construção, visando a geração de produtos fotogramétricos destinados a aplicações em gestão de obras. Foram realizados testes em campo para simular projetos com características distintas que exigiriam técnicas específicas para a aquisição de imagens. Para tal, foi realizado um teste visando simular uma região de canteiro com distribuição horizontal, e outro para edificação vertical. A partir dos parâmetros técnicos definidos foram realizados voos para coleta de imagens, e estas processadas no software Pix4D para obtenção de modelos geométricos (3D) e ortomosaicos. O estudo resultou em uma avaliação dos planos de voo com base na análise de dois aspectos: (a) o potencial de tais planos em tornar a aquisição de fotografias mais efetiva, e (b) a contribuição dos mesmos para geração de produtos fotogramétricos com boa qualidade visual. Como contribuição principal tem-se a consolidação da importância de se definir parâmetros que tornem a aquisição de ativos visuais com o VANT mais eficiente, permitindo a geração de produtos fotogramétricos de boa qualidade visual destinados a aplicações em atividades relacionadas à construção civil, tais como logística de canteiros e segurança. Palavras-chave: Veículo Aéreo Não Tripulado, Plano de voo, Gestão de obras, Fotogrametria. ABSTRACT Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has been excelled for its great potential when implemented on building construction. This technology allied to digital photogrammetry is able to produce artifacts with significant information related to construction management, as long as the visual assets are collected in the correct way. However, it is observed that there are few researches exploring the formulation of flight plans intended for such applications, contributing for the relevance of this paper. This research aims to evaluate the use of flight plans for the acquisition of image data with UAV in construction environments, in order to generate photogrammetric products for applications in construction management. Field tests were conducted to simulate projects with different aspects that would require specific techniques for image acquisition. To accomplish that, field tests were performed to simulate a construction field with horizontal distribution and a building. Thus, based on pre-defined technical parameters, flights were performed to gather images that were afterwards processed on the software Pix4D to obtain geometrical models (3D) and orthomosaics. The study resulted in the evaluation of the flight plans based in the analysis of two aspects: (a) the potential of the flight plans on making the image collection stage more effective, and (b) their contribution for the achievement of photogrammetry products with good visual quality. As a principal contribution, there is the 116

2 establishment of the importance of settling parameters for the generation of photogrammetry products applied to building construction activities such as logistics and safety. Keywords: Unmanned Aerial Vehicle, flight planning, construction management, photogrammetry. 1 INTRODUÇÃO O uso da tecnologia de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) na construção civil, apesar de ser uma prática recente, já tem mostrado alguns benefícios e potencialidades. Na área de gerenciamento de obras, em particular, o uso dessa tecnologia como uma ferramenta de apoio às atividades de inspeção e monitoramento das condições de segurança pode possibilitar maior eficiência a tais processos (MELO, 2016). De acordo com a ANAC (2017), Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) significa toda aeronave não tripulada com finalidade diversa a de recreação. Este órgão regulamenta e estabelece critérios para as operações com Aeronaves Remotamente Pilotadas no Brasil, sendo tais critérios definidos com base no propósito da operação e da classificação destas aeronaves de acordo com o seu Peso Máximo de Decolagem. A vantagem de se utilizar o VANT para fins de monitoramento de canteiros e construções, mais especificamente os VANTs de menor porte, está no seu peso e tamanho reduzidos, que permitem o acesso a diferentes pontos do canteiro sem grandes interferências às atividades em ocorrência no espaço. Siebert e Teizer (2014) consideram que com o GPS, giroscópio e câmeras digitais acoplados ao VANT, melhorou significantemente seu desempenho para diversas aplicações, transformando os VANTs em uma tecnologia de sensoriamento remoto de alta mobilidade. Por meio da fotogrametria digital, as fotografias coletadas podem ser processadas com uso de ferramentas computacionais específicas para produção de modelos geométricos (3D), ortomosaicos 1, Modelos Digitais de Terreno (MDT), Modelos Digitais de Superfície (MDS), dentre outras possibilidades. Os modelos geométricos tridimensionais e os ortomosaicos são alguns dos produtos fotogramétricos mais utilizados pelos domínios da arquitetura e construção civil, devido à possibilidade de realizar medição de área e volume, levantamento topográfico, visualização tridimensional, geração de modelos as-built e visualização de progresso (NEX; REMONDINO, 2013; SIEBERT; TEIZER, 2014). No âmbito da construção civil, alguns estudos já foram desenvolvidos utilizando o VANT para obter imagens aéreas de canteiros e construções com a finalidade de gerar produtos fotogramétricos para posterior análise. Unger et al. (2014) relataram mudanças que são possíveis de detectar através do monitoramento com VANT em um conjunto de construções em três épocas distintas, utilizando para isso MDSs e ortofotos. Álvares et al. (2016) realizaram mapeamentos 3D de edificações e canteiros e analisaram a utilidade de tais produtos para atividades gerenciais nas obras, ressaltando seu potencial de uso para análise da logística de canteiro, acompanhamento geral do avanço físico da obra e algumas atividades de medição. Eisenbeiss (2009) afirma que o planejamento de voo antes da aquisição das imagens é essencial para a geração de produtos fotogramétricos, sendo que alguns dos parâmetros que precisam ser determinados são: altura de voo, velocidade do VANT, tempo entre duas capturas, nível sobreposição das imagens, angulação da câmera, dentre outros. Redweik (2007) destaca que a rota a ser seguida pela aeronave depende diretamente da 1 O ortomosaico ou ortofoto é uma fotografia corrigida digitalmente para representar uma projeção ortogonal sem efeitos de perspectiva 117

3 conformação da superfície, sendo que sempre que for possível deve-se delinear rotas retilíneas. Alguns pesquisadores têm desenvolvido algoritmos para criação de planos de voo específicos para cada aplicação. Trujillo et al. (2016) utilizaram a técnica do algoritmo genético para desenvolver um plano de voo que possibilite o VANT realizar capturas de edificações visando mapear toda a região de estudo. Siebert e Teizer (2014) utilizaram um software para definir um plano de voo voltado para o mapeamento de canteiros de obras e monitoramento de atividades de terraplenagem. Os estudos de Trujillo et al. (2016) e Siebert e Teizer (2014) têm em comum o tipo de plataforma utilizada, caracterizada pelo sistema de código aberto 2, além de tratarem especificamente de voos automáticos. Entretanto, existe uma carência de estudos voltados para a elaboração de planos de voo para VANTs com sistema operacional de código fechado, bem como para a elaboração de voos que requeiram funcionalidades manuais, visto que em ambientes de construções nem sempre há possibilidade de realizar voos completamente autônomos. Sendo assim, é necessário haver uma sistematização dos planos de voo para tornar a coleta de imagens mais eficiente, utilizando plataformas comerciais e que possam ser aplicadas em ambientes de obra. Diante do exposto, esse artigo objetiva avaliar o uso de planos de voo para a aquisição de dados de imagens com VANT, por meio de simulação em ambientes que representem canteiros com elementos distribuídos horizontalmente e obras de edificações verticais. Espera-se assim contribuir com a consolidação da importância da definição de parâmetros que tornem a aquisição de ativos visuais mais eficiente, permitindo a coleta de imagens para geração de modelos geométricos (3D) e ortomosaicos de boa qualidade visual que possam ser utilizados em aplicações relacionadas ao gerenciamento das construções. 2 METODOLOGIA Para esse estudo a estratégia de pesquisa adotada consistiu em simulações em campo, sendo desenvolvido de acordo com as seguintes etapas: (a) revisão da literatura, (b) definição dos planos de voo, (c) coletas de imagens com VANT, (d) processamento dos produtos fotogramétricos e (e) análise dos planos de voo e qualidade visual dos produtos gerados Definição dos planos de voo, coleta e processamento dos dados Em busca de abranger diferentes tipos de projetos, optou-se pela classificação dos planos de voo segundo a tipologia dos elementos analisados: estruturas verticais (que inclui edifícios e fachadas em geral) e regiões com elementos distribuídos horizontalmente (como canteiros extensos e com edificações baixas e obras de rodovias, por exemplo). Inicialmente buscou-se a elaboração dos planos de voo com auxílio do aplicativo de controle Pix4Dcapure, que permite a seleção de certos parâmetros de voo tanto para a modalidade autônoma quanto manual de controle do VANT. O Quadro 1 apresenta as etapas e parâmetros definidos para elaboração dos planos de voo. A coleta das imagens foi realizada com o uso de um VANT do tipo quadricoptero, modelo DJI Phantom 3 Advanced, operado através de controle remoto e pelo aplicativo de controle utilizado (Pix4Dcapture). O VANT utilizado possui embarcados uma câmera 2 Em plataformas com código aberto pode-se optar por softwares livres ou desenvolvimento de algoritmos para o planejamento do voo e controle da aeronave, ao contrário da plataforma de código fechado, que limita o acesso a softwares parceiros do fabricante. 118

4 Sony EXMOR ½.3 com resolução de 12,4 megapixels e um sistema de navegação do tipo GPS, possibilitando a captura de imagens georreferenciadas. Quadro 1 Parâmetros considerados nos planos de voo Etapas do plano de voo Itens Variáveis Avaliação da localização da área de estudo Avaliação das condições climáticas Avaliação da tipologia do elemento Definição dos pontos de pouso e decolagem Definição de parâmetros para captura (Pix4Dcapture App) Fonte: Os Autores Cumprimento das exigências definidas pela regulamentação (ANAC, 2017) Interferências físicas Exposição à luminosidade e condições climáticas adversas Definição dos planos de captura Modo de voo Modo de captura de imagem Tipo de produto fotogramétrico Localização dos pontos Quantidade de pontos Sobreposição das imagens Angulação da câmera Distância do VANT ao elemento estudado Velocidade de voo Teste A Simulação de estrutura vertical Proximidades com aeroportos, limite de altitude, proximidade de não anuentes, entre outros. Linhas de energia, postes, árvores, fluxo de pedestres e veículos, e etc. Posicionamento do sol, ventos fortes, chuvas. Limites das áreas de interesse Automático ou manual Automática ou manual Modelos 3D e/ou ortomosaicos Interferências físicas Autonomia da bateria Lateral e longitudinal Fixa ou padrão de alteração Altitude elemento horizontal Proximidade elemento vertical Duração do voo O primeiro teste foi realizado em uma edificação inacabada. Para tal, foi realizado o mapeamento da cobertura, fachada frontal e uma das fachadas laterais, buscando representar os planos principais da edificação. Visto que a edificação possui grandes dimensões, para assegurar todo o recobrimento das superfícies selecionadas optou-se pela realização de um grid simples em cada fachada no modo de voo manual com captura automática (Missão 1 Figura 1(a) e 1(b)) e um grid duplo no modo de voo automático com captura automática para a região da cobertura (Missão 2 Figura 1(c)). Teste B Simulação de estrutura horizontal A segunda simulação foi realizada na praça central de um campus universitário, a fim de representar as características de um canteiro com distribuição horizontal ao longo do terreno. Com uma única missão foi realizado um grid duplo no modo de voo automático com captura automática (Figura 1(d) - em vermelho, pontos onde foram realizadas as capturas). Os dados coletados foram processados em laboratório utilizando o software Pix4Dmapper Pro. O processamento fotogramétrico automático realizado pelo software envolve a correlação entre as imagens inseridas e a busca por pontos homólogos entre elas para geração da nuvem de pontos, possibilitando em sequência a geração de uma malha triangular irregular (malha TIN - Triangulated Irregular Network) e sua texturização para obtenção do modelo 3D e ortomosaico. 119

5 Figura 1 - Representações dos planos de voo dos testes A e B Fonte: Os autores O Quadro 2 apresenta um resumo os principais parâmetros adotados nos planos de voo. Quadro 2 Resumo dos parâmetros dos planos de voo e dados coletados em campo Teste/ Missão Horário de voo Nº de decolagens A/1 06:40 4 A/2 07:20 1 B 11:50 1 Fonte: Os Autores 2.2. Análise dos dados Sobreposição Horizontal:3m Vertical: 4m Lateral:80% Longitudinal: 80% Lateral: 80% Longitudinal: 80% Ângulo câmera Altitude máxima Duração da coleta Nºde fotos 0º a 60º 36 m 45 min º 60 m 10 min 51 80º 50 m 10 min 233 A avaliação dos planos de voo foi realizada com base nos constructos apresentado no Quadro 3. Constructos Efetividade na aquisição de fotografias Qualidade visual dos produtos fotogramétricos Fonte: Os Autores Quadro 3 Constructos e variáveis analisadas 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES (a) (b) (c) (d) Variáveis Cumprimento do planejamento dos planos de voos; Ocorrência de interferências não planejadas aos voos; Tempo médio para a coleta das imagens com o VANT. Ausência de inconsistências visuais (oclusões, ruídos, distorções e sombreamentos). Neste item serão apresentados os resultados e discussões referentes à efetividade da aquisição de imagens e à qualidade dos produtos fotogramétricos Efetividade na aquisição de fotografias Teste A- Simulação de estrutura vertical A efetividade de aquisição de fotografias está relacionada à garantia de recobrimento da área de interesse, qualidade das imagens, realização de uma missão segura, sem intercorrências e no menor tempo possível. Na Missão 1 do Teste A foi possível observar que os principais obstáculos presentes na região de interesse consistiam em linhas de energia, árvores e transeuntes. Em função disso e dos planos de captura (fachada frontal e lateral) foram previstos dois pontos de decolagem, facilitando o voo manual e a captura automática das imagens. Entretanto, foram realizadas quatro decolagens nessa missão, devido à necessidade de troca de bateria (cuja autonomia média é de 15 minutos) e problemas técnicos no aplicativo de captura Pix4Dcapture. 120

6 Neste teste, os voos foram realizados no início da manhã visando uma menor interferência da luminosidade e um menor fluxo de pessoas e automóveis. No entanto, durante a Missão 1 foi necessário a mudança de um dos pontos de decolagem devido ao aumento do fluxo de transeuntes. Na Missão 2 do Teste A, foi realizado o mapeamento da cobertura no modo de voo automático com captura automática. Logo, conforme planejado, foi utilizado apenas um ponto de decolagem, não sendo registrada nenhuma ocorrência não prevista. Quanto a eventos que pudessem prejudicar a segurança dos voos e a coleta das imagens, estes não foram observados em nenhuma das missões. Na Missão 1, visto que adotou-se o modo de voo manual, o que requer maior tempo de coleta quando comparado ao modo de voo automático, a duração da missão foi 45 minutos, dos quais 34 minutos foram gastos para coleta das imagens (tempo de voos) e 11 minutos para preparação da missão, troca de bateria e deslocamentos. Enquanto na Missão 2, o mapeamento da cobertura foi realizado no modo de voo automático, com tempo de missão de 10 minutos e de voo em média de 7 minutos, para o levantamento de uma área de 52 x 95 m, não sendo preciso realizar pousos para troca da bateria. Teste B - Simulação de estrutura horizontal Para o Teste B optou-se pela coleta das imagens no modo de voo automático com captura automática, no qual devido à altitude de voo adotada (50 m) e à inexistência de grandes obstáculos da região de estudo, o VANT foi capaz de acessar facilmente os pontos determinados para a captura de imagens. Durante a missão foi necessário apenas um ponto de decolagem, e como sua duração foi de 10 minutos (dos quais 8 minutos foram voltados para realização do voo), o tempo máximo de autonomia de uma bateria não foi excedido. A área total recoberta foi de aproximadamente 84 x 176 m. Comparando os resultados do Teste B com a Missão 2 do Teste A, também automática, observou-se uma similaridade do tempo de voo mesmo possuindo áreas levantadas de diferentes proporções. Tal fato se justifica pela adoção de uma maior velocidade de voo no Teste B. Foi possível perceber também que a realização de voos automáticos implica em um controle maior dos parâmetros e principalmente em um menor tempo de coleta Qualidade visual dos produtos fotogramétricos Para a análise da qualidade visual dos produtos fotogramétricos foi levado em consideração a presença de inconsistências visuais (oclusões, ruídos, distorções e sombreamento) e sua relação com os parâmetros de voos adotados. Teste A- Simulação de estrutura vertical Na Figura 2 são mostrados os produtos fotogramétricos gerados a partir do mapeamento da edificação do Teste A. Figura 2 - Produtos Fotogramétricos do Teste A: (a) Modelo 3D e (b) Ortomosaico da vista superior da edificação (a) Fonte: Os autores (b) 121

7 Nas superfícies mapeadas da edificação do Teste A não foram percebidas inconsistências que prejudicassem a qualidade visual do seu modelo 3D, assim como do ortomosaico da vista superior (Figura 2). Estes resultados podem estar relacionados à captura efetiva das imagens, na qual foram seguidos níveis adequados de sobreposição e angulação da câmera, como previstos no plano de voo, o que proporcionou o recobrimento de toda a área de interesse. Além disso, a realização das missões em horário que favorecesse a iluminação evitou a presença de sombreamentos. Teste B - Simulação de estrutura horizontal Na Figura 3 são mostrados os produtos fotogramétricos gerados referentes ao Teste B. Figura 3 - Produtos Fotogramétricos do Teste B: (a) Modelo 3D e (b) Ortomosaico Fonte: Os autores Os produtos gerados no Teste B apresentaram resultados satisfatórios em termos de qualidade visual, justificados pela realização de voo automático com captura automática das imagens, o qual permite a garantia do cumprimento de importantes parâmetros de voo definidos com antecedência. No entanto, no Modelo 3D (Figura 3(a)), algumas distorções e falhas geradas por oclusões foram observadas nas fachadas das edificações e em elementos fora do limite do grid planejado. Tais inconsistências visuais observadas nestas edificações podem ter sido ocasionadas devido ao posicionamento da câmera em uma angulação elevada (80 ), o que permite uma boa visualização das regiões superiores das estruturas e de elementos planos, porém dificulta a reconstrução de alguns detalhes nas laterais das edificações. Uma possível solução seria a adoção de uma menor angulação da câmera ou ainda a utilização do modo de voo automático com captura manual de imagens para levantamento das áreas pouco recobertas, combinada à missão já realizada. (a) (b) 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Este artigo teve como principal objetivo avaliar o uso de planos de voo como forma de orientar a aquisição de imagens com VANT em ambientes de construção, sendo considerada a importância de tais orientações para uma coleta de dados efetiva e para a obtenção de produtos fotogramétricos com qualidade visual. Com base nos resultados foi possível perceber que a definição prévia dos parâmetros e planejamento das condições de voo garantiu uma coleta efetiva das fotografias, o que possibilitou a geração de produtos com boa qualidade, reduzindo a ocorrência de inconsistências visuais. Foi possível concluir que para obter produtos com boa qualidade, é preciso uma maior atenção principalmente no nível de sobreposição adotado (mínimo de 70% lateral e longitudinal) e na realização dos voos em horários com pouca incidência da luz solar para evitar sombreamentos. Em relação ao modelo 3D sugere-se uma angulação oblíqua da 122

8 câmera em relação à superfície mapeada e se possível a realização de grid duplo, a fim de reduzir oclusões. Quanto ao ortomosaico, recomenda-se uma angulação da câmera perpendicular à superfície, sendo suficiente a adoção de um grid simples. Com base nos resultados, percebeu-se que modelos de boa qualidade visual permite a exportação de nuvens de pontos com uma maior resolução, fornecendo dados mais precisos para a modelagem e parametrização de elementos em plataformas BIM, como o Revit. Em vista disso, como trabalhos futuros pretende-se explorar os produtos fotogramétricos aplicados a atividades relacionadas com a segurança e logística para: comparação entre as-built e as-project, visando avaliar avanço físico e não conformidades das proteções de segurança; uso da nuvem de pontos para planejamento do layout de canteiro por meio da modelagem paramétricas dos elementos; e uso do modelo para estudos de estoques e fluxos físicos, visto a possibilidade de visualização em diferentes perspectivas. Quanto aos ortomosaicos, pretende-se avaliar o uso dos mesmos para análise de conformidade das condições de segurança em canteiro, visto possibilidade de representação de grandes áreas com alto grau de detalhamento, quando comparado a análise individual de imagens. Contudo, os resultados apresentados foram essenciais para o prosseguimento do estudo, visto a dificuldade em garantir produtos fotogramétricos de boa qualidade, que possam ser integrados a outras plataformas, capazes de fornecer informações consistentes para o apoio a tomada de decisão. REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE AVIAÇÃO CIVIL (ANAC). Regulamento Brasileiro da Aviação Civil Especial (RBAC-E nº94). Brasília: ANAC, ÁLVARES, S. J.; COSTA, B. D.; MELO, R. R. S.; BELLO, A. A. Estudo exploratório de mapeamento 3D de canteiros de obras utilizando Veículos Aéreos Não Tripulados. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 16., 2016, São Paulo. Anais... Porto Alegre: ANTAC, EISENBEIß, H. UAV Photogrammetry. Zurich: Institut für Geodäsie und Photogrammetrie - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, MELO, R.R.S. Diretrizes para inspeção de segurança em canteiros de obra por meio de imageamento com Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Salvador, Bahia. NEX, F.; REMONDINO, F. UAV for 3D mapping applications: a review. Appl Geomat, v.6, p. 1-15, REDWEIK, P. Fotogrametria Aérea. Universidade de Lisboa, (Apostila). SIEBERT, S; TEIZER, J. Mobile 3D mapping for surveying earthwork projects using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) system. Automation in Construction, v.41, p. 1-14, TRUJILLO, M. M.; DARRAH, M.; SPERANSKY, K.; DEROOS, B.; WATHEN, M. Optimized flight path for 3D mapping of an area with structures using a multirotor. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS, 2016, Arlington. Proceedings Arlington: p UNGER, J.; REICH, M.; HEIPKE, C. UAV-based photogrammetry: monitoring of a building zone. In: INTERNATIONAL ARCHIVES OF THE PHOTOGRAMMETRY, REMOTE SENSING AND SPATIAL INFORMATION SCIENCES, 40., 2014, Riva del Garda. Proceedings Riva del Garda: p