Controle de qualidade de produto cartográfico aplicado a imagem de alta resolução

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1 Controle de qualdade de produto cartográfco aplcado a magem de alta resolução Nathála de Alcântara Rodrgues Alves¹ Mara Emanuella Frmno Barbosa¹ Sydney de Olvera Das¹ ¹ Insttuto Federal de Educação Cênca e Tecnologa da Paraíba - IFPB/Campus - João Pessoa Av. 1º de Mao, 70, Jaguarbe, João Pessoa - PB - CEP: nadealcantara@gmal.com maraemanuellaf@gmal.com sydney.das@fpb.edu.br Abstract The use of hgh-resoluton mages n varous actvtes s a realty ever more present today. Alled to ths there s a tendency n even greater use of these geotechnology. However stll there s no document n the country to regulate or establsh gudelnes for the use of mages n procedure that nvolves measurements, etc.. In ths context, the am of ths work s to develop a methodology to establsh some parameters for qualty control of georeferenced mages. The mathematcal model used for georeferencng mage was the polynomal 1st order, wth method of resamplng of the nearest neghbor and relablty test data was made based on Decree Law beng used statstcal tests to assess the exstence of nclnaton and also precson. The results obtaned allow us to classfy the fnal product as Class A, takng nto account a 1:5000 scale, demonstratng the great potental of usng hgh-resoluton mages n actvtes that nvolve the determnaton of coordnates, calculaton of areas, permeters, etc. Palavras-chave: Imagens de alta resolução, controle de qualdade, georreferencamento. 1. Introdução O grande avanço tecnológco na área de Sensoramento Remoto possbltou o desenvolvmento de sstemas orbtas de alta resolução espacal, facltando a dentfcação de alvos na superfíce terrestre. Apesar da alta resolução espacal as magens estão suscetíves a dstorções provenentes de dferentes fontes, tas como a atmosfera, erros aleatóros de pxels, erros sstemátcos, dentre outros. De acordo com Merchant (198), a avalação da qualdade posconal de produtos cartográfcos pode ser realzada em duas fases dstntas. A prmera consste em um teste estatístco, baseado na dstrbução t student, para verfcar a exstênca de tendênca, relaconado, por exemplo, com a exstênca de erros sstemátcos nas meddas. A segunda fase é realzada com a dstrbução estatístca do Qu-quadrado para verfcar a precsão das nformações obtdas. Segundo Galo e Camargo (1994), a exstênca de tendênca em alguma dreção ndca a ocorrênca de problemas (cujas causas podem ser das mas varadas), mas uma vez conhecda, o seu efeto pode ser mnmzado pela subtração ou adção de seu valor a cada coordenada lda na carta A análse de precsão consste em uma comparação entre o desvo padrão das dscrepâncas com o erro padrão esperado (EP), para a classe na qual se deseja testar, segundo as normas de Padrão de Exatdão Cartográfca PEC. Em terrtóro naconal, o ndcador para trabalhar com controle de precsão cartográfca é o PEC - um ndcador estatístco de dspersão, relatvo a 90% de probabldade. A probabldade de 90% corresponde a 1,6449 vezes o Erro Padrão (EP, equvalente ao desvo padrão). Nesse contexto, quando se trabalha com a Norma Técnca da Cartografa Naconal é possível observar a defnção do desvo padrão para uma determnada escala, o que possblta a utlzação (alternatva) do desvo padrão populaconal da classe da carta ao nvés de se utlzar o desvo padrão da amostra (NOGUEIRA, 003). Nas cêncas de mapeamento a posção de uma entdade do mundo real é descrta por valores em um sstema de coordenadas aproprado e a exatdão posconal representa a proxmdade desse valor para a posção verdadera da entdade naquele sstema (DRUMMOND, 1997 apud NOGUEIRA, 003). 1330

2 Levando-se em consderação o que fo exposto, o objetvo do presente trabalho é estabelecer procedmento metodológco para avalar a qualdade posconal de uma magem do sensor CCD do satélte Quckbrd submetda a um procedmento de correção geométrca utlzando modelo polnomal de 1ª ordem. Conforme será apresentado o processo para avalação da qualdade posconal está fundamentado na análse de tendênca e precsão.. Materal e Metodologa de Trabalho Para o desenvolvmento deste trabalho utlzou-se uma magem Quckbrd (GSD ~ 60cm), um par de receptores GNSS Topcon Hper Lte +, um computador pessoal, softwares para processamento de dados GNSS, plataforma ERDAS011, além do Matlab, onde foram mplementadas as rotnas computaconas para o controle de qualdade cartográfca..1 Pré-processamento, fotonterpretação e seleção de pontos A partr da dsponblzação das magens de alta resolução pela Prefetura Muncpal de João Pessoa (PMJP) optou-se em defnr a área de estudo, que corresponde a uma porção da praa do Cabo Branco, praa do Sexas, com o ponto extremo das Amércas, e adjacêncas. As magens Quckbrd fornecdas pela PMJP são datadas de 008 e dvddas em dos arquvos que abrangem toda área do muncípo. Nesse caso tornou-se necessáro realzar um recorte em um dos arquvos, gerando o arquvo que fo utlzado para as etapas seguntes. A etapa segunte fo dentfcar e escolher pontos a serem utlzados para o georreferencamento e também para o controle de qualdade. Em geral buscaram-se pontos bem dstrbuídos ao longo de toda a magem, localzados no nível do terreno, e de fácl dentfcação na magem e também de fácl acesso no campo. Anda assm foram encontrados alguns obstáculos para se obter uma maor abundânca e melhor geometra de dstrbução. Sobre um total de mas de 50 pontos levantados, apenas uma parte fo seleconada e dvdda entre pontos de controle e pontos de verfcação (Fgura 1). Fgura 1 - Localzação da área de estudo e pontos utlzados no expermento. 1331

3 . Levantamento GNSS/RTK Em se tratando de coordenadas de pontos a serem utlzados em processos de correção geométrca de magens um dos prncpas elementos a serem consderados é a precsão posconal dessas coordenadas. De acordo com Merchant (198), em procedmentos que envolvem análses de exatdões de determnado produto cartográfco comparando-se as coordenadas do referdo produto cartográfco com as respectvas coordenadas de referênca - por recomendação, tas pontos de referênca devem possur precsão três vezes melhor que a precsão das coordenadas avaladas. Levando-se em consderação que a magem Quckbrd utlzada na presente pesqusa possu GSD de, aproxmadamente, 60 cm, optou-se em utlzar receptores GNSS (Global Navgaton Satellte Systems) equpados com sstema de rádo que possbltam a realzação de levantamento de precsão e em tempo real (RTK). Uma das grandes vantagens da utlzação desse método de posconamento é a não necessdade de processamento posteror ao levantamento, agldade devdo ao curto ntervalo de tempo necessáro para ocupação dos pontos levantados além, é claro, da precsão alcançada (centmétrca)..3 Correção Geométrca O processo de correção geométrca ou smplesmente (georreferencamento) da magem utlzada fo realzado utlzando-se a plataforma ERDAS Image 011. O modelo matemátco escolhdo fo o polnômo de 1ª ordem, utlzado para estabelecer a relação matemátca entre coordenadas de magem e suas respectvas coordenadas de terreno e o método de reamostragem utlzado fo o vznho mas próxmo. Algumas das prncpas vantagens na utlzação de polnômos de 1ª ordem para correção geométrca de magens é a smplcdade do modelo matemátco, o número pequeno de pontos necessáros para solução bem como a questão de não requerer nenhum conhecmento a pror dos parâmetros orbtas e do sensor. Cabe lembrar a necessdade durante o processo de correção geométrca de estabelecer crtéros para controle do ajustamento. Em geral, utlza-se erro quadrátco médo (EQM) em operações de georreferencamento lmtando seu valor ao valor de um pxel, compatível com a resolução espacal da magem ou com valor dentro do erro tolerável para uma determnada escala de mapeamento. È mportante consderar, caso haja necessdade, a propagação de erros a pror, que são os erros dentfcados no processo de geração da magem georreferencada. Nesse trabalho foram consderados apenas a própra resolução da magem (60cm) e também a precsão das coordenadas dos pontos levantados em campo (< 10cm), maores detalhes consultar Celestno (007)..4 Controle de qualdade e análse estatístca O processo para avalação da qualdade posconal para o controle de qualdade de produto cartográfco aqu estudado fo efetuado em duas etapas: a análse de tendênca e teste de precsão, com base no PEC (Tabela 1). Tabela 1 - Padrão de exatdão cartográfca - PEC (Fonte: Brasl. Decreto nº , de 0 de Junho de 1984) Classe da Carta PLANIMETRIA ALTIMETRIA PEC EP PEC EP A 0,5 mm na escala da 0,3 mm na escala 1/ 1/3 carta da carta B 0,8 mm na escala da 0,5 mm na escala 3/5 /5 C carta 1 mm na escala da carta da carta 0,6 mm na escala da carta 3/4 1/ 133

4 Segundo Galo e Camargo (1994) a exatdão de uma determnada carta é baseada na análse estatístca das dscrepâncas entre as coordenadas observadas na carta ( ) e as referdas coordenadas de referênca ( r ), calculadas para cada ponto e dadas por: r = (1) A méda, bem como o desvo padrão das dscrepâncas amostras devem ser estmadas por: n 1 µ =. () n = 1 1 n σ =. ( ) (3) n 1 = 1 Onde: n é o tamanho da amostra As hpóteses formuladas para o teste de tendênca são apresentadas da segunte forma: H 0 : µ = 0, contra H 1 : µ 0 A estatístca do teste t de Student é dada por: t µ =. σ n Que tem dstrbução t de Student com n-1 graus de lberdade (g.l.). Se o valor da estatístca do teste encontrar-se na regão de acetação ou de rejeção da hpótese nula, acetase ou rejeta-se Ho, respectvamente. A regão de acetação da hpótese nula, Ho, tem a forma: t (5) < t( n 1, α / ) Uma vez que os valores apresentados para a estatístca amostral t estejam fora da regão de acetação, rejeta-se a hpótese nula, ou seja, a carta não pode ser consderada com dscrepâncas de méda nula, para um determnado nível de confança. Caso contráro, acetase a hpótese nula, ou seja, a carta pode ser consderada com méda nula (lvre de tendênca) a um determnado nível de confança. Conforme descrto por Das (011), a utlzação do teste estatístco baseado na dstrbução t student é ndcado quando o desvo padrão populaconal é desconhecdo, no entanto, a partr do momento que exste documento que estabelece normas reguladoras para tal fnaldade torna-se mportante consderar a utlzação desse documento. Levando em consderação o que fo exposto, o teste estatístco para avalar a exstênca de tendênca, pode ser baseado na dstrbução normal, ou seja: µ z = α. n A regão de acetação da hpótese nula é dada por: z < (7) z α / Logo, se o valore obtdo para a estatístca amostral z estver fora do ntervalo de acetação, rejeta-se a hpótese nula e a carta não pode ser consderada lvre de tendêncas nas coordenadas dos pontos testados, para um dado nível de confança. Com objetvo de evdencar o que fo exposto em relação ao teste estatístco de tendênca, optou-se em realzar expermentos para o teste de tendênca consderando-se tanto a utlzação do teste estatístco baseado na dstrbução t student bem como utlzando a dstrbução normal. Para avalar a precsão planmétrca do produto fnal utlzou-se o teste estatístco baseado na dstrbução Qu-quadrada, apresentado com as seguntes hpóteses: (4) (6) 1333

5 H0: σ = σ PEC, contra H 1 : σ > σ PEC É claro que σ PEC corresponde ao desvo padrão esperado para a coordenada, ou seja, o erro padrão estabelecdo segundo a escala e a classe da carta. Nos trabalhos apresentados por Galo e Camargo (1994), Noguera (003) e Galndo (008) consderam que o erro padrão seja fxado não para as coordenadas planmétrcas ( e Y) soladas, mas sm para a resultante, sendo portanto necessáro a utlzação da segunte formulação: EP σ = (8) A etapa segunte consste no cálculo da estatístca do teste Qu-quadrado, utlzado para testar a hpótese nula. Essa estatístca é dada por: σ χ = ( n 1). (9) σ PEC Então, se o valor obtdo está na regão de acetação da hpótese nula, aceta-se a hpótese. Essa regão é dada por: χ < χ( n 1, α ) (10) Caso a condção anteror não seja atendda, rejeta-se a hpótese nula, ou seja, o produto cartográfco não atende à precsão estabelecda para a estatístca com n-1 graus de lberdade a um ntervalo de confança 1-α. Segundo Nero (005) apesar do Decreto Le de 0 de junho de 1984, não especfcar que o controle estatístco seja realzado para cada coordenada solada ( e Y) ou com a composção das duas, o tratamento para os testes estatístcos de varáves undmensonas está em concordânca com a norma, que preconza o PEC=1,6449*EP, confrmando que 90% dos pontos avalados não devem apresentar erro superor a esse lmte. Anda nesse contexto, caso fosse utlzado a componente planmétrca, a análse sera efetuada em relação a uma varável bdmensonal (erro crcular) e o valor de comparação devera ser PEC=,146*EP concdente com o CMAS da norma Amercana que corresponde a 90% do volume abaxo da superfíce que representa a probabldade bsmensonal. Logo, optou-se em realzar o teste de precsão utlzando as componentes soladas, maores detalhes em Nero (005). De acordo com Gemael (1994), os erros apresentam comportamento smlar ao de uma dstrbução normal, caracterzada por uma curva de GAUSS, conforme pode-se verfcar na Fgura. A partr dessa fgura é possível observar os dversos ntervalos de probabldade em torno da méda, nclusve o ntervalo correspondente a 90% de probabldade, que equvale a 1,6449 do EP, ou desvo padrão. Fgura Representação gráfca da função de dstrbução normal undmensonal. (Fonte NERO, 005) 1334

6 De acordo com Nero (005), caso qusesse utlzar a segunda nterpretação, a análse sera de uma varável bdmensonal (erro crcular) e o valor de comparação devera ser PEC=,146*EP (concdente com o CMAS da norma Amercana), que corresponde a 90% (volume abaxo da superfíce que representa a probabldade bdmensonal). O autor comenta anda sobre a necessdade de dexar claro ao usuáro que a análse deve ser efetuada de modo solado para cada coordenada planmétrca. Nesse contexto a Equação 8 fca reduzda a: σ = EP (11) 3. Resultados e Dscussão A partr do levantamento de campo, onde se utlzou o receptor GNSS com a técnca RTK, gerou-se uma planlha de todos os pontos com suas coordenadas UTM e suas respectvas precsões. Por se tratar de uma área relatvamente plana e também consderando uma dstânca de lnha de base bastante curta, a grande maora dos pontos levantados apresentaram precsões entre 8 e 5 mm. Esse resultado de precsão dos pontos de controle evdenca que o método RTK pode ser muto útl não só para levantamento de pontos para georreferencamento de magens de alta resolução como para outros levantamentos onde o tempo e a precsão devem ser consderados. A partr da lsta de todos os pontos levantados, a etapa segunte fo seleconar os pontos a serem utlzados no processo de correção geométrca bem como os que seram utlzados no processo de verfcação. A Tabela apresenta os resultados referentes aos resíduos das magens, onde é possível verfcar que tomando-se como referênca as precsões admtdas para as meddas verfca-se que o desvo padrão para as meddas encontra-se dentro do esperado. Tabela Resultado das dscrepâncas planmétrcas. pontos Vx(pxel) Vy(pxel) 1 0,81-0,7 0,19 0,63 3-0,97-0,95 4 0,47 0,85 5-0,34 0,69 6-0,46-0,18 7 0,68-0,54 8 0,4 0,19 9-0,79 0 µ 0,001-0,01 σ 0,656 0,647 A Tabela 3 apresenta os resultados referentes às dscrepâncas planmétrcas dos pontos de verfcação. Conforme pode-se observar, em geral, os valores obtdos demonstram o grande potencal de utlzação desse tpo de magem nas mas dversas atvdades que envolvem mapeamento. Tabela 3 Resultado das dscrepâncas planmétrcas. COORD. DE REFERÊNCIA COORD. IMAGEM DISCREPÂNCIAS NOME Norte (m) Este (m) Norte (m) Este (m) Delta N (m) Delta E (m) P , , , ,31 0,316-1,08 P , , , ,56 0,038 0,486 P , , , ,85-0,747 0,605 P9_ , , , ,67-0,48 0,

7 P9_ , , , ,45 0,74-0,418 P , , , ,87-0,475 1,531 P , , ,67 0,083-1,6 P4_ , , ,74-0,63 0,717 P , , , ,41 1,136,505 P , , , ,96-0,13 0,737 P , , , 3011,73-0,87-0,36 P16_ , , , ,83-0,864-1,03 P16_ , , , ,73-0,641-0,148 P , , , ,9 -,407 1,801 P , , , ,44 0,671 0,875 P17_ , , , ,35-0,486-0,113 P , , , ,51 0,989 0,557 P , , , ,3-0,051-0,7 P14_a 90796, , ,73-0,365-0,08 P , , , ,45-0,183 0,46 Méda -0,0 0,57 desvo padrão 0,815 0,995 RMSE 0,794 0,969 A partr dos resultados das dscrepâncas planmétrcas (Fgura 3) obteve-se os valores para a méda, desvo padrão e RMSE (root mean square error), apresentados na Tabela 3, onde é possível verfcar que os valores foram bastante satsfatóros. No entanto, com o objetvo de efetuar o controle de qualdade, procedeu-se então aos testes estatístcos que resultou nos valores apresentados na Tabela 4 (a e b). Fgura 3 Representação gráfca da dscrepânca planmétrca dos pontos de verfcação. 1336

8 Tabela 4 Resultado do teste estatístco de tendênca e precsão, (a) Escala 1:5000 e (b) Escala 1:000 Conforme pode-se observar, o teste estatístco baseado na dstrbução normal não constatou tendênca em nenhuma das componentes, consderando-se a escala 1:5000. Já com relação ao teste para a escala 1:000 fca evdencado a exstênca de tendênca na componente N. O teste de precsão (Qu-Quadrado) permtu enquadrar os resultados como sendo compatíves a um mapa planmétrco Classe A para a escala 1:5000 e classe B para a escala 1: Conclusões O expermento realzado com a magem Quckbrd permtu observar que é possível obter uma boa precsão em coordenadas de pontos extraídos a partr da magem georreferencada com um número pequeno de pontos de controle. A área de estudo seleconada possu uma parte baxa e plana próxma ao mar e uma outra área plana e mas elevada (Falésas) e anda assm, os resultados referentes ao controle de qualdade utlzando o modelo de 1º grau permtram enquadrar como pertencente à Classe A no PEC para uma escala 1:5000. Agradecmentos Os autores agradecem à Prefetura Muncpal de João Pessoa-PB por dsponblzar as magens Quckbrd do ano de 008 e ao PIBIT/CNPQ pelo apoo através do Projeto de Montoramento Geodésco da Lnha de Costa da Praa do Sexas. Referêncas Bblográfcas BRASIL. Decreto nº , de 0 de junho de Dspõe sobre as nstruções reguladoras das normas técncas da cartografa naconal. Dáro Ofcal da Repúblca Federatva do Brasl, Brasíla, de junho de GALINDO, J. R. F. Análse da reconstrução 3D a partr de um par estereoscópco HR-CCD/CBERS- usando dos modelos matemátcos. Dssertação (Mestrado em Cêncas Cartográfcas) - Unversdade Estadual Paulsta, Faculdade de Cêncas e Tecnologa, Presdente Prudente, 008. GALO, M.; CAMARGO, P. O. Utlzação do GPS no controle de qualdade de cartas. In: Congresso Braslero de Cadastro Técnco Multfnaltáro COBRAC, 1994, Floranópols. Anas... Floranópols SC, 1994, p GEMAEL, C. Introdução ao ajustamento de observações. UFPR. Curtba p. NERO, M. A. Propostas para o controle de qualdade de bases cartográfcas com ênfase na componente posconal. TESE (Doutorado em Engenhara) - Escola Poltécnca da Unversdade de São Paulo, São Paulo, 005, 186p. NOGUEIRA J. R., J. B. Controle de qualdade de produtos cartográfcos: uma proposta metodológca. Dssertação de mestrado, Unversdade Estadual Paulsta, Faculdades de Cênca e Tecnologa de Presdente Prudente/SP, p. 1337