AUTOMAÇÃO NA EXTRAÇÃO DE OBJETOS CARTOGRÁFICOS A PARTIR DE DADOS DE ALTA RESOLUÇÃO

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1 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 AUTOMAÇÃO NA EXTRAÇÃO DE OBJETOS CARTOGRÁFICOS A PARTIR DE DADOS DE ALTA RESOLUÇÃO ALUIR PORFÍRIO DAL POZ Unversdade Estadual Paulsta - Unesp Faculdade de Cêncas e Tecnologa - FCT Departamento de Cartografa, Presdente Prudente - SP alur@fctunespbr RESUMO - Váras pesqusas em extração de objetos cartográfcos vêm sendo realzadas no Programa de Pós-Graduação em Cêncas Cartográfcas da UNESP - Campus de Presdente Prudente Este artgo sumara as pesqusas desenvolvdas nos últmos 8 anos pelo grupo de pesqusa que coordeno São apresentados os prncípos e exemplos lustratvos de metodologas para a extração automátca e semautomátca de contornos de edfícos e de rodovas a partr de dados de alta-resolução De uma forma geral, as metodologas desenvolvdas para a extração de rodovas baseam-se em magens aéreas e de satélte de alta-resolução e as destnadas para a extração de contornos de edfícos baseam-se em dados LDAR ou na combnação destes dados com magens de alta-resolução ABSTRACT - Dverse researches n cartographc object extracton have been carred out n the Cartographc Scence Graduate Program at UNESP - Campus of Presdente Prudente Researches that have been accomplshed n the last 8 years by the research group under my coordnaton are summarzed n ths paper Prncples and llustratve examples of automated and semautomatc methodologes for road extracton and roof contour extracton are presented In general, our road extracton methodologes are based on hgh-resoluton aeral and satellte mages and our buldng roof contour extracton methodologes are based ether n LDAR data or n the combnaton between LDAR data and hghresoluton mages INTRODUÇÃO O problema de extração de feções em magens dgtas vem sendo alvo de ntensa nvestgação desde a década de 960 Mas recentemente se ntensfcaram também as pesqusas com dados de varredura a laser, fato decorrente do amadurecmento do sstema que ntegra sensor laser com o GPS (Global Postonng System) e o IMU (Inertal Navgaton Unt) Váras pesqusas em extração de objetos cartográfcos vem sendo realzadas, nos últmos 8 anos, no âmbto do grupo que coordeno e que desenvolve atvdades de pesqusa vnculadas ao Programa de Pós-Graduação em Cêncas Cartográfcas (PPGCC) da UNESP, Campus de Presdente Prudente Este trabalho apresenta um panorama das pesqusas desenvolvdas em extração automátca de rodovas e contornos de edfícos a partr de dados LDAR e de magem de alta-resolução, juntamente com exemplos lustratvos relaconados a cada metodologa A Seção 2 apresenta as metodologas desenvolvdas para a extração de rodovas Metodologas específcas para a extração de edfícos são apresentadas na Seção 3 O artgo é fnalzado na Seção 4 com a apresentação de algumas consderações fnas 2 METODOLOGIAS PARA A EXTRAÇÃO DE RODOVIAS Os modelos e estratégas para a extração de rodova dependem em essênca dos seguntes fatores: ) Tpo de cena: rural ou urbana; 2) Resolução da magem: alta-resolução (pxels menores que 0,7 m ou rodovas com largura superor a 7 pxels), méda-resolução (pxels no ntervalo [0,7 m; 2,0 m] ou rodovas com larguras entre 4 pxels e 6 pxels) e baxa-resolução (pxels maores que 2,0 m ou rodovas com larguras entre pxel e 3 pxels); e 3) Uso de dados externos: mapas preexstentes e pontos sementes fornecdos por um operador Nas subseções que seguem são apresentados os prncípos, além de exemplos lustratvos, das prncpas metodologas desenvolvdas para extração de rodovas em magens de alta-resolução 2 Metodologas sem-automátcas As metodologas sem-automátcas são caracterzadas pela nterferênca de um operador que reconhece a rodova de nteresse e que mede sobre ela alguns pontos sementes, necessáros para a ncalzação do processo de extração A tarefa de delneamento geométrco fca a cargo do algortmo computaconal O M Galo; A M G Tommasell

2 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 algortmo de delneamento pode ser seqüencal, caso em A fgura 2 mostra um exemplo de aplcação do que o operador necessta fornecer a posção e a dreção método O delneamento é ncado na parte superor com em um ponto ncal, ou global, quando o operador dos pontos sementes e nterrompdo através de um ponto necessta fornecer pontos sementes dstrbuídos esparsa e semente localzado na borda nferor da magem grosseramente ao longo da rodova 22 Delneador baseado em teste atvo e análse de 2 Metodologas com controle seqüencal bordas Foram desenvolvdas uma metodologa baseada em técncas de correlação e uma outra baseada nos prncípos de teste atvo e análse de bordas ant-paralelas 2 Metodologa baseada em técncas de correlação A ncalzação do delneamento é feta pelo operador que fornece dos pontos sementes num pequeno trecho aproxmadamente reto Após a ncalzação, o método prossegue com o delneamento combnando técncas de extrapolação lnear e correlação entre perfs de tons de cnza extraídos transversalmente à rodova Um outro ponto semente é usado para nformar onde o processo de delneamento deve parar Como mostra a fgura, dos perfs de tons de cnza são utlzados: ) o perfl modelo (lnha pontlhada) representando o perfl médo do leto da rodova até o últmo ponto extraído; e 2) o perfl meddo representando o perfl de rodova extraído no últmo ponto extrapolado O objetvo do processo de correlação é encontrar a melhor correspondênca entre ambos os perfs Fgura - Prncípo do processo de correlação Em Mendes (2005), utlzou-se a função de correlação denomnada erro quadrátco, que tem como característca desejável o fornecmento da posção de melhor correlação com maor exatdão Um refnamento posteror utlzando a correlação pelos mínmos quadrados também fo empregado O método prossegue o delneamento da rodova empregando passos seqüêncas de extrapolação e refnamento, parando quando o fnal da rodova for encontrado Esta metodologa (Dal Poz e Slva, 2002, 2003) tem o mesmo prncípo básco da metodologa descrta na subseção anteror, dferencando-se pelos mecansmos empregados nas etapas de extrapolação e extração de cada ponto do exo de rodova A extrapolação de um ponto do exo de rodova um passo adante é realzada através de uma estratéga conhecda como teste atvo A estratéga de teste atvo pode ser defnda como o processo em que uma magem é explorada seqüencalmente para extrar nformações que possbltem a dentfcação de um ou mas objetos, cujos modelos encontram-se armazenados em uma bbloteca de objetos (por exemplo, rodovas, vadutos, edfícos etc) Em Dal Poz e Slva (2002), o modelo de objeto é o maor segmento retangular de rodova que se ajusta local e geometrcamente à rodova de nteresse na magem A partr de um dado ponto do exo da rodova, o modelo retangular é ajustado geometrcamente à rodova, permtndo a defnção de um novo segmento reto de exo de rodova Na extremdade deste segmento é estabelecda uma seção transversal, ao longo da qual são extraídos, caso exstam, dos pontos de borda de rodova Estes pontos de borda são usados para nterpolar uma posção acurada para o exo de rodova A fgura 3 mostra um resultado obtdo usando uma magem de alta-resolução envolvendo uma área florestal, onde se pode notar a robustez do método na presença de uma rodova geometrcamente rregular Fgura 3 Exemplo de aplcação 22 Metodologas com controle por otmzação Estes métodos dependem da modelagem do exo da rodova através de uma função custo ou de energa Váras soluções baseadas neste conceto foram desenvolvdas, sendo que as soluções específcas para tratar magens de alta-resolução são apresentados a segur, juntamente com os respectvos exemplos lustratvos 22 Programação dnâmca no espaço-magem com njunção de bordas Fgura 2 Exemplo de resultado obtdo pelo método em uma magem de alta-resolução M Galo; A M G Tommasell O algortmo de programação dnâmca é adequado para resolver problemas de otmzação quando a função custo envolvda apresentar poucas varáves nter-

3 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação relaconadas smultaneamente (Ballard e Brown, 982) Como esta metodologa depende de uma aproxmação ncal e grossera da feção lnear (exo de rodova no caso de magens de alta-resolução), é necessáro que um operador forneça alguns pontos sementes ao longo da mesma Este procedmento dá orgem a uma lnha polgonal ncal, a ser refnada teratvamente Dal Poz (2000) desenvolveu uma prmera solução baseada em programação dnâmca, só que era específca para extração de rodovas em magens de baxa resolução Consderando que uma rodova pode ser representada por uma lnha polgonal P= {p,, p n }, onde p = (x, y ) é o - ésmo vértce, demonstra-se que uma função custo com a estrutura da equação e da desgualdade 2 podem ser utlzadas para modelar a entdade rodova n = E E (p, p, p + ) () = C = D < T, =,, n- (2) onde, E é a função custo expressa na forma de uma soma de n- funções E dependendo apenas de três pontos vznhos (p -, p, p + ) da lnha polgonal que representa a rodova; e C permte lmtar o espaço de busca do problema, evtando que vértces cujos ângulos de deflexão (D ) forem maores que um lmar T sejam avalados A função custo dada pela equação pode ser efcentemente otmzada pelo algortmo de programação dnâmca porque depende apenas de três vértces sucessvos da lnha polgonal que descreve a rodova As rodovas resultantes da otmzação da função custo acma (equação ) geralmente são de ótma qualdade quando extraídas de magens de baxaresolução, como as magens SPOT de 0 m de resolução Em se tratando de magens de alta-resolução, apenas pode-se garantr que as lnhas polgonas resultantes pertencerão aos respectvos letos de rolagem das rodovas Em outras palavras, o resultado da otmzação da função custo geralmente não representa bem os exos de rodova Vale (2003) modfcou a equação para nclur uma njunção de bordas de rodova, a fm de forçar a lnha polgonal extraída a concdr com o exo de smetra da respectva rodova Sendo w a largura local da rodova, então um ponto p será um ponto do exo de rodova se o mesmo estver a uma dstânca w /2 de ambas as bordas da rodova Como p e w são desconhecdos, ambos têm que ser tratados como ncógntas no problema Demonstra-se que (Vale, 2003) a função custo para extrar acuradamente exos de rodova em magens de alta-resolução pode ser expressa na forma: n = m t E E (p, p, p, w, w, w ) (3) + + Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 Fgura 4 - Resultados obtdos com uma magem de baxaresolução A fgura 4 mostra um resultado obtdo a partr da aplcação da metodologa acma a uma magem aérea de alta-resolução Pode-se notar que geralmente o exo de rodova fo acuradamente extraído e as obstruções parcas causadas por árvores não nfluencaram sgnfcatvamente os resultados 222 Programação dnâmca no espaço-objeto A extração de rodova no espaço-objeto é um processo que permte a extração dreta de rodovas num sstema de referênca trdmensonal assocado ao espaçoobjeto Isto requer que uma função custo seja formulada no espaço-objeto Se o referencal escolhdo para a extração de rodovas for o que combna as coordenadas UTM (Unverse Transverse Mercator) E e N com a altura ortométrca h, será necessáro que a função custo ncorpore as relações matemátcas entre um ponto em coordenadas E, N e h e seu homólogo no sstema de referênca da magem (L, C) Város parâmetros são necessáros para modelar rgorosamente as relações entre os espaços-magem e objeto, como por exemplo os parâmetros de orentação nteror e exteror e os parâmetros do datum e da projeção UTM O processo de extração de rodovas no espaço objeto pode ser realzado nos modos mono e estéreo No modo mono apenas uma magem aérea ou de satélte é utlzada Prncpalmente no caso de magens aéreas, é necessáro um MDT (Modelo Dgtal do Terreno) para se obter uma solução rgorosa Demonstra-se (Galls, 2006) que a função custo a ser otmzada tem a forma geral da equação 4 A coordenada h fo removda através de uma restrção que força as rodovas a pertencerem a uma superfíce polédrca, estabelecda a partr de um MDT da regão Esta restrção é necessára para possbltar a solução únca para cada rodova As larguras das rodovas nos vértces P -, P e P + são respectvamente W, W, e + - W n E = E (P = (E, N ), P (E, N ), P + (E, N W, W, W ), ) (4) Esta equação mostra que 9 varáves estão nterrelaconadas smultaneamente e, dessa forma, podem também ser efcentemente otmzada pelo algortmo de programação dnâmca M Galo; A M G Tommasell A fgura 5 mostra um exemplo de resultado da aplcação da metodologa de extração para o caso mono, podendo-se notar a boa qualdade dos exos de rodova extraídos

4 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 metodologas podem de uma forma geral ser agrupadas nas que apenas detectam as regões de rodovas, solandoas do fundo, e as que extraem segmentos de rodova ou toda malha vára Esta últma classe pode anda ser subdvdda em métodos que dependem e não dependem de dados externos georreferencados Fgura 5 Exemplo de resultado obtdo com a metodologa de extração de rodova no espaço-objeto caso mono No caso estéreo, o processo de otmzação no espaço objeto pode-se basear em duas ou mas magens aéreas ou de satélte, podendo-se nclusve combnar magens de dferentes sensores Os resultados do processo de otmzação por PD são lnhas polgonas no referencal trdmensonal (E, N, h) do espaço objeto A forma geral da função custo para o caso estéreo é a da equação 5 E T = n T E = (P P + (E (E +, N, N + M Galo; A M G Tommasell, h, h + ), P (E, N, h ), W, W, W ), + A fgura 6 mostra um exemplo de resultado obtdo pela aplcação da metodologa de extração de rodova no espaço-objeto para o caso estéreo O exo de rodova fo extraído no espaço-objeto e projetado em ambas as magens para possbltar a verfcação da qualdade do exo extraído Fgura 6 Exemplo de resultado obtdo com a metodologa de extração de rodova no espaço-objeto caso estéreo Recorte da magem esquerda; e recorte da magem dreta Vale por últmo notar que as funções custo para os casos mono (equação 4) e estéreo (equação 5) possuem respectvamente 9 e 2 varáves de estado nterrelaconadas smultaneamente Entretanto, o número de varáves de estado pode ser reduzdo para 4 e 7, respectvamente, mpondo restrções no espaço de soluções e consderando que apenas uma largura de rodova modela adequadamente cada seção de rodova defnda por 3 pontos sucessvos 22 Metodologas automátcas Váras metodologas foram desenvolvdas para a extração ou a detecção automátca de rodovas Essas ) (5) 22 Detecção de regões de rodova Em Vale (2007) fo proposta uma estratéga totalmente automátca para reduzr a complexdade de padrões (vegetação, edfcações, solos etc) que nteragem com o objeto rodova em magens colordas, vsando conseqüentemente reduzr a dfculdade na extração automátca desse objeto A metodologa gera, em duas etapas báscas, uma magem bnára contendo regões de rodova e fundo Prmeramente, o operador pontual de índce de artfcaldade NandA é aplcado, consstndo em realzar a segunte operação pxel a pxel de soma e subtração entre os canas R, G e B de uma magem RGB: G (R + B) O resultado é uma magem mostrando os objetos artfcas (menores níves de cnza) e naturas (maores níves de cnza), geralmente de forma bem contrastada Esta magem pode então ser lmarzada para gerar uma magem bnára com regões artfcas e naturas separadas Como em áreas ruras as regões artfcas são geralmente compostas por rodovas, as regões de rodova seram faclmente dentfcadas na magem bnára Esta magem é gerada automatcamente através de um processo denomnado lmarzação contextual Na seqüênca, a lmarzação contextual é realzada através de um lmar calculado automatcamente com base em conhecmentos sobre o comportamento de rodovas no espaço-escala As rodovas em magens de alta-resolução manfestam-se como faxas alongadas de pelo menos 7 pxels em escalas fnas, tornando-se cada vez mas estretas, à medda que se avança na dreção de escalas mas grosseras Uma forma smples e efcente de gerar um espaço-escala basea-se na estrutura pramdal de magens, onde na base se tem a magem orgnal e na dreção do topo se têm magens de resoluções menores A últma magem do topo deve possur uma resolução tal que as rodovas tenham largura entre um e dos pxels, sendo esta largura automatcamente fxada em função da largura meda das rodovas na magem orgnal Tendo por base este prncípo, ncalmente a magem NandA é reamostrada numa outra em resolução menor de tal forma que as rodovas tenham no máxmo 2 pxels de espessura Sobre esta magem é aplcado um detector de lnhas, que no presente caso fo o detector de lnhas de Canny modfcado As lnhas detectadas são transformadas para a magem NandA orgnal (base da prâmde) nvertendo-se o processo geométrco utlzado para a geração da grade da magem NandA reamostrada (topo da prâmde) Como as lnhas longas geralmente correspondem a rodovas em magens de cenas ruras, as maores cadeas de pxels de lnha são utlzadas para o cálculo do lmar Assumndose que a dstrbução de freqüênca de ntensdade dos

5 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação pxels das lnhas longas se dá de forma semelhante a dstrbução normal, basta calcular a meda (M) e o desvo-padrão (σ ) das ntensdades para obter uma descrção matemátca do comportamento dos pxels de rodova na magem NandA Esta descrção está relaconada com um pco menor mas à esquerda do hstograma da magem Por estas hpóteses, acma de 99% dos pxels de rodova possuem valores de cnza nferor ao lmar M + 3σ Como a stuação deal assumda não ocorre na realdade, uma vez que outros objetos também podem se manfestar na magem NandA com ntensdades semelhantes, e até mas escuras, outros objetos (como edfcações) são separados junto com o objeto rodova No exemplo da fgura 7 pode ser vsto que a magem bnára (fgura 7) possu na classe objetos artfcas não só rodovas, mas também edfcações e solo nu Apesar dsso, resultados, como o mostrado na fgura 7, facltam bastante o processo de reconhecmento e delneamento de rodovas, vsto que todo processo de análse fca focado nas regões potencas de objetos artfcas Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 Lnhas polgonas canddatas? Exo da rodova Lnha polgonal base Lgação entre segmentos (c) Fgura 8 - Exemplo lustratvo de extração de segmentos de rodova Lnhas polgonas base e canddatas; Extração de quadrláteros; e (c) Segmentos de rodova Fgura 7 Exemplo para o método de determnação de regões de rodova Imagem de entrada; e Imagem bnára 222 Extração automátca de rodovas sem o uso de dados externos 222 Extração de segmentos de rodova va agrupamento herárquco Dal Poz et al (2005) desenvolveram uma metodologa automátca para a extração de segmentos de rodova através de uma estratéga herárquca Prmeramente são extraídas lnhas polgonas com base em váras etapas seqüencas, quas sejam (Jan et al, 995): a detecção e o afnamento de bordas, a geração de lstas ordenadas de pxels de borda e a geração propramente dta de lnhas polgonas Os segmentos de rodova são gerados a partr da combnação de pares de lnhas polgonas Cada par é formado por uma lnha polgonal base ou de referênca e uma lnha polgonal canddata As lnhas polgonas combnadas aos pares são então segmentadas em pequenos quadrláteros e, após, conectados em cadeas Um segmento de rodova é formado por uma seqüênca de quadrláteros justapostos A fgura 8 mostra um exemplo lustratvo, bastante smples, onde se tem uma lnha polgonal base compatível com duas lnhas polgonas canddatas (fgura 8) O processo de extração e agrupamento de quadrláteros é mostrado nas fgura 8 e 8(c), respectvamente Supondo que a lnha polgonal base (fgura 8) é combnada da dreta para a esquerda, dos quadrláteros são gerados pela combnação com a prmera lnha polgonal canddata (fgura 8)) A conexão destes dos quadrláteros gera um prmero segmento de rodova (fgura 8(c)) Notar que um tercero quadrlátero é formado entre os dos quadrláteros resultantes da segmentação do par de lnhas polgonas Os vértces dos quadrláteros permtem a defnção do exo da rodova A combnação da lnha polgonal base com a 2 a canddata (fgura 8) permte gerar um segundo segmento de rodova, consttuída apenas de um quadrlátero (fgura 8(c)) Fgura 9 Exemplo de resultado obtdo pela metodologa de extração de segmentos de rodova M Galo; A M G Tommasell

6 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 A fgura 9 mostra um exemplo de resultado obtdo caso 2D envolvendo uma magem de alta-resolução, pela metodologa de extração de segmentos de rodova, bastara encontrar e analsar as dreções transversas às podendo-se notar na magem os segmentos de lnhas rodovas para extrar pontos ao longo dos respectvos polgonas correspondentes às bordas de rodova exos de rodova sobrepostos em tom claro e os segmentos de exo de Ishbash (2008) desenvolveu uma estratéga para rodova sobrepostos em tom escuro seleconar o valor de sgma automatcamente a fm de que os resultados sejam afetados mnmamente por ruídos A 2222 Extração de segmentos de rodova va detector estratéga desenvolvda basea-se no fato de que as de lnhas de Steger com seleção automátca dervadas segundas na dreção transversal às lnhas são escala geralmente bem menores para lnhas espúras do que para as físcas A fgura mostra os resultados obtdos As rodovas em magens de alta-resolução se com uma magem de alta-resolução, onde se pode notar manfestam como faxas alongadas de alta ntensdade de que as rodovas, como esperado, estão desconectadas brlho Uma seção transversal de rodova, com brlho apenas nos cruzamentos normalzado no ntervalo [0; ], pode ser modelada pela equação 6 0, x < w fa ( x) =, x w ax, > w onde, para o perfl consderado de rodova (fgura 0): a [0,] é o contraste lateral e w é a sem-largura (6) -w w a x Fgura Exemplo de resultado obtdo Imagem de entrada; e Exos extraídos 2223 Extração automátca da malha vára usando otmzação em grafos Fgura 0 Seção de rodova e seu comportamento ao longo do espaço-escala para a= 0; w= 3 e σ [0,2;,8] Para o caso geral, com brlho varando no ntervalo [0; h], uma representação geral é obtda re-escalando a equação 6, sto é, fazendo hf a (x) Vale notar que o ponto central da seção de rodova ocorre em x= 0 A fgura 0 mostra o comportamento do modelo de lnha D (f a (x)) ao longo de um espaço-escala gaussano para σ [0,2;,8] Notar que para sgmas menores a seção de rodova fca arredondada, assemelhando-se a uma parábola Para sgmas maores ela se achata totalmente e se pulverza Para detectar o ponto de exo de rodova para a seção consderada basta encontrar o ponto de máxmo de função f a (x), convoluída por um núcleo gaussano, e assegurar que se trata de uma lnha com grande possbldade de não ser espúra O ponto de máxmo ocorre onde a prmera dervada de f a (x) suavzada se anula e, nesse ponto de máxmo, ocorre alto valor da segunda dervada se a lnha for não espúra No M Galo; A M G Tommasell Vale (2007) desenvolveu uma metodologa para complementação automátca dos resultados gerados pela metodologa de extração de segmentos de rodova brevemente descrta na subseção 222 É necessáro reconstrur as conexões entre segmentos de rodova tanto ao longo das rodovas quanto nos cruzamentos delas O grande problema neste contexto é como ordenar topologcamente os segmentos de rodova, vsto que não se sabe quas segmentos compõem cada rodova Além dsso, os falsos postvos têm que ser detectados e elmnados No fnal, deve-se ter somente a malha vára acuradamente representada, tanto do ponto de vsta geométrco quando topológco A metodologa proposta por Vale (2007) para resolver este problema pode ser dvdda em três etapas: Ordenação lógca de segmentos que compõem cada rodova por meo de uma estratéga de otmzação em grafo: consste em determnar a seqüênca e orentação dos segmentos de rodova que compõem as rodovas e a elmnação dos falsos postvos; 2 Reconstrução dos falsos negatvos: Objetos tas como edfcações, árvores e sombras, nfluencam o processo de extração de segmentos de rodova Dessa forma, o processo de extração falha, dexando

7 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação lacunas (falsos negatvos) Assm, como a etapa dentfca os segmentos vznhos ao longo de cada lacuna, basta substtur as lacunas por segmentos de rodova compatíves geometrcamente com os segmentos de rodova vznhos às lacunas 3 Reconhecmento e delneamento dos cruzamentos entre as rodovas reconstruídas: com o térmno da segunda etapa, cada rodova será nteramente representada por segmentos de rodova, orgnas e reconstruídos Estes segmentos de rodova são utlzados para dentfcar e delnear os cruzamentos entre rodovas Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 Fgura 3 - Exemplo de resultado obtdo com a metodologa de extração de rodovas georreferencadas Embora a aplcação prncpal da metodologa seja no contexto de atualzação automátca da malha vára, vale ressaltar que esta metodologa pode também ser aplcada na atualzação geométrca e na correção de erros sstemátcos de base de dados de rodovas A atualzação geométrca se refere ao processo de gerar automatcamente uma malha vára em escala maor que uma preexstente, a partr desta e de uma ou mas magens dgtas em escala adequada Fgura 2 Malha vára extraída automatcamente A fgura 2 mostra um exemplo de resultado obtdo pela metodologa automátca de extração da malha vára Pode-se observar que a malha vára composta pelas rodovas prncpas fo corretamente extraída 223 Extração automátca de rodovas usando dados externos Em Slva (2005) fo proposta uma solução para o problema de extração automátca da malha vára georreferencada em magens aéreas dgtas O método basea-se em duas etapas, sto é: - Extração automátca de rodovas georreferencadas; e 2- Análse de consstênca das rodovas extraídas Na prmera etapa, a metodologa para a extração de rodovas baseada no algortmo de programação dnâmca, descrta na subseção 22, é utlzada para extrar automatcamente rodovas georreferencadas a partr de magens atuas Nesta etapa, o método é ncalzado a partr da projeção de pontos salentes para o espaço magem, os quas foram extraídos automatcamente ao longo das rodovas georreferencadas Estes pontos descrevem grosseramente a forma, a posção e a topologa das rodovas georreferencadas Além dsso, a precsão dos pontos salentes transformados para o espaço magem é também estmada, o que possblta a defnção automátca das janelas de busca utlzadas pelo algortmo de programação dnâmca A análse de consstênca das rodovas extraídas basea-se num modelo de erro que permte conclur estatstcamente se as rodovas extraídas não dscrepam sgnfcatvamente das correspondentes projetadas na magem A fgura 3 mostra um exemplo da aplcação desta metodologa a uma magem de altaresolução Nesta fgura são apresentadas algumas janelas recortadas na magem orgnal M Galo; A M G Tommasell 3 METODOLOGIA PARA A EXTRAÇÃO DE CONTORNOS DE TELHADOS As metodologas exstentes para a extração de edfícos podem ser classfcadas de acordo com o tpo de dado de entrada (Rutznger et al, 2006) Três grupos podem ser dentfcados de acordo com os seguntes dados de entrada: ) malha rregular de pontos LDAR; 2) malha regular (MDE) gerada pela regularzação de dados LDAR; e 3) dados LDAR combnados com dados de outros sensores ou com dados georreferencados A segur são apresentadas duas metodologas assocadas com a prmera e tercera categora 3 Metodologa para a extração de contornos de edfícos usando dados LDAR Galvann (2007) desenvolveu uma metodologa para extração automátca de contornos de telhado de edfícos utlzando dados de varredura a laser A metodologa basea-se em duas etapas prncpas: Extração de regões altas (edfícos, árvores etc) de um MDE gerado a partr dos dados laser: Nesta etapa são utlzadas as técncas de dvsão recursva, va estrutura quadtree e de fusão Bayesana de regões consderando um MRF (Markov Random Feld) Incalmente a técnca de dvsão recursva é usada para partconar o MDE em regões homogêneas No entanto, devdo a lgeras dferenças de altura no MDE, nesta etapa a fragmentação das regões pode ser relatvamente alta Para mnmzar essa fragmentação, a técnca de fusão Bayesana de regões é aplcada nos dados segmentados Utlza-se para tanto um modelo herárquco, cujas alturas médas das regões dependem de uma méda geral e de um efeto aleatóro, que ncorpora a relação de vznhança entre elas A dstrbução a pror para o

8 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 efeto aleatóro é especfcada como um modelo os contornos refnados de telhados no espaço magem condconal auto-regressvo (CAR) As dstrbuções Estes procedmentos formam o corpo prncpal da a posteror para os parâmetros de nteresse foram metodologa proposta obtdas utlzando o Amostrador de Gbbs 2 Extração das regões altas que correspondem a contornos de telhados: Esta etapa da Contornos de Imagem metodologa consste na separação dos telhados entre telhados (LDAR) Aérea os objetos altos extraídos na prmera etapa da metodologa As regões altas são agora estruturadas segundo um RAG (Regon Adjacency Graph), onde Regstro de contornos Extração de feções cada nó do RAG corresponde a uma regão alta de telhados retas vznhas Nesta etapa é utlzada uma abordagem baseada em Estabelecmento da função de MRF Essa modelagem deve propcar a obtenção energa (U(x)) apenas dos contornos correspondentes aos telhados A análse de cada regão, dadas as meddas de alguns atrbutos (por exemplo, área, retangulardade, Otmzação de U(x): ângulos entre exos prncpas de objetos) realzadas x opt = argmn(u(x)) nas regões do MDE, por hpótese obedece a um MRF Assm, a construção do MRF envolve a defnção de uma função de energa aproprada e o Complementação dos problema de análse é resolvdo a partr da estmatva agrupamentos de feções retas MAP (Maxmum a posteror), va algortmo Smulated Annealng (SA) A partr do conhecmento a pror do objeto de nteresse é possível realzar a Contornos de telhados extração automátca de contornos de telhados refnados na magem A fgura 4 mostra um resultado envolvendo um Fgura 5 Metodologa desenvolvda edfíco de relatva complexdade A fgura 4 é uma magem de ntensdade, cuja função é apenas a de permtr a vsualzação da área teste, vsto que toda análse é feta no MDE A fgura 4 mostra o resultado obtdo Fgura 4 - Exemplo de resultado de extração de edfícos a partr de dados LDAR Imagem de ntensdade; e Resultado 32 Metodologa para a extração de contornos de edfícos combnando dados LDAR e de magem Dal Poz (2008) desenvolveu uma metodologa para o refnamento geométrco de contornos de telhados extraídos de dados LDAR, usando magens aéreas de alta resolução e modelos MRF Como mostra a fgura 5, a metodologa proposta compreende o regstro de contornos de telhados na magem, a extração de feções retas vznhas dos contornos de telhados projetados, o estabelecmento da função de energa (U(x)) tendo por base o modelo MRF, a otmzação da função de energa para gerar agrupamentos de feções retas representando segmentos solados de telhados no espaço magem e a complementação dos agrupamentos de feções retas detectadas para reconstrur M Galo; A M G Tommasell Os contornos 3D de telhados de edfícos e os parâmetros de orentação exteror podem ser vstos como dados de entrada ou, opconalmente, como dados resultantes de procedmentos metodológcos ntermedáros A projeção ou o regstro de contornos de telhados no espaço magem e a extração de feções retas ao redor dos contornos de telhados projetados são etapas de préprocessamento Supõe-se que os contornos de telhados 3D e os parâmetros de orentação da magem estão, de uma forma ou de outra, dsponíves O prmero passo consste em transformar os vértces 3D dos contornos de telhados no sstema de coordenadas de magem (LC) através de técncas fotogramétrcas convenconas No segundo passo, as feções retas são extraídas aplcando-se seqüencalmente o detector de bordas de Canny, um algortmo persegudor de bordas na magem de bordas e o algortmo de polgonzação por dvsão recursva As feções retas são extraídas no entorno dos contornos de telhados As feções retas são usadas para construr um modelo MRF expressando formas de telhados de edfícos, tendo por referênca os contornos projetados de telhados A função de energa assocada é otmzada através de um método modfcado de enumeração exaustva O últmo passo consste em reconstrur a topologa dos agrupamentos, possbltando a geração de contornos refnados de telhados no espaço magem A fgura 6 mostra o resultado do refnamento do contorno de telhado extraído de dados LDAR (fgura 6 ) Em geral, uma melhora sgnfcatva na geometra do contorno fo obtda

9 II Smpóso Braslero de Cêncas Geodéscas e Tecnologas da Geonformação Recfe - PE, 8- de setembro de 2008 DAL POZ, A P; SILVA, M A O Road segment delneaton usng actve testng prncple and an edgebased post-processng strategy Journal of Geomatca, v 57, n 4, p , 2003 DAL POZ, A P; VALE, G M; ZANIN, R B Automated road segment extracton by groupng road objects In: XX TH ISPRS Congress, v 34, Instanbul, Turqua p , 2004 Fgura 6 Exemplo de resultado Contorno extraído de dados LDAR e projetado na magem; e Contorno de telhado refnado com dados da magem 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Este artgo apresentou uma vsão geral das prncpas metodologas desenvolvdas no PPGCC para a extração de rodovas e edfícos a partr de dados de alta resolução A percepção atual sobre o estágo de desenvolvmento de metodologas para a extração algorítmca de objetos cartográfcos, é de que anda não se chegou a soluções que possam claramente substtur os correspondentes procedmentos manuas Portanto, é provável que o problema de extração automátca de feções anda permaneça, por um bom número de anos, como um dos grandes desafos a resolver em Fotogrametra A tendênca atual das atvdades em nosso grupo é a de ncrementar as pesqusas para extração da malha vára e de edfíco combnando de dados de város sensores, nclundo dados LDAR e magens multespectras, aéreas e de satélte AGRADECIMENTOS Todas as pesqusas desenvolvdas contaram com apoo fundamental da FAPESP, CNPq e CAPES Ressalta-se também o apoo do Programa de Pós- Graduação em Cêncas Cartográfcas da FCT/UNESP REFERÊNCIAS BALLARD, D H; BROWN, C M Computer vson Englewood Clffs, Prentce-Hall, 982 DAL POZ, A P Integração de dados laser e de magem para a extração de contornos de telhados usando uma abordagem bayesana Relatóro CNPq de pós-doutorado no exteror realzado no Depto de Engenhara Geomátca da Unversdade de Calgary, Calgary-AB, Canadá, 2008, 00p DAL POZ, A P; GYFTAKIS, S; AGOURIS, P Sem- Automated Road Extracton: Comparson of Methodologes and Experments In: ASPRS Annual Conference, Washngton-DC, EUA, CD-ROM, 2000 DAL POZ, A P; ZANIN, R B; VALE, G M Automated Extracton of Road Network from Medumand Hgh-resoluton Images Pattern recognton and mage analyss, v 6, n 2, p , 2006 GALLIS, R B A Extração sem-automátca da malha vára em magens aéreas dgtas de áreas ruras utlzando otmzação por programação dnâmca no espaço objeto p Tese de Doutorado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP GALVANIN, E A S Extração automátca de contornos de telhados de edfícos em um modelo dgtal de elevação, utlzando nferênca bayesana e campos aleatóros de Markov p Tese de Doutorado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP ISHIBASHI, R Extração de segmentos de rodova em magens de resoluções varadas usando o prncípo de bordas paralelas p Dssertação de Mestrado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP JAIN, R; KASTURI, R; SCHUNCK, B G Machne Vson MIT Press and McGraw-Hll, 995 Mendes, T S G Extração Sem-automátca de Feções em Imagens Dgtas Usando Técncas de Correlação e o Prncípo de Teste Atvo p Dssertação de Mestrado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP RUTZINGER, M; HÖFLE, B; GEIST, T; STÖTTER, J Object-based buldng detecton based on arborne laser scannng wth GRASS GIS envronment In: UDMS 2006, Aalborg, Dnamarca, CD-ROM, 2006 SILVA, M A O Verfcação Automátca da Malha Vára Georreferencada em Imagens Dgtas p Dssertação de Mestrado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP VALE, G M Complementação automátca da malha vára rural e suburbana usando uma estratéga de otmzação global 40p 2007 Tese de Doutorado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP VALE, G M Extração sem-automátca do exo de rodova em magens de méda e alta resolução usando programação dnâmca p Dssertação de Mestrado - FCT/Unesp, Presdente Prudente-SP M Galo; A M G Tommasell