SISTEMA DE ATUALIZAÇÃO DE MAPEAMENTOS PARA ESTEREO- PARES HÍBRIDOS Um protótipo em desenvolvimento.

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1 p SISTEMA DE ATUALIZAÇÃO DE MAPEAMENTOS PARA ESTEREO- PARES HÍBRIDOS Um protótipo em desenvolvimento. AMILTON AMORIM ANTONIO MARIA GARCIA TOMMASELLI FABIANO DA CRUZ NOGUEIRA JESSÉ DIAS MONTEIRO JÚLIO KIYOSHI HASEGAWA MAURÍCIO GALO LUCIANO APARECIDO JUNQUEIRA DE OLIVEIRA RENATA ROCHA FALCON Universidade Estadual Paulista UNESP Faculdade de Ciências e Tecnologia FCT Campus de Presidente Prudente Grupo de Pesquisa em Fotogrametria CNPq {amorim, tomaseli, hasegawa, galo}@prudente.unesp.br RESUMO O avanço tecnológico, nas áreas de informática e eletrônica, tem colaborado em muito com o desenvolvimento de Sistemas Fotogramétricos Digitais, proporcionando à comunidade científica mundial, novas e tentadoras expectativas para a exploração desses recursos. Neste trabalho, implementouse um sistema de Atualização Cartográfica no ambiente C++ Builder, adotando-se a metodologia de estereo-pares híbridos, onde a premissa básica é a integração de diversas fontes de informação, tais como fotografias aéreas digitais obtidas de diversos dispositivos e o material cartográfico existente. No desenvolvimento desse sistema, as atenções foram voltadas principalmente para dois módulos básicos, que são a identificação do objeto novo utilizando o recurso da estereoscopia e a determinação de suas coordenadas, a partir da imagem retificada. O processo de estereoscopia foi gerado por anaglifo compondo-se imagens convencional digitalizada e puramente digital. O outro módulo implementado possibilita a determinação das coordenadas do objeto, na imagem puramente digital e retificada, cuja identificação fica a cargo do processo estereoscópico. Para a apresentação dos resultados da atualização foi implementado um módulo e extração de feições, que gera um arquivo em formato DXF, permitindo a exportação do mesmo para qualquer sistema de CAD. ABSTRACT - The technological advances in the fields of electronics and informatics have contributed to the development of Digital Photogrammetric Systems, providing new opportunities for the exploration of these resources. In this paper a system implemented using the C++ Builder programming environment, aiming cartographic revision, is presented. The proposed methodology is based on the concept of a hybrid stereo pair, considering the integration of several sources of information, such as digital aerial images, acquired from different sensors, and existing base maps. The two main basic modules, to which more attention was paid, are the identification of new features, using stereoscopic processes, and the computation of the feature coordinates, using rectified images. Conventional scanned aerial images and digital small format images were combined to allow stereoscopic visualization with anagliph process. The second module allows the computation of object coordinates of the detected features using the rectified digital small format image. A module for feature extraction aiming the presentation of the detected features was implemented using the DXF exchange format, allowing exportation to any CAD software. 1 INTRODUÇÃO A atualização cartográfica é uma tarefa que não vem sendo realizada na verdadeira concepção da palavra, ou seja, o que vem sendo executado é o chamado remapeamento. LUGNANI (1985), afirmou que as organizações cartográficas, de modo geral, são estabelecidas e equipadas para produzir mapeamentos e não para mantêlos atualizados, sendo que este fato ainda pode ser notado atualmente. Por falta de metodologias adequadas e funcionais, implementadas nas empresas, nota-se que grandes áreas, sem qualquer tipo de alteração, têm seu mapeamento refeito sem necessidade. Isso acontece pela dificuldade que se tem em detectar quais são as feições novas que devem ser mapeadas, produzindo a atualização de uma carta, sem que seja preciso restituir todas as feições.

2 De acordo com AMORIM et al. (1998), inúmeros esforços vêm sendo realizados pela comunidade científica mundial, visando à implementação de técnicas de atualização cartográfica, e a Fotogrametria tem se beneficiado com o avanço tecnológico através da automação de algumas tarefas, tendo seu desenvolvimento acelerado pelas áreas, de informática e eletrônica, possibilitando a implementação de Sistemas Fotogramétricos Digitais. No entanto, tarefas como a identificação de novas feições, ainda vêm sendo estudadas a fim de encontrar meios que permitam identificar, registrar e disponibilizar essas feições em formato gráfico compatível com os softwares mais utilizados, e com rapidez e confiabilidade. Notada a relevância do tema, o principal objetivo deste trabalho foi iniciar o desenvolvimento de um protótipo de Sistema de Atualização Cartográfica, aplicando-se a metodologia proposta por AMORIM (2000), onde a detecção das alterações é executada a partir de um modelo estereoscópico híbrido, formado por anaglifo, e as feições de interesse são extraídas por monorestituição. 2 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA Visualização da fotografia convencional digitalizada por reamostragem linear. Orientação Interior - Transformação Afim. (conveção do sistema levógiro para dextrógiro) Orientação Exterior - Fixar parâmetros de orientação relativa Escolha do local e recorte da imagem. Retificação INICIO Visualização da fotografia digital por reamostragem linear. Orientação Interior - Transformação do sistema levógiro para dextrógiro. - Multiplicação das coordenadas da imagem pelo tamanho do pixel. (linha, coluna) (x,y) Orientação Exterior - Aplicação da orientação relativa dependente. Retificação Neste trabalho procura-se mostrar sucintamente as etapas do desenvolvimento do programa, exemplificando seu funcionamento, com vistas à detecção de alterações e extração de feições. Optou-se por desenvolver os aplicativos na linguagem C++ e no ambiente do C++ Builder, que possui algumas facilidades para a computação de imagens, além da existência de várias rotinas, desenvolvidas em C++ por pesquisas anteriores, que foram aproveitadas. Várias pesquisas, na área de Fotogrametria, têm sido realizadas na Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT, da Unesp de Presidente Prudente SP, pelo grupo de pesquisa em Fotogrametria, produzindo várias rotinas que resolvem casos particulares de cada pesquisa realizada. Muitos esforços foram feitos, no sentido de agrupar os mais variados produtos das pesquisas, de tal forma que sejam utilizados, proporcionando um aumento de produtividade considerável. Dessa forma, procurou-se utilizar várias rotinas desenvolvidas em pesquisas anteriores que resolveram problemas similares aos que precisaram ser resolvidos neste trabalho. Para melhor entendimento de todo processo a ser realizado, o fluxograma da Figura 01 mostra as etapas a serem executadas para realização do processo de atualização. Detecção das alterações pelo modelo anaglifo. Medição e extração das feições de interesse Arquivo vetorial atualizado Figura 01 - Fluxograma das etapas do processo de atualização. Dentre as rotinas que foram utilizadas neste programa em desenvolvimento (SAM Sistema de Atualização de Mapeamentos) podem ser citadas as que executam operações tais como a transformação afim no plano, retificação de fotografias, leitura e reamostragem de arquivos (fotos) grandes, por estarem desenvolvidas em linguagem C++. (HASEGAWA & CAMARGO (1998); OLIVEIRA et al. (1999)) Essas rotinas foram apenas adaptadas e acopladas ao protótipo em desenvolvimento, restando a implementação das rotinas para a orientação exterior, geração da aproximação do tipo zoom, formação do modelo anaglifo, intersecção fotogramétrica e monorestituição para a extração das feições de interesse. De acordo com AMORIM (2000), a visualização estereoscópica da área de interesse, pelo método anaglifo, é possível após a retificação das fotografias e fazendo-se uma composição dos canais ciano (G e B) de uma das fotografias e vermelho (R) da outra, uma vez que os pontos homólogos encontram-se no mesmo plano epipolar. Sendo assim, a implementação deste módulo restringe-se em extrair as componentes G e B da fotografia convencional retificada e a componente R da

3 fotografia digital retificada. Com isso, os elementos novos que constam da fotografia digital (mais recente) não encontram suas componentes correspondentes em G e B, sendo destacadas em vermelho. A janela de visualização do modelo anaglifo foi previamente dimensionada, com o objetivo de limitar a área do modelo à parte de interesse num dado momento, fato este que reduz o tempo e o esforço computacional, pois se o programa disponibilizasse o modelo da área toda, muitas feições sem interesse seriam mostradas. Esta janela é acionada indicando-se um ponto com o mouse em uma das fotos retificadas e seu homólogo na outra foto, procedimento esse que indica o centro da janela de visualização do referido modelo. Para a extração das feições de interesse, foi necessário desenvolver um módulo de registro vetorial, que coletasse as coordenadas E e N dos pontos indicados através do mouse, sobre a fotografia digital retificada. Somente determinar as coordenadas dessas feições não é o suficiente para se atualizar um mapeamento, onde se têm inúmeras feições em vários layers (níveis) diferentes. Portanto, neste módulo de registro vetorial, foi implementada uma rotina que registra as coordenadas de forma organizada, ou seja, que montando um arquivo gráfico no formato.dxf (Drawing Exchange Format), compatível com vários softwares gráficos utilizados em Cartografia Digital e Sistemas de Informações Geográficas. Com esse procedimento, o arquivo é montado seguindo padrões como a cor vermelha das feições e o layer específico, além das entidades serem todas armazenadas como polilinhas. Finalmente, o arquivo das feições que serão introduzidas no mapeamento desatualizado, pode ser gravado e importado por vários softwares CAD. 3 FUNCIONAMENTO A tela principal do programa disponibiliza duas janelas iniciais que possibilitam a visualização das fotografias convencional e digital, como mostra a Figura Criação do Projeto De posse do certificado de calibração da câmara fotogramétrica, fornecido pela empresa que executou o vôo fotogramétrico, cujas fotografias serão utilizadas, pode-se criar um projeto fornecendo as informações que serão utilizadas para as orientações, como mostra a Figura 03. Figura 03 Configuração do projeto. 3.2 Sistema de aproximação zoom. Foi desenvolvimento também um sistema de zoom para melhorar a precisão na coleta de pontos para orientação. Esta ferramenta consiste em uma janela de display de dimensões fixas (400 x 400 pixeis), onde permite ao usuário visualizar a cena em 7 escalas diferentes (1:8, 1:4, 1:2, 1:1, 2:1, 4:1, 8:1), com relação ao tamanho original da imagem, possibilitando ao usuário maior confiabilidade, tanto para selecionar pontos quanto extrair feições. Nesse caso, para a execução do zoom sobre a imagem reamostrada, clica-se no ícone de zoom e em seguida seleciona-se a porção da imagem que se deseja visualizar na escala original (1:1). Selecionada a porção desejada da imagem, pode-se então utilizar os demais tamanhos de zoom. Figura 02 - Tela inicial do Sistema de Atualização de Mapeamentos SAM. Figura 04 Janela para visualização de zoom

4 3.3 Orientações Orientação Interior A realização da orientação interior das imagens foi feita utilizando-se dois diferentes processos, considerando-se imagens convencionais e digitais, ou seja, para cada um dos dois tipos de imagens existe um método de orientação interior. Para a fotografia convencional digitalizada (tomada por uma câmara métrica), deve-se considerar que estas possuem marcas fiduciais (fixadas a um sistema de coordenadas dextrógiro), das quais é conhecida à calibração de cada uma delas. Sendo assim, como a imagem da fotografia convencional está disponível em um sistema de coordenadas levógiro, devemos converter o sistema da imagem de levógiro para dextrógiro, transformando o sistema de coordenadas da imagem para fiducial. Para este caso então, utiliza-se uma transformação Afim no plano. A fotografia tomada por uma câmara digital, não apresenta as mesmas características de uma fotografia convencional (tomada por uma câmara métrica), ou seja, não possui marcas fiduciais e não apresenta problemas relacionados à deformação do filme, uma vez que o processo de registro da imagem é feito por um dispositivo chamado CCD (Charge Couple Device), que se caracteriza por um sensor imageador constituído por elementos fotodetectores que registra imagens a partir da discretização da energia (radiação eletromagnética) emitida pelos objetos em valores inteiros. Sendo assim, para a orientação interior considerando o caso da fotografia digital, foi adotada apenas a transformação do sistema de coordenadas da imagem de levógiro para dextrógiro e multiplicação das coordenadas da imagem pelo tamanho do pixel, para que se possa efetuar medidas sobre a imagem em milímetros. Esta etapa é executada diretamente a partir das informações constantes da interface implementada, mostrada na Figura 03. Figura 05 - Interface Principal da Etapa de Orientação Relativa A Figura 06 mostra a interface que possibilita ao operador, manusear e fixar os parâmetros de orientação das duas imagens, podendo ter absoluto controle do processo. Figura 06 - Interface para a escolha do método de Orientação Orientação exterior De acordo com ANDRADE (1998), uma fotografia aérea estará orientada segundo um referencial adotado, quando for conhecida a posição do ponto onde foi tomada a fotografia (centro de perspectiva), através de suas coordenadas X c, Y c e Z c, e quando forem conhecidos os ângulos (ω, ϕ e κ), que definem os movimentos de rotação da câmara no momento da tomada da fotografia, em torno dos eixos de coordenadas x, y e z do sistema fotogramétrico. O processo de orientação exterior utilizado para a orientação do modelo híbrido, é o apresentado por AMORIM (2000), ou seja, a orientação relativa simultânea dependente, onde os parâmetros de orientação da primeira foto (Κ, ϕ, ω, X c, Y c, Z c ) são fixados e usa-se pelo menos um ponto de apoio como injunção, sendo assim os outros parâmetros são obtidos a partir desses já conhecidos e fixados. 3.4 Intersecção fotogramétrica De acordo com TOMMASELLI (1995) pode-se utilizar a intersecção fotogramétrica para calcular coordenadas tridimensionais X, Y e Z, no espaço objeto, a partir de fotocoordenadas bidimensionais medidas em duas imagens (fotos) distintas. Sendo assim, foi implementada uma rotina de intersecção fotogramétrica, utilizando as equações de colinearidade inversa, (equação 01), pois, sabendo que a partir de um modelo exteriormente orientado, ou seja, conhecendo os parâmetros de orientação exterior de duas fotografias que compõem um modelo e através desta equação, pode-se determinar a posição (X, Y, Z) de qualquer ponto deste modelo, considerando um sistema de referência adotado. A Figura 07 mostra a interface implementada para a realização da intersecção fotogramétrica do SAM.

5 Figura 07 Interface do sistema que realiza intersecção fotogramétrica Figura 09 Visualização da imagem convencional digitalizada e do seu recorte retificado. 3.5 Monorestituição O modelo de monorestituição proposto e implementado no SAM é o demonstrado por MAKAROVIC (1973) apud LUGNANI (1985), que propõe a utilização da coordenada Zi extraída de um MDT (modelo digital de terreno) construído através das curvas de nível do mapeamento a ser utilizado, reproduzindo as coordenadas Xi e Yi, através da projeção inversa da colinearidade. 3.7 Formação do modelo anaglifo Uma das principais características do SAM é a disponibilidade de um recurso para a detecção de alterações a partir de um modelo de análise, formado por fotografias retificadas, de épocas diferentes. Sendo assim, o processo de atualização no SAM, não consiste em remapear toda a área de interesse, mas sim mostrar ao usuário as feições que realmente devem ser extraídas para atualizar o mapeamento em questão. A fusão dessas imagens é feita pelo programa SAM da seguinte maneira: é indicado sobre as imagens retificadas um ponto em comum, esse ponto deve ser escolhido em uma região onde se tenha boas condições para pontaria, pois as imagens serão fundidas em uma só através da sobreposição desse ponto. A Figura 10 mostra o modelo anaglifo formado pela rotina implementada no programa SAM, utilizando imagens multitemporais retificadas. Figura 08 Interface para monorestituição. 3.6 Retificação de fotografias aéreas No processo de retificação é necessário reamostrar os pixeis da imagem original. Sendo assim, os ângulos ϕ e ω são anulados e ainda são minimizadas as distorções geométricas (refração, distorções ópticas e trabalho do filme). Outro fato, é que não há uma correspondência biunívoca entre os pixeis da imagem retificada e imagem original; por isso há a necessidade de uma reamostragem. Neste caso adotou-se o processo de interpolação bilinear. Figura 10 Modelo anaglifo formado pelo SAM 3.8 Criação do arquivo vetorial Para registrar as novas feições identificadas é necessário que se disponibilize um arquivo vetorial em formato gráfico compatível com um software CAD

6 (Computer Aided Design). Adotou-se, então o formato padrão DXF. Assim sendo, após o registro de todas as novas feições de interesse, grava-se, através do modelo de representação do formato DXF, as informações referentes a cada feição (tipo de feição, nível e coordenadas (X,Y,Z) de cada vértice). Posteriormente, esse arquivo é disponibilizado para outros softwares, possibilitando manipulações. A Figura 11 mostra o display do sistema que realiza a vetorização e salva tais vetores em formato DXF. aéreas de datas diferentes, independentemente da câmara utilizada. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o valoroso apoio recebido da Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Paulo FAPESP e da Faculdade de Ciências e Tecnologia FCT/UNESP de Presidente Prudente SP. REFERÊNCIAS Integração Geométrica de Imagens Multitemporais Objetivando a Atualização Cartográfica. In: Congresso Brasileiro de Cadastro Técnico Multifinalitário COBRAC, 3º, 1998, Florianópolis SC. Anais/CD. AMORIM, A. Utilização de modelos estereoscópicos híbridos na atualização cartográfica. Universidade Federal de São Carlos UFSCar. São Carlos SP, (Tese de Doutorado) Figura 11 Modulo de vetorização e criação do arquivo DXF. 4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Quanto à utilização do C++ Builder, pode-se dizer que este sistema possui várias ferramentas e rotinas, para a computação de imagens, que podem ser usadas na implementação de sistemas fotogramétricos digitais, agilizando seu desenvolvimento. Outra facilidade, proporcionada pelo ambiente de desenvolvimento do C++ Builder, é a criação de uma interface amigável com o usuário, através de recursos gráficos como janelas e ícones explicativos, facilitando a utilização dos programas elaborados. A metodologia de atualização cartográfica que foi seguida neste trabalho, dando origem a este protótipo, encontra-se em fase de desenvolvimento, restando ainda muitos estudos e experimentos a serem realizados. No entanto, os resultados apresentados até o momento mostram que esta metodologia tende a se fortalecer, com a realização de estudos futuros e outros experimentos, principalmente no que diz respeito à determinação da posição planialtimétrica das feições a serem restituídas. Um fato que deve ser considerado é a qualidade da câmara digital a ser utilizada, assim como a qualidade da imagem, pois quanto maior for o tamanho do pixel, maior será o erro na coleta das coordenadas observadas de um ponto de interesse, fato este que prejudicará os resultados finais. Cabe ressaltar que o estereopar híbrido, neste sistema, pode ser formado a partir de duas fotografias HASEGAWA, J. K. & CAMARGO, P. de O. Mapeamento com filmadora: uma análise de viabilidade. In: Congresso Brasileiro de Cadastro Técnico Multifinalitário, 3º COBRAC, 1998, Florianópolis - SC, Anais / CD. LUGNANI, J. B. Aprimoramentos para a atualização cartográfica. Universidade Federal do Paraná -UFPR. Curitiba PR, (Tese de Livre Docência). OLIVEIRA, L. A. J. et al. Sistema de Atualização Cartográfica com imagens de alta resolução espacial. In: Congresso Brasileiro de Cartografia, 19º, 1999, Recife - PE. Anais/CD. TOMMASELLI, A. M. G. Intersecção fotogramétrica. Presidente Prudente - SP. Relatório Técnico, Contrato: Fundacte / Hydratec