APLICAÇÃO DE VEICULO ÁEREO NÃO TRIPULADO PARA O MAPEAMENTO. Evandro Loch Boeing 1 Alexandre ten Caten 2 Fernando André Vitalis 3

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1 APLICAÇÃO DE VEICULO ÁEREO NÃO TRIPULADO PARA O MAPEAMENTO Application of an unmanned aerial vehicle for mapping Evandro Loch Boeing 1 Alexandre ten Caten 2 Fernando André Vitalis 3 1 Universidade Federal de Santa Catarina Estudante de Engenharia Florestal dro.loch@gmail.com 2 Universidade Federal de Santa Catarina Professor Adjunto, Departamento de Ciências Biológicas e Veterinárias alexandre.ten.caten@ufsc.br 3 Universidade Federal de Santa Catarina Tecnólogo em Geoprocessamento, Bolsista de Desenvolvimento Tecnológico do CNPq fernandovitalis.@gmail.com RESUMO A constante evolução da tecnologia Veiculo Aéreo Não Tripulado (VANT) tem possibilitado a aplicação desse equipamento para o monitoramento da cobertura e uso da terra. Em um VANT pode ser embarcada uma variedade de sensores para a coleta de dados via Sensoriamento Remoto (SR). Esses sensores permitem um ganho em relação aos equipamentos a bordo de plataformas orbitais, principalmente, em virtude das resoluções espacial e temporal. Nesse aspecto um VANT constitui-se em um equipamento de coleta de dados de forma rápida, de maior resolução e com menor custo. O objetivo do presente estudo foi o de utilizar um VANT na obtenção de dados aplicados ao mapeamento. O VANT utilizado como plataforma de coletas de dados foi o modelo microvant SD6 SPYDER XL, com uma câmera CANON ELPH 300HS acoplada. O planejamento do voo foi produzida por um software livre PLANVANT desenvolvido com o decorrer das atividades do projeto. O VANT utilizado possui autonomia de voo de dez minutos com apenas uma bateria com a

2 decolagem e o pouso realizados manualmente. Em um único voo do equipamento foi possível mapear uma área de ate 9.000m 2, o voo foi realizado a uma altura de 90 metros e o intervalo de disparo da câmera de dois segundos. Foi aplicada uma sobreposição de pelo menos 60% entre faixas e 50% entre fotografias. Com as fotos coletadas pelo equipamento foi possível a produção de um mosaico processado no software PhotoScan (Agisoft). Para o georreferenciamento das imagens e posteriormente do mosaico produzido foi utilizado o equipamento GNSS RTK (posicionamento cinemático em tempo real). Para que a coordenada fornecida pelo RTK seja reconhecida no voo com o VANT os pontos de controles no terreno foram identificados por placas de madeira com cores contrastantes em relação a paisagem. Em comparação com a topografia clássica que, para gerar um modelo digital de elevação (MDE), teria de realizar um nivelamento geométrico, o qual demandaria tempo e um maior número de pessoas; a geração de um MDE aplicando a tecnologia de VANT, possibilitou um levantamento detalhado em menor tempo e com um menor número de pessoas envolvidas. O mosaico gerado alcançou a resolução espacial de 3cm e a precisão de 0,028m em x; 0,013 em y e 0,039 em z. Palavras chave: VANT, Sensoriamento Remoto, Drone, Modelo Digital de Elevação. ABSTRACT The constant evolution of the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology has enabled the application of this device for monitoring the land use and land cover. In a UAV a variety of sensors can be used to collect data via Remote Sensing (RS). These sensors allow a gain in relation to equipment on board orbital platforms, mainly because of spatial and temporal resolutions. In this respect a UAV can collect data quickly with higher resolution and lower cost. The aim of this study was to use a UAV in obtaining data applied to land mapping. The UAV used as a data collecting platform was the model microvant SD6 SPYDER XL, with a camera CANON ELPH 300HS. The flight plan was produced by a free software PLANVANT developed over the course of the project activities. The UAV had a flying range of ten minutes with takeoff and landing manually performed. In a single flight it was possible to map an area of up to 9,000m², the flight was conducted at a height of 90 meters and the range of camera shooting of every two seconds. An overlap of 60% / 50% was applied between pictures. With the photos collected by the equipment it was possible to produce a mosaic rendered in the PhotoScan (Agisoft) software. Ground coordinates were provided by a RTK positioned on wooden boards with contrasting colors in relation to landscape. In comparison with the classical land surveying methods, to generate a digital elevation model (DEM), a leveling procedures would have to performed, thus requiring more time and a larger

3 number of coworkers. In contrast, generating a DEM with an UAV, enabled a more detailed, in a shorter time and with fewer people involved in the survey. The mosaic generated reached 3 cm of spatial resolution and an accuracy of m at x; at y and at z. Keywords: UAV, Remote Sensing, Drone, Digital Elevation Model. 1.INTRODUÇÃO No Brasil os primeiros relatos de uso de Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) ocorreram na década de 1980, quando o Centro Técnico Aeroespacial (CTA) iniciou o projeto Acauã, visando o desenvolvimento de VANT autônomos com intuito de pesquisa militar. Esse projeto foi continuado via parceria entre CTA e Centro de Pesquisas Renato Archer (CenPRA) na linha militar (MEDEIROS et al, 2008). A aplicação de VANT vem, a cada dia, se fixando no mercado de mapeamentos digitais, e consigo traz um ganho na resolução espacial e temporal, visto que, há a necessidade de se monitorar áreas e realizar mapeamentos em grande escala (ALONÇO et al. 2005). A evolução tecnológica, a importação de componentes e sensores tem proporcionado a aplicação dos VANT em novas áreas como na agricultura, onde essa tecnologia auxilia na identificação de anormalidades e na condução de tratos culturais em lavouras comerciais, visando maximizar a produtividade através da prática da agricultura de precisão, ou mesmo através da exploração de novas áreas. (ANTUNIASSI & SALVADOR, 2002). Imagens obtidas por sensores orbitais possuem menor resolução espacial, são mais caras e sofrem influências importantes da passagem do sinal pela atmosfera (MOREIRA, 2003). Imagens geradas por sensores embarcados em VANT têm etapas de processamento mais breves, e ainda associa-se a elevada resolução espacial uma maior confiabilidade no posicionamento dos objetos imageados. A possibilidade de utilizar uma plataforma de coleta de imagens de menor custo, que forneça maior detalhamento nos mapas, e com menor intervalo de tempo entre as coletas possibilita o monitoramento periódico via VANT (MEDEIROS et al, 2008). A utilização da tecnologia de Sensoriamento Remoto (SR), aliada a tecnologia VANT, constitui-se em um importante meio para a obtenção de imagens em locais de difícil acesso. Além disso, devido à operação da unidade aérea por controle remoto, não há a necessidade de profissionais embarcados, não oferecendo risco ao operador de câmera ou ao piloto (WATTS et al., 2012). Com o avanço tecnológico os sensores e câmeras ficaram menores e isso alavancou a construção de aeronaves compactas e leves facilmente transportadas aos locais que se deseja imagear. Outro aspecto é o de que o uso de programas de planejamento de voos colaborou com a operação do equipamento via o planejamento

4 prévio, possibilitando programar as áreas de mapeamento (KERROW 2004). Nesse contexto, o objetivo do presente estudo foi o de utilizar um VANT na obtenção de dados aplicados ao mapeamento de grande escala. 2. MATERIAL E METODOS Modelos de asa móvel necessitam de áreas menores para decolagem e pouso por isso chegam a locais de difícil acesso, possuem maior estabilidade, principalmente se o foco do mapeamento e precisão e rapidez na coleta dos dados, o modelo usado para a coleta de imagens foi o microvant ELPH SD6 SPYDER XL, esse modelo possui autonomia media de voo 12 minutos incluindo pouso e decolagem (Figura 1). Fig. 1: Veiculo Aéreo Não Tripulado modelo de asa móvel. O planejamento prévio de missão é feito com o programa PlanoVANT, desenvolvido ao longo da execução do projeto, o planejamento de voo e fundamental para que não seja necessário o controle manual do equipamento, ainda no plano de voo é calculado o tempo de disparo de câmera, numero e distancia de faixas sobrevoadas, ponto de fim de curso, sem o planejamento prévio seria impossível tal controle, o que dificultaria a operação do VANT, com o planejamento de missão que VANT desenvolverá no voo temos garantida a sobreposição recomendada para a produção do mosaico, demonstrado na Figura 2 o planejamento de voo integrado ao VANT com os pontos a ser seguidos pelo equipamento.

5 Fig. 2: Planejamento de voo. Os voos feitos com VANT foram conduzidos a uma altura de 90 metros, em 10 minutos de voo com disparo de câmera a cada 2 segundos, sendo coletadas coletada uma média de 100 fotos por voo, chegando a cobrir uma área de 9000 m² é possível a união de várias ortofotos próximas trazendo mosaicos ainda maiores. A construção da georreferencia das imagens é feita após a coleta de pontos no terreno, com GNSS RTK (posicionamento cinemático em tempo real), (Figura 3), e esse equipamento alia a tecnologia de navegação por satélites a um radio modem para obter correções instantâneas e fornece as coordenadas em tempo real sem a necessidade de pós-processamento e sem cálculos ou correções. Fig. 2: RTK em uso a campo. E para que essa coordenada fornecida pelo RTK seja reconhecida no voo com o VANT se fez necessária a confecção de placas de madeira com aproximadamente 900 cm² em aspecto xadrez com a combinação de duas cores, contrastantes com a paisagem fotografada pelo VANT em voo (Figura 4 a: placas

6 confeccionadas, b: reconhecimento das placas no mosaico), é possível também a georreferencia dessas mesma fotografias com as coordenadas gravadas em voo pelo VANT e armazenada em arquivo de log do equipamento, onde traz as informações de orientação no momento da captura das fotos e ainda os pontos que foram tiradas. Fig. 4 a: Placas de madeira utilizadas para coleta e processamento dos pontos de controle. b: Reconhecimento das placas no mosaico. Após a coleta das fotografias pelo VANT a campo, e os pontos de controle pelo RTK que serão necessárias para a alocação do levantamento no terreno se faz necessária a etapa de processamento das imagens, para este procedimento foi utilizado o software PhotoScan Agisoft (Figura 5).

7 Fig. 5: Processamento PhotoScan (Agisoft). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Onde se realiza o alinhamento das fotografias aos pares se forma uma nuvem de pontos e a posterior construção da geometria área, a partir dos pontos coletados no terreno pelo GPS, é possível a construção do Modelo Digital de Elevação MDE (Figura 6), e com este gerado e os pontos de controle do terreno torna viável a construção de Modelo Digital do Terreno (MDT), gerar mapas de declividade e curvas de nível, e ainda fragmentação em áreas dísticas. Fig. 6: Modelo Digital de Elevação do terreno. Os pontos de controle coletados por RTK confere maior veracidade a georreferencia das imagens, para que elas possam formar um mosaico confiável, após carregar as imagens no Photoscan, e o programa encontra pontos homólogos nas diferentes imagens já que a sobreposição das imagens chega a 70% (Figura 7), é

8 possível verificar que o centro do levantamento feito a sobreposição é adequada e ainda os voos utilizados na produção do mosaico final definem a área. Com o alinhamento feito é criada uma nuvem de pontos e produz uma malha terrestre e confere a cada fotografia uma região imageada, e posterior junção e produção do mosaico. Fig. 7: Sobreposição das imagens coletadas. Os pontos distribuídos no terreno são marcados em todas as fotografias em que eles se inserem, para assim lhes atribuir as mesmas coordenadas que foram coletadas no terreno, a partir do mosaico construído podemos exporta-los em formato de raster (Figura 8).

9 Fig. 8: Mosaico ortorretificado. Com o mosaico finalizado é possível produzir o MDE e a construção do Modelo Digital de Terreno (MDT), esses conferem e nos dão possibilidades infinitas de planejamento como fazer simulações de enchentes, cota de alagamento, e ainda mapear construções alocadas em locais de risco, curva de nível, hidrografia regional, planejamento de saneamento básico bem como a disponibilidade de água e a condução dos esgotos por declive, sem a necessidade de bombeamento em determinado locais da cidade A precisão do mosaico resultante do processamento dos dados coletados é de 5 cm de resolução espacial e uma precisão posicional média de 3 cm em x, y e z. 4. CONCLUSÃO A aplicação de veículo aéreo não tripulado para o mapeamento possibilita o levantamento detalhado de informações com elevada resolução espacial e temporal das áreas a serem mapeadas. AGRADECIMENTO Ao CNPQ pela concessão da bolsa ITI ao primeiro autor do presente trabalho. A comissão organizadora do evento pela oportunidade de divulgação deste trabalho.

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANTUNIASSI, U.R.; SALVADOR, A. Análise de imagens aéreas para mapeamento de plantas daninhas em sistemas de agricultura de precisão. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE AGRICULTURA DE PRECISÃO, 2., 2002, Viçosa. Anais... Viçosa: UFV, CD-ROM. ALONÇO, A. dos S. et al. Desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado (VANT) para utilização em atividades inerentes à agricultura de precisão. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 35., 2005, Canoas. Anais... Jaboticabal: Associação Brasileira de Engenharia Agrícola, CD-ROM. KERROW. Modelling the Draganflyer four-rotor helicopter, In Proceedings of the 2004 International Conference on Robotics & Automation, N. Orleans, LA: IEEE KOH, L.; WICH, S. Dawn of drone ecology: low-cost autonomous aerial vehicles for conservation. Tropical Conservation Science, v.5, n.2, p , Disponível em: pdf. Acesso em: 21 jun MEDEIROS, F.A.; Desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado para aplicação em agricultura de precisão, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola)- Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria. MEDEIROS, F. A., ALONÇO, A. S., BALESTRA, M. R. G., DIAS, V. O., LANDERHAL Jr. M. L., Utilização de um veiculo aéreo não-tripulado em atividades de imageamento georreferenciado. Ciência Rural, Santa Maria, v-38, n.8, p , Nov, MOLIN, J.P. Geração e interpretação de mapas de produtividade para a agricultura de precisão. In: BORÉM, A. et al. Agricultura de precisão. Viçosa: UFV, p MOREIRA, M.A. Fundamentos do sensoriamento remoto e metodologia de aplicação. 2.ed. Viçosa: Universidade Federal de Viçosa, 307p ÖZDEMIR, S. Multi objetive conceptual design optimization of na agricultural aerial robot, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Aeroespacial)Middle East Technical University, Turquia. SWAIN, K. C. Suitability of low-altitude remote sensing images for estimating nitrogen treatment variations in rice cropping for precision agriculture adoption. Journal of Applied Remote Sensing, v.1, n.1, p , Disponível em:

11 Acesso em: 21 jun WATTS, A. C.et al. Unmanned Aircraft Systems in Remote Sensing and Scientific Research: Classification and Considerations of Use. Remote Sensing, v.4, n.12, p , Disponível em: Acesso em: 21 jun ÇETINSOY, E. et al. Design and development of a tilt-wing UAV. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, v. 19, n.5, p , Disponível em: /elk pdf. Acesso em: 21 jun