VALIDAÇÃO DE MOSAICOS AEROFOTOGRAMÉTRICOS UTILIZANDO FOTOGRAFIAS OBTIDAS COM CÂMARA DIGITAL NÃO MÉTRICA ACLOPADA A UM VANT

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1 VALIDAÇÃO DE MOSAICOS AEROFOTOGRAMÉTRICOS UTILIZANDO FOTOGRAFIAS OBTIDAS COM CÂMARA DIGITAL NÃO MÉTRICA ACLOPADA A UM VANT Validation of Mosaics Aerophotogrammetric Using Photographs Obtained From Digital Camera Not Measure Attached To a UAV Leomar Rufino Alves Júnior¹ João Batista Ramos Côrtes Manuel Eduardo Ferreira ¹Universidade Federal de Goiás Instituto de Estudos Sócio-Ambientais (IESA), Laboratório de Processamento de Imagens e Geoprocessamento (LAPIG) leomar_jr@hotmail.com, manuel@ufg.br ² Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Coordenação da Área de Geomática, Campus Goiânia joao.b.cortes@gmail.com RESUMO A ausência de mapas atualizados em grandes escalas de representação tem impulsionado a utilização de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) para a geração de mapas por diversos profissionais. Esse uso deve-se principalmente ao baixo custo dos equipamentos e pela automação de todo o processo, desde a tomada das fotografias até a geração do ortomosaico. Essas facilidades têm permitido que profissionais com pouca ou nenhuma experiência cartográfica utilizem o VANT para geração de mapas. No entanto, surgem algumas questões: os ortomosaicos gerados por esses sistemas possuem a precisão cartográfica desejável à sua utilização? Quais problemas podem ser identificados na junção das ortofotos para a geração do ortomosaico? Com intuito de responder a esses questionamentos foi realizado um levantamento aerofotogramétrico de uma unidade de conservação ambiental na cidade de Goiânia (Parque Ambiental Macambira). O plano de voo foi elaborado no programa e-mo-tion, fornecido pela Sensefly empresa suíça fabricante do VANT Swinglet CAM utilizado nesse trabalho. A câmara instalada no VANT foi a Canon IXUS 0 HS, com resolução espacial de, megapixel, equipada com sensor tipo CMOS /,3 (4000 x 3000 pixel), pixel pitch de,54 µm, e distância focal equivalente de 35 mm. O voo foi realizado a 33 m acima do solo, com superposição lateral de 30% e longitudinal de 70%, com resolução espacial planejada de 0 cm, sendo que cada fotografia recobriu 400 x 300 m, ou seja, ha. O bloco fotogramétrico apresentou 9 linhas de voo, perfazendo um total de 3 fotografias, com área total imageada de 433,980 ha. Foram geradas as ortofotos e quatro ortomosaicos no programa Pix4Dmapper. Ao realizar a aerotriangulação, o programa determinou simultaneamente os parâmetros de calibração da câmara. O primeiro ortomosaico foi gerado sem a utilização de pontos de controle, ou seja, utilizou-se os parâmetros de orientação exterior obtidos diretamente pelo sistema inercial e GPS a bordo do VANT. Os outros três mosaicos foram gerados com 4, 8 e 6 pontos de apoio pré-sinalizados. Para verificar a precisão e acurácia do ortomosaico, foram uniformemente distribuídos neste bloco 46 alvos pré-sinalizados. As coordenadas tridimensionais dos alvos pré-sinalizados foram lidas no ortomosaico e comparadas com as coordenadas obtidas por levantamento geodésico no método de posicionamento RTK, utilizando um receptor de sinais GNSS. A avaliação do Padrão de Exatidão Cartográfica (PEC) foi realizada pelas discrepâncias entre essas coordenadas. A tendenciosidade foi analisada pelo teste t-student e a precisão pela probabilidade do qui-quadrado considerando o ortomosaico na escala /00 e Classe A conforme PEC estabelecido no Decreto nº de Verificou-se que nos ortomosaicos gerados algumas edificações não foram devidamente transformadas da projeção cônica para a ortogonal. Os ortomosaicos gerados com mais de 4 pontos de controle foram classificados como Classe A para a escala de /00. Palavras Chave: Ortomosaico, Automação fotogramétrica, Atualização Cartográfica, Ponto de Controle, Calibração de Câmara, Pix4Dmapper.

2 ABSTRACT The lack of updated maps on large scales of representation has driven the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) for the generation of maps from different providers. This usage is mainly due to the low cost of equipment and the automation of the entire process, from taking the photos to the generation of orthomosaic. These facilities have allowed professionals with little or no cartographic experience using the UAV to generate maps. However, some questions arise: the orthomosaics generated by such systems come with cartographic precision desirable for their use? What problems can be identified at the junction of orthophotos to generate the orthomosaic? In order to answer these questions one aerophotogrammetric lifting a unit of environmental conservation was held in the city of Goiânia (Macambira Environmental Park). The flight plan was drawn up in the program e-mo-tion, provided by Sensefly - Swiss company UAV Swinglet CAM manufacturer used in this work. The camera installed on the UAV was the Canon IXUS 0 HS, with a spatial resolution of. megapixel CMOS sensor equipped with type /,3 (4000 x 3000 pixel), pixel pitch of.54 µm, and distance 35 mm equivalent focal. The flight was performed at 33 m above ground, with a lateral overlap of 30% and 70% longitudinal, with planned spatial resolution of 0 cm, each shrouded photography 400 x 300 m, ie ha. The photogrammetric block had 9 lines of flight, a total of 3 photographs, imaged with total area of ha. The orthophotos four orthomosaics were generated in Pix4Dmapper program. When performing aerial triangulation, the program determined both the calibration parameters of the camera. The first orthomosaic was generated without the use of control points, ie, we used the parameters of exterior orientation obtained directly by the inertial system and GPS on board the UAV. The other three were generated mosaics with 4, 8 and 6 pre-marked points of support. To check the precision and accuracy of orthomosaic were uniformly distributed in the block 46 pre-marked targets. The threedimensional coordinates of the target pre-marked on orthomosaic were read and compared with the coordinates obtained by geodetic survey of the RTK positioning method using a GNSS receiver signals. Evaluation of Cartographic Accuracy Standards (PEC) was performed by discrepancies between these coordinates. The bias was analyzed by student's t test and the accuracy of the chi-square probability considering the orthomosaic in scale /00 and Class A PEC as set out in Decree No of It was found that in ortomosaics generated some buildings were not properly processed the conical projection to orthographic. The orthomosaics generated more than 4 control points were classified as Class A for the scale of /00. Keywords: Orthomosaic, photogrammetric Automation, Cartography Update, Control Point, Camera Calibration, Pix4Dmapper.. INTRODUÇÃO O VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) foi desenvolvido em larga escala durante a segunda guerra mundial para fins militares pela indústria Reginald Denny. Essa indústria também fabricou aeronaves rádio controladas para diversão e passatempo (AGOSTINHO e OLIVEIRA FILHO, 0). O VANT foi muito utilizado nos anos 950 no Canadá e Estados Unidos para identificar, posicionar e quantificar as espécies arbóreas de interesse para a indústria madeireira dentro de uma floresta (CÔRTES, 998). O desenvolvimento dos sistemas de navegação por satélites, a miniaturização dos sistemas inerciais, câmaras digitais leves e compactas e programas computacionais capazes de gerar ortomosaicos em processos semi-automáticos foram os responsáveis pelo ressurgimento dos VANT. Os VANT atualmente vêm sendo empregados nas mais variadas aplicações, desde entrega de produtos por empresas a clientes (RODRIGUES, 04), monitoramento de doenças e infestações de insetos na agricultura (GARCIA-RUIZ et al, 03); gestão pública (PEGORARO et al, 03); mapeamento de sítio arqueológicos e controle da quantidade de animais e sua migração (AEROSPACE, 0), dentre outras. O VANT é uma excelente ferramenta de obtenção de imagens de alta resolução, baixo custo e alta resolução temporal. Essas características tem popularizado o uso de VANT, principalmente para atualização e confecção de mapas. Sobretudo em áreas longínquas ou pequenas onde o uso da fotogrametria convencional torna a execução do trabalho economicamente inviável. Apesar de estarem equipados de receptores de sinais GNSS (Global Navigation Satellite System), os VANT não são capazes de realizarem um voo em trajetória retilínea ou mesmo manter a altitude de voo. As fotografias tomadas pelo VANT apresentam problemas de escala e recobrimento lateral e longitudinal devido à instabilidade de sua atitude (kappa, ômega e phi). Essa instabilidade pode gerar região sem cobertura fotográfica ou com recobrimento insuficiente para extrair as informações necessárias. Pela facilidade de utilização do VANT quer na tomada das fotografias ou no processamento para a obtenção do ortomosaico, vários profissionais não ligados a área de cartografia tem frequente aproveitado dessa ferramenta para a produção de mapas. Qual é a qualidade dos mapas assim produzidos? A escala do ortomosaico está sendo compatível com a sua utilização?

3 Muitos trabalhos têm sido realizados com o intuito de responder a esses questionamentos, porém a maioria deles fazem uso de estatística simples como média e desvio padrão para comprovarem a qualidade do ortomosaico produzido. Como os trabalhos realizados por Roberto (03); Barry e Coakley (03); Ferreira et al, (03). Esse trabalho tem por objetivo verificar o padrão de exatidão cartográfica de acordo com os parâmetros definidos pelo Decreto n de 0 de junho de 984. A formulação empregada para avaliar a precisão e a tendenciosidade do ortomosaico é a consagrada na literatura e foi a utilizada por Galo e Camargo (994), Leal (998); Silva e Nazareno (009); Nazareno, et al (009) e Côrtes (00). Além de avaliar a precisão do ortomosaico verificou-se também problemas inerentes à junção das fotografias e da ortorretificação devido aos erros inerentes à determinação do Modelo Digital de Terreno (MDT).. METODOLOGIA Esse trabalho foi realizado no Parque Ambiental Macambira, situado Setor Faiçalville na cidade de Goiânia- GO. Esse setor não faz parte da zona de aproximação do aeroporto Santa Genoveva, do Aeródromo Nacional de Aviação - SWNV ou do Aeródromo Armapar SWO (ANAC, 009), situados na região metropolitana de Goiânia. Portanto, esse local não apresenta risco de colisão do VANT com outras aeronaves. É de extrema importância a realização, de forma cuidadosa, das verificações do pré-voo para garantir um voo com segurança. Antes do lançamento do VANT, o usuário deverá assegurar que a bateria esteja totalmente carregada, o ambiente se encontra livre de obstáculos, como vegetação, postes, fiação aéreas, dentre outros, para permitir a perfeita decolagem e pouso da aeronave. O VANT deve ser sempre lançado contra o vento, com inclinação da proa de 30º em relação ao solo, para evitar que a aeronave entre em estol. Após a decolagem o VANT sobrevoará em círculos o ponto base, o qual é automaticamente estabelecido acima da posição onde a aeronave foi preparada para a decolagem. Sem a ação do usuário, o VANT irá pousar, após um tempo de espera pré-definido (por padrão minutos), em espiral ao redor do ponto base até atingir o solo. O Swinglet CAM pode ser programado para seguir uma rota específica após a decolagem para tomar as fotografias em locais pré-definidos de forma contínua ou sistemática. Esse plano de voo é realizado no programa denominado e-mo-tion (Electronic MOnitoring station). As Etapas de um voo usando o VANT Swinglet CAM são mostradas na Figura. Figura - Etapas de um voo básico do Swinglet CAM Fonte: SenseFly, 0 Caso ocorra um problema de segurança tais como bateria fraca, ventos fortes ou sair dos limites da área de trabalho, o VANT irá tentar voar de volta ao ponto base a uma altura de 75 metros acima do solo e pousar após o período de espera de minutos (se o usuário não emitir nenhum comando pelo programa e-mo-tion). O Swinglet CAM é uma asa de pequeno porte que não foi projetada para voar em condições de chuva ou ventos com velocidade superior à 5km/h ou 7m/s. O Swinglet CAM e seus componentes estão representados na Figura, note que a câmara é fixada no corpo do avião e portanto sujeita à todas as alterações de atitude (direção de voo e movimentos de asa ou bico). A bateria totalmente carregada proporciona uma autonomia de aproximadamente 30 minutos de voo. O tempo estimado para o recobrimento da área foi de 8 minutos, por precaução os autores dividiram o aerolevantamento em duas etapas. 3

4 Por segurança os autores projetaram uma faixa comum aos dois aerolevantamentos. Desse modo, assegurou-se que seria impossível não existir a superposição ligando os dois aerolevantamentos. Com maior autonomia de voo, proporcionada pela divisão do recobrimento da área, cada aerolevantamento foi acrescido de uma faixa. Essa faixa extra proporcionou um aumento da área recoberta. Figura Vista inferior do Swinglet CAM Fonte: Adaptado de SenseFly, 0. A área recoberta pelo aerolevantamento possui 585,003 ha ou 5,83 km, gradiente constante de 5%; desnível aproximado de 70 metros e relevo suave ondulado. O voo foi planejado para ter recobrimento lateral de 30% e longitudinal de 70% com GSD (Ground Sampling Distance) de 0,0 metros, com o VANT a 33 metros acima do solo. No dia o vento estava com velocidade aproximada de km/h ou 3,05 m/s com azimute de 35º. No primeiro aerolevantamento foram projetadas 5 faixas com a tomada de 7 fotografias e no segundo foram projetadas 4 faixas com a tomada de 60 fotografias perfazendo um total de 3 fotografias no bloco. Na Figura 3 é possível ver os dois projetos aerofotogramétricos. O voo foi realizado no dia 0 de maio de 04 com início às horas para minimizar o tamanho das sombras das árvores ou das edificações altas. Figura 3 - Planejamento do primeiro e segundo voo. A câmara utilizada foi uma Canon modelo IXUS 0 HS ultra compacta, CMOS de /,3" (6,7 x 4,55 mm), pixel pitch de,54 µm, máxima resolução 4000 x 3000 (, Mpixel); distância focal equivalente de 35 mm e máxima velocidade do obturador /000 s. 4

5 O VANT utilizado foi o modelo Swinglet CAM produzido pela empresa suíça SenseFly. O planejamento do voo foi realizado no programa e-mo-tion versão..4. O mosaico ortoretificado foi confeccionado no programa Pix4Dmapper versão..3. Para a verificação da acurácia e precisão do ortomosaico produzido, foram implantados na área de estudo 46 alvos pré-sinalizados. Esses alvos foram distribuídos por toda a área. O modelo de alvo pré-sinalizado utilizado foi adaptado dos modelos sugeridos por Wolf (004) e Ministério do Exército (984). O modelo usado foi um círculo, porém sem as faixas laterais. No terreno o alvo foi representado por uma circunferência com 30 centímetros de diâmetro. Na imagem o alvo foi representado por uma matriz de 3x3 pixel. A Figura 4 mostra a implantação e o rastreio de um alvo pré-sinalizado. Figura 4 Implantação de um alvo pré-sinalizado As coordenadas tridimensionais de todos os alvos pré-sinalizados foram obtidas por posicionamento geodésico pelo método RTK (Real Time Kinematic) usando um par de receptores de sinais GNSS da marca Topcon modelo GR3. Ambos os receptores, base e móvel foram configurados para gravar os dados com taxa de um segundo, máscara de elevação de 5º. Aceitou-se somente solução fixa da ambiguidade e RMS (Root Mean Square) menor ou igual a 3 centímetros. A maior linha de base (distância entre o receptor móvel e o receptor base) foi de.335,5 metros. As coordenadas do ponto base foram determinadas por PPP (Posicionamento por Ponto Preciso), no site do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). O tempo de ocupação da base foi de 6 horas e 48 minutos. Para a geração do mosaico foi eliminada a faixa em comum e as duas faixas externas extras. Portanto, para a geração do ortomosaico foram utilizadas seis faixas com 9 fotografias, sendo 48 fotografias do primeiro voo e 43 fotografias do segundo voo. Nesse trabalho foram gerados quatro ortomosaicos distintos. O primeiro não utilizou nenhum ponto de apoio no solo, ou seja, o mosaico foi gerado utilizando os parâmetros de orientação exterior oriundos do sistema de navegação e do sistema inercial instalados a bordo do VANT. O segundo ortomosaico foi gerado utilizando quatro pontos de apoio ou controle. Nesse caso foram escolhidos como pontos de apoio os alvos situados mais próximos aos vértices do bloco, como mostra a Figura 5a. O terceiro ortomosaico foi gerado utilizando oito pontos de apoio, sendo quatro alvos situados nos vértices e quatro na mediatriz da reta que liga esses vértices formando um retângulo, como mostra a Figura 5b. O quarto ortomosaico foi realizado com 6 pontos de apoio. Sendo os oito alvos do terceiro mosaico e os demais espalhados pelo interior do bloco, como mostra a Figura 5c. Os alvos pré-sinalizados não utilizados como apoio ou controle foram usados para servirem de pontos de verificação ou checagem. Portanto o número de pontos de verificação variou de 30 a 46. 5a - Bloco com 4 apoios 5b - Bloco com 8 apoios 5c - Bloco com 6 apoios 5

6 A precisão e a acurácia do ortomosaico foram avaliadas pelas discrepâncias calculadas entre as coordenadas planimétricas dos pontos de verificação com as coordenadas dos mesmos pontos lidas no ortomosaico. As coordenadas planimétricas obtidas no levantamento RTK foram consideradas como verdadeiras, isto é, isentas de erro. Todos os ortomosaicos foram avaliados para terem um escala compatível com uma carta com PEC (Padrão de Exatidão Cartográfica) Classe A, conforme os padrões instituídos no Decreto Lei de 0 de junho de 984. Na Tabela é possível observar os valores dos erros admitidos em uma carta com PEC Classe A na escala de 00. Tabela - Padrão de exatidão cartográfico para uma carta Classe A na escala de Escala Classe Planimétrico Erro Padrão Carta (mm) Terreno (m) Carta (mm) Terreno (m) A 0,5 0,0 0,3 0,06 B 0,8 0,6 0,5 0,0 C 0,0 0,6 0, Um teste de hipótese foi realizado para verificar se o desvio padrão das discrepâncias da média quer para o eixo E ou eixo N será igual ou inferior ao desvio padrão esperado. O desvio padrão da amostra foram determinados pelas equações e e o desvio padrão esperado pela equação 3. O teste indicado para confrontar as o desvio padrão é o qui-quadrado. Para tanto formula-se duas hipóteses: a H 0 que presume que o desvio padrão da amostra é menor ou igual ao desvio padrão esperado e a H que presume que o desvio padrão da amostra é maior que o desvio padrão esperado. As duas hipóteses formuladas estão na Tabela. ( χ ). Nesse caso, calcula-se oχ da amostra e o compara com o valor teórico obtido de uma distribuição de probabilidadeχ, com determinado grau de liberdade e nível de confiança. Onde: ) σ ) σ E N Tabela - Teste de hipótese para verificar a precisão do mosaico. H 0 σ σ Versus ) σ ) σ E N H > σ > σ n i= σ E ( Ei E) ) () = n* n n i= σ n ( ) ( Ni N) ) () = n* n ( ) EP σ = (3) Se os valores calculados para oχ amostral de E e N forem simultaneamente inferiores ao χ tabelado, aceitase a hipótese H 0 e rejeita-se a hipótese H. Caso contrário aceita-se a hipótese H e rejeita-se a hipótese H 0. Os valores do χ podem ser calculados pelas equações 4 e 5. ) σ χ = * σ v= n χ tab α ( n ) (5) (4) Onde: n Número de elementos da amostra. A tendenciosidade do ortomasaico foi verificada pelo teste t-student. Com esse teste verificou se a média das discrepâncias da amostra quer para o eixo E ou eixo N seria igual a zero. Desse modo, formulou-se duas hipóteses a 6

7 hipótese H 0 que presume que a média das discrepâncias no eixo E e N são iguais a zero, e a hipótese H que admite que a médias das discrepâncias no eixo E e N são diferentes de zero As hipóteses H 0 e H formuladas são apresentadas na Tabela 3. Tabela 3 - Teste de hipótese para verificar a tendenciosidade do mosaico. H 0 E = 0 N = 0 Versus Os valores de E e N são obtidos pelas equações 6 e 7 respectivamente. H E 0 N 0 E = N = n i= n i= E N GNSS GNSS E n N n Ortomosaico Ortomosaico (6) (7) Os valores da distribuição t-student podem ser calculados pelas equações 8 e 9. ˆ E t = * n ˆ σ (8) v= n ttab = t α (9) Se os valores calculados para o ˆt amostral de E e N forem simultaneamente inferiores ao t tab tabelado, aceitase a hipótese H 0 e rejeita-se a hipótese H. Caso contrário aceita-se a hipótese H e rejeita-se a hipótese H RESULTADOS E DISCUSSÕES Ao realizar o ortomosaico usando as 9 fotografias, o ponto de apoio próximo ao vértice inferior esquerdo do bloco foi desconsiderado pelo programa Pix4Dmapper, apesar do mesmo aparecer em três fotografias. Para solucionar o problema, foi acrescido ao bloco mais uma faixa contendo 3 fotografias. Portanto, o ortomosaico foi gerado com 7 faixas e 94 fotografias, divergindo do bloco inicialmente proposto, 6 faixas e 9 fotografias. Na Figura 6 está o bloco processado para a geração do ortomosaico. Figura 6 - Faixas e fotografias utilizadas na geração do ortomosaico 7

8 Na Figura 6, perceba a curva formada ao ligar os centros das fotografias da mesma faixa por vários segmentos de reta. Esse fato indica que o VANT não realizou uma trajetória retilínea como estabelecido no plano de voo. A trajetória curva pode ter sido causada por vento com sentido lateral ao VANT ou pela precisão do receptor de sinais GPS (Global Positioning System) instalado a bordo do mesmo. A coordenadas da estação de exposição, e consequentemente as do VANT são determinadas, em tempo real, por posicionamento absoluto usando somente o código C/A (Curso/Aquisição). O receptor de sinais GPS usado no VANT é incapaz de armazenar os dados continuamente, e portanto, é impossível realizar o pós-processamento dos dados coletados para determinar a posição da câmara com maior exatidão. Ainda na Figura 6, observe o contorno das fotografias. Note que na mesma faixa não há sequer duas fotografias paralelas. Nas faixas e 3 representadas na cor azul, há fotografias que giraram quase 45º em relação à linha de voo. Essa variação angular é conhecida como crab, sendo esta provocada por ventos laterais à aeronave. Para manter a rota estabelecida, a aeronave, gira a proa em direção contrária ao vento. Desse modo, a aeronave passa a deslocar-se paralelamente à linha de voo, e sua proa aponta para direção diferente da inicialmente projetada para a linha de voo. No Swinglet CAM a câmara está presa ao corpo da aeronave e, portanto sua movimentação é solidária à atitude do VANT. Nesse caso, não há nenhum dispositivo acoplado à câmara para compensar a alteração da atitude do VANT. Na fotogrametria convencional, a câmara é acoplada em uma plataforma giro estabilizada, que mantem a horizontalidade da câmara bem como a direção da linha de voo. Uma aeronave pode realizar rotação em torno de seus três eixos. Na Figura 7a há um esquema de uma aeronave indicando os ângulos de rotação ômega, phi e kappa ou redor dos eixos X, Y e Z. Na Figura 7b há uma fotografia tomada no aerolevantamento cujos ângulos phi e ômega foram de -6,6º e -3,7º, respectivamente. Note como a rotação no eixo x influência na fotografia. Compare os objetos situados no lado esquerdo da fotografia com os do lado direito, note a diferença de escala. Para visualizar o efeito da rotação ao redor do eixo y, compare os objetos situados no bordo superior com os do bordo inferior, note a diferença de escala. Na fotogrametria convencional, de um modo geral, os ângulos phi e ômega são inferiores a º. Figura 7a - Eixos de rotação da aeronave Fonte: Figura 7b - Fotografia inclinada Os ângulos de rotação da câmara ômega, phi e kappa influênciam diretamente no recobrimento entre fotografias e entre faixas. Na Figura 8, há uma representação do ortomosaico indicando, por cores, em quantas fotografias a mesma área foi imageada. Note que no interior do bloco há várias áreas que foram imageadas somente em duas fotografias. Todo o processamento para a geração do ortomosaico é automático. Cabe ao operador, importar as coordenadas tridimensionais dos pontos de controle, se houver, e indicar sua posição em cada fotografia. Ao marcar o ponto de controle na fotografia, o programa ordena as fotografias iniciando com aquelas nas quais esse ponto pode aparecer. Na Figura 9 está representado o fluxograma para a obtenção do ortomosaico. Note que o fluxograma está representado em quatro cores distintas. Cada cor representa uma etapa no processo de obtenção do ortomosaico. A cor verde representa a entrada de dados. A primeira etapa do processamento, representada na cor laranja, inicia com a determinação de possíveis feições na fotografia que possam ser representada por um ponto. Percorre-se a fotografia verificando se cada ponto escolhido possui homólogo, ou seja, se ele aparece em duas ou mais fotografias. Caso o ponto 8

9 em estudo, possuir homólogo, ele é selecionado para compor a aerotriangulação, caso contrário, o ponto é descartado. Processa-se a aerotriangulação em conjunto com a calibração, portanto, os valores iniciais dos parâmetros de orientação exterior e interior são ajustados. Ao final do processo é gerado um relatório contendo uma série de informações sobre o ajustamento realizado. Figura 8 - Número de fotografia que imagearam a mesma área. Fonte: Relatório de processamento Pix4D A segunda etapa do processamento, representada na cor rosa, envolve a geração do MDS (Modelo Digital de Superfície). Com as coordenadas tridimensionais oriundas da aerotriangulação o programa gera o MDS que dá origem ao MDT depois de filtrado os pontos acima do solo e interpolado as regiões de vazios. O manual não indica o algoritmo ou os parâmetros utilizados na filtragem do MDS para a obtenção do MDT, ou como o mesmo é interpolado nas regiões sem informações. A terceira e última etapa são geradas as ortofotos em função do MDT e o ortomosaico. Figura 9 - Etapas do processamento para a geração do ortomosaico Fonte: Adaptado do suporte on line Pix4Dmapper, 03 O programa Pix4Dmapper pode ser vendido separadamente do VANT Swinglet CAM ou até mesmo alugado e, portanto seu código fonte é fechado. O manual de operação e utilização do programa não esclarece adequadamente como cada uma das etapas do processamento é realizado. Cabe ao usuário e autores intuir sobre a solução lógica e matemática aplicada no programa Pix4Dmapper ao comparar suas etapas com as pesquisas acadêmicas desenvolvidas na automação dos processos fotogramétricos. 9

10 Ao inserir as fotografias no projeto, o programa identifica automaticamente o fabricante e o modelo da câmara, nesse momento os parâmetros de orientação interior aproximados são carregados. Os parâmetros de orientação exterior são gravados em um arquivo com extensão *.log em formato ASCII. Cada fotografia é associada ao seu respectivo parâmetro de orientação exterior oriundo do sistema de navegação e do sistema inercial instalados a bordo do VANT pelo programa PostFlight Suite. Portanto, esses parâmetros são aproximados. Segundo o manual do Pix4Dmapper a aerotriangulação e a calibração são realizadas pelo ajuste simultâneo dos raios. Ao término da aerotriangulação e calibração é gerado um relatório para o usuário contendo algumas informações básicas sobre o processamento. As principais informações, desse relatório, estão disponibilizadas na Tabela 4. Tabela 4 - Principais informações obtidas no relatório de processamento Tipo de Mosaico Parâmetro Sem controle 4 Apoio 8 Apoio 6 Apoio GSD (cm),3,3,3,3 Área (km ) 4,3393 4,339 4,3376 4,334 Pontos de Ajustamento da Aerotriangulação ligação Sem controle 4 Apoio 8 Apoio 6 Apoio Nº Pontos D Nº Pontos 3D Total de Pontos Resíduo nos pontos (pixel) 0,3 0,94 0,89 0,93 Resíduos nos Pontos de Apoio Média - -0,004 0,005-0,000 RMS - 0,008 0,00 0,003 Pontos 3 D lidos Pontos 3 D em Sem controle 4 Apoio 8 Apoio 6 Apoio Fotografias Fotografias Fotografias Fotografias Fotografias Fotografias Fotografias Total Parâmetro Calibração Sem controle 4 Apoio 8 Apoio 6 Apoio Dist Focal (mm) 4,377 4,387 4,379 4,393 x 0 (mm) 3,5 3,6 3,7 3,7 y 0 (mm),36,363,364,360 R -0,04-0,04-0,04-0,04 R 0,09 0,08 0,08 0,08 R3 0,000 0,000 0,000 0,00 T 0,00 0,00 0,00 0,00 T 0,00 0,00 0,00 0,00 Ressalta-se que os quatro ortomosaicos foram gerados com os mesmo dados, alterando-se apenas a quantidade de número de pontos de apoio. Portanto o GSD e a área do mosaico deveriam ser a mesma. Ao analisar o GSD e área recoberta pelo ortomosaico na Tabela 4, verificou-se que o GSD executado ficou diferente do planejado. O GSD planejado foi de 0 cm e o executado ficou próximo de,3 cm. Quanto maior o número de pontos de apoio, menor a área do ortomosaico. Ressalta-se que a variação de área de 5.00 m não é compatível com a variação do GSD. Ao analisar os dados da aerotriangulação, na Tabela 4, observa-se que o aumento do número de pontos de controle usados na geração do ortomosaico, causou uma redução na quantidade total de pontos de ligação usados na aerotriangulação. Em todos os ortomosaico, a quantidade de pontos de ligação identificados em fotografias é quase 4 0

11 vezes superior à quantidade dos demais pontos. Há apenas dois parâmetros para avaliar a qualidade da aerotriangulação, o resíduo e RMS dos pontos de controle e RMS dos pontos de ligação. Os parâmetros de calibração da câmara constantes na Tabela 4 divergem entre si. O relatório de processamento, não informa o sigma a priori ou a posteriori, nem a matriz de correlação entre os parâmetros de orientação interior. Com os dados fornecidos no relatório da calibração não é impossível saber se as quatro calibrações são iguais. O manual da versão do programa Pix4UAV relatava que RD, RD e RD3 eram os parâmetros da distorção radial simétrica e os T e T os parâmetros da distorção descentrada. Ao atualizar o programa para a versão Pix4Dmapper, os parâmetros RD, RD e RD3 tiveram a sua simbologia alterada para R, R e R3 e o manual não indica o seu significado. Quer no relatório de processamento ou no manual do programa, esses parâmetros são expressos sem unidade de medida. Na Figura 0 há três recortes de um mesmo edifício visto em três ortofotos distintas da mesma linha de voo. Observe que é possível visualizar a lateral do edifício, note que a inclinação do prédio é diferente em cada ortofoto, e, portanto em cada ortofoto há uma zona de oclusão diferente. A análise dessas três fotografias permitiu aos autores intuírem que o programa Pix4Dmapper utiliza o MDT para a geração das ortofotos e por consequência do ortomosaico. Figura 0 Visualização do mesmo edifício em três ortofotos distintas. Todos os ortomosaicos gerados apresentaram problemas de ligação entre as ortofotos, como diferenças de tonalidades do mesmo objeto, linhas de junção visíveis, objetos distorcidos por erros na geração do MDT. Alguns desses problemas são mostrados na Figura. Figura - Problemas encontrados no ortomosaico

12 Os gráficos da Figura foram realizados com base nas discrepâncias calculadas entre as coordenadas dos pontos de verificação obtidas com GNSS com as determinadas no ortomosaico. O circulo menor do gráfico possui raio igual do GSD, ou seja, cm e o círculo externo o seu dobro. Figura - Representação das discrepâncias cálculas no pontos de verificação ou pontos de checagem Na Figura, observe as discrepâncias planimétricas obtidas no ortomosaico gerado sem pontos de apoio. Nota-se que apenas um ponto dos 46 pontos de verificação utilizados teve discrepância inferior a cm. Observe na Figura as discrepâncias planimétricas obtidas no ortomosaico gerado com 4 pontos de apoio. Nesse ortomosaico houve 4 pontos de verificação. Desse total, pontos tiveram discrepância superior a cm. Isso significa que 7,4% dos pontos de verificação tiveram discrepâncias inferiores a cm e 8,6% superiores a esse valor. Note que no gráfico da discrepância planimétricas obtidas no mosaico gerado com 8 pontos de apoio, na Figura, existe 4 pontos com discrepância superior a cm. Nesse ortomosaico houve 38 pontos de verificação e portanto 89,5% dos pontos tiveram discrepâncias inferior a cm e 0,5% superior a esse valor. Na Figura, observe as discrepâncias planimétrica obtidas no ortomosaico gerado com 6 pontos de apoio. Nesse ortomosaico houve 30 pontos de verificação, desses 3 tiveram discrepância planimétrica superior a cm e 7 tiveram discrepância inferior a esse valor. Portanto 0% dos pontos tiveram discrepância superior ao GSD e 90% tiveram discrepâncias inferiores ao GSD. Na Tabela 5 está a estatística das discrepâncias nos pontos de verificação, média, desvio padrão e maior e menor valor calculados. Tabela 5 - Média, desvio padrão, máxima e mínima discrepância calculada nos pontos de verificação. Com 4 pontos de Com 8 pontos de Com 6 pontos de Sem pontos de apoio Parâmetros apoio apoio apoio N E N E N E N E Média,06-0,039 0,05 0,08-0,00 0,00-0,03-0,09 Desvio Padrão 0,690 0,730 0,6 0,55 0,059 0,049 0,04 0,05 Valor Máximo,48,788 0,976 0,88 0,48 0,3 0,094 0,06 Valor Mínimo -0,035-0,969-0,47-0,6-0,098-0,088-0,098-0,57

13 Ao analisar a Tabela 5, pode-se observar que com o aumento do número de pontos de apoio há uma diminuição do desvio padrão, indicando que existe uma menor dispersão dos dados em relação à média. A análise da precisão foi realizada comparando-se o desvio padrão das discrepâncias, em ambos os eixos, com o desvio padrão esperado. Com os dados das discrepâncias em todos os ortomosaicos realizou-se o cálculo do quiquadrado considerando uma carta Classe A na escala de. Esses valores estão na Tabela 6. O qui-quadrado tabelado 00 foi determinado com nível de confiança de 90%. Os valores do grau de liberdade (n-) variaram de acordo com o número de pontos de verificação em cada ortomosaico. Tabela 6 - Qui-amostrais calculados para os eixos E e N e o qui-quadrado tabelado ( α= 90% ). ˆ χ E ˆ χ N ( ) χ n α Ortomosaico (n-) Classificação Sem ponto de apoio 6084,8 6807, ,5 Sem precisão Com 4 pontos de apoio 330,8 307,49 4 5,95 Sem precisão Com 8 pontos de apoio 36,39 4, ,36 Classe A Com 6 pontos de apoio 3,8, ,09 Classe A Analisando o qui-quadrado da Tabela 6, verifica-se que o qui-quadrado tabelado é maior para os dois eixos (E e N), nos ortomosaicos com 8 e 6 pontos de apoio. Portanto, pode-se dizer que esse ortomosaicos atende ao PEC com 90% de nível de confiança, como Classe A para a escala de 00. A análise de tendência verifica se estatisticamente a média das discrepâncias pode ser considerada igual a zero. Essa análise foi realizada pela distribuição t-student analisando as hipóteses propostas na Tabela 3. Se o valor tabelado para a distribuição t-student for maior que o calculado para ambos os eixos (E e N) aceita-se a hipótese que a média das discrepâncias podem ser estatisticamente considerada igual a zero. Os valores calculados para a distribuição t-student, com nível de confiança de 90%, com as discrepâncias de cada ortomosaico estão na Tabela 7. Tabela 7 - Cálculo dos valores da distribuição t-student para cada ortomosaico ( α= 90% ) ( ) tˆ n α E ( ) tˆ n α N ( n ) t α Ortomosaico (n-) Classificação Sem ponto de apoio 6,04 5,39 46,68 Com tendência Com 4 pontos de apoio,75,7 4,68 Com tendência Com 8 pontos de apoio,93-0,0 38,69 Com tendência Com 6 pontos de apoio -3,79 -,68 30,7 Sem tendência Analisando a Tabela 7, percebe-se que somente no mosaico gerado com 6 pontos de apoio os valores de t- student calculados foram inferiores ao tabelado, portanto esse mosaico não apresenta tendenciosidade. O mosaico com 8 pontos de apoio possui tendenciosidade no eixo E de cm. Os demais mosaicos possuem tendenciosidade em ambos os eixos. Na Figura 3 está o ortomosaico gerado com 6 pontos de apoio. Figura 3 - Ortomosaico gerado com 6 pontos de apoio 3

14 4. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Foram observados os seguintes problemas na obtenção das fotografias com o VANT:. As fotografias aéreas não são verticais;. Tanto a superposição longitudinal como a lateral não obedeceram às especificações do plano de voo; 3. A trajetória do VANT nas linhas de voo não foi retilínea; 4. Todas as fotografias apresentaram crab; e 5. Variação na altura de voo em relação ao solo. Apesar de todos os problemas detectados na obtenção das fotografias aéreas, não existiu nenhuma região que não aparecesse em pelo menos duas fotografias. Portanto, em toda a área recoberta pelo aerolevantamento foi possível determinar as coordenadas tridimensionais de um ponto, visualizado em pelo menos duas fotografias. O ortomosaico gerado usando as ortofotos não apresentou região sem informações, há não ser quando o operador realizava a substituição da ortofoto no ortomosaico. Com aumento do número de pontos de apoio ou controle houve uma redução no número total de pontos utilizados na aerotriangulação. Como esperado, o ortomosaico gerado sem pontos de controle no solo, foi o que apresentou as maiores discrepâncias planimétricas. Ao aumentar o número de pontos de apoio, a média e o desvio padrão das discrepâncias planimétricas diminuíram, por darem ao bloco aerotriangulado mais rigidez. Todos os ortomosaicos, exceto o realizado com 6 pontos de controle apresentaram tendenciosidade. Ao aumentar o número de pontos de apoio, a área do ortomosaico sofreu redução, mesmo mantendo o tamanho do GSD. Os testes de acurácia e exatidão foram realizados com o qui-quadrado e t-student para uma carta Classe A com escala. Essa escala é a maior escala de representação para um GSD de 0 centimetros. Após realizar os testes 00 estatísticos para verificar o PEC dos quatro ortomosaicos gerados, foi possível concluir que somente o ortomosaico gerado com 6 pontos de controle possui PEC Classe A para a escala de, sem tendenciosidade. 00 O ortomsaico gerado com oito pontos de controle foi classificado com PEC Classe A na escala de 00, porém apresentou tendenciosidade no eixo E. O ortomosaico gerado com 6 pontos de controle apresentou algumas linhas indicando o local da junção das ortofotos para a geração do mosaico, conforme ilustra a Figura. Foi identificado que algumas feições que deveriam ser reta apresentaram-se curva. Esse fato foi observado no telhado de casas e muro, conforme mostra a Figura. Aparentemente esse problema pode ter sido ocasionado por erro na filtragem do MDS para a obtenção do MDT. Recomenda-se que com vento lateral ao VANT o recobrimento lateral seja ampliado. Recomenda-se que futuros trabalhos verifiquem:. A precisão do MDT gerado;. A distribuição e o número mínimo de pontos de apoio para a obtenção de uma carta Classe A, em função do GSD; 3. Qual é o PEC de um ortomosaico gerado sem pontos de controle; 4. Verificar se os parâmetros de orientação interior obtidos nas quatro calibrações realizadas são estatisticamente iguais, fazendo a aerotriangulação em outro programa e verificando o seu resultado; e 5. Que os experimentos realizados sejam repetidos com ventos laterais, ao VANT, com velocidade superior a 5km/h. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AEROSPACE INDUSTRIES ASSOCIATION - Unmanned Aircraft Systems: Perceptions & Potential, 03. AGÊNCIA NACIONAL DE AVIAÇÃO CIVIL (ANAC) - Lista de aeródromos públicos e privados. Acesso: 5 jun 04. AGOSTINHO, F; OLIVEIRA FILHO, P. C. de Obtenção de fotografias aéreas de pequeno formato e videografia por meio de aeromodelo artesanal adaptado. In XV Símposio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Curitiba, PR, Brasil, 0. Anais p , 0. BARRY, P.; COAKLEY, R. Field accuracy test of rpas photogrammetry In: International Archives of the photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-/W, UAV-g03, Rostock, Germany, 03. Anais. p

15 BRASIL. DECRETO Nº DE 0 DE JUNHO DE 984. Estabelece as Instruções Reguladoras das Normas Técnicas da Cartografia Nacional. CÔRTES, J. B. R.Análise da estabilidade de câmaras digitais de baixo custo com diferentes métodos de calibração Tese de doutorado. (Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas) - Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 00. CÔRTES, J.B.R. O uso de fotografias aéreas de pequeno formato digitalizadas em mapeamento topográfico planimétrico. Dissertação de mestrado. (Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas) - Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 998. FERREIRA, A. M. R.; ROIG, H. L.; MAROTTA, G. S.; MENEZES, P. H. B. J. Utilização de aeronaves remotamente pilotadas para extração de mosaico georreferenciado multiespectral e modelo digital de elevação de altíssima resolução espacial. In: XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 03. Anais, p , 03. GALO, M.; CAMARGO, P. DE O.; O uso do GPS no controle de qualidade de cartas. In: º Congresso Brasileiro de Cadastro Técnico Multifinalitário. Tomo II, Florianópolis SC, 994. Anais, p. 4-48, 994 GARCIA-RUIZ, F.; SANKARAN, S.; MAJA, J. M.; LEE, W. S.; RASMUSSEN, J.; EHSANI, R. Comparison of two aerial imaging platforms for identification of Huanglongbing-infected citrus trees Computers and Electronics. Agriculture v. 9 p.06 5,.03 LEAL, E. da M. Análise da qualidade posicional em bases cartográficas geradas em cad. Dissertação de mestrado. (Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas) - Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 998. SENSEFLY Manual do usuário Swinglet CAM - Versão.0 de março de 0. MINISTÉRIO DO EXÉRCITO Manual Técnico de Aerotriangulação, T34-304, ª ed., 984. Nazareno, N. R. X. de; FERREIRA, N. C.; MACEDO, F. C. Avaliação da Exatidão Cartográfica da Ortoimagem Quickbird e da Ortofoto Digital do Município de Goiânia. In XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia, GO, Brasil, 009. Anais p , 009. PEGORARO, A. J.; GUBIANI, J. S.; PHILIPS, J. W. Veículo Aéreo não Tripulado: Uma Ferramenta de Auxílio na Gestão Pública. In: Simposio Argentino de Informatica y Derecho, Córdoba, 03. Anais P 77-87, 03 ROBERTO, A. J. Extração de Informação Geográfica a partir de Fotografias Aéreas obtidas com VANTs para apoio a um SIG Municipal.. Dissertação de mestrado. (Sistema de Informações Geográfica) Departamento de Geociências, Ambiente e Ordenamento do Território, Universidade do Porto, Porto, 03. RODRIGUES, F. Padaria drive-thru testa drone para a entrega de pães em São Carlos, SP O portal de notícias da Globo, 0/05/04. Disponível em: < Acesso em 0 mai 04. SILVA, L. A.; Nazareno, N. R. X. de Análise do padrão de exatidão cartográfica da imagem do Google Earth tendo como área de estudo a imagem da cidade de Goiânia. In XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia, GO, Brasil, 009. Anais p , 009 PIX4D Pix4Dmapper Process Suporte on line. Disponível em: < Acesso em: 0 jun 04. TANAKA, E. M.; ANDRADE, A. G.; GAWSKI, M.; PEDRO C. D. COLETTA, P. C. D. Validação de levantamento planialtimétrico realizado pelo veículo aéreo não tripulado (VANT) - sensefly na cultura de cana-de-açúcar. In: IV Encontro de Mecanização em Agricultura de Precisão, Pompéia, 03. Anais, 03. WOLF, D. Elements of Photogrammetry with Aplications in GIS. Third edition - The McGraw-Hill Companies,