INTEGRAÇÃO DO GPS COM A FOTOGRAMETRIA

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1 INTEGRAÇÃO DO GPS COM A FOTOGRAMETRIA JOSÉ MILTON ARANA jarana@prudente.unesp.br Departamento de Cartografia FCT/Unesp ESTUDO ELABORADO EM 1994 SUMÁRIO TÍTULO SUMÁRIO INTRODUÇÃO FOTOTRIANGULAÇÃO Considerações Gerais Classificação Fototriangulação Analógica Fototriangulação Semi-analítica Fototriangulação Analítica SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL Considerações Gerais GPS na Orientação de vôo RESULTADOS DA INTEGRAÇÃO DO GPS COM A FOTOGRAMETRIA Considerações Iniciais Resultados CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA

2 2 I INTRODUÇÃO Estudos, para a utilização do sistema de Posicionamento Global Global Positioning System GPS nos levantamentos fotogramétricos, tem sido realizados para o uso do receptor GPS em conecção com o sistema fotogramétrico aéreo. Há duas importantes razões para o uso do GPS a bordo na aeronave. Primeiramente para a performace do vôo fotogramétrico, ou seja, para a orientação da direção e altura de vôo. É também, a redução do número de pontos de apoio de campo, devido ao ajustamento na aerotriangulação, ser considerados os pontos dos centros perspectivo determinados pelo GPS durante o vôo fotogramétrico, isto no instante da tomada da foto. Pesquisas tem mostrado que é possível obter os centros perspectivo das fotos, pelo GPS na cobertura fotogramétrica, e assim, o número de pontos de apoio de campo necessário à aerotriangulação será menor se considerado os CPs determinados pelo GPS. A comunidade fotogramétrica reconhece o potencial do uso do GPS nos levantamentos fotogramétricos, pois este proporciona0 a economia de tempo, esforços e consequentemente economia financeira [Curry e Schuckman].4 O GPS, já exerceu e continua a exercendo impactos revolucionários em várias disciplinas, ligadas à navegação, monitoramento de deformação, levantamentos geodésicos. Em particular, o posicionamento geodésico sofreu uma completa

3 3 revolução com o advento e uso do GPS. Também a aerofotogrametria já está integrando este sistema e revoluácào similar é prevista. As principais tarefas da fotogrametria, na qual o GPS está sendo testado são:. No controle do vôo fotogramétrico;. No posicionamento da câmara fotogramétrica com alta-precisão; e. No posicionamento da aeronave com outros sensores (radar, radiômnetro, câmara VCR, ETC...). II FOTOTRIANGULAÇÃO 2.1 Considerações Gerais O objetivo da fototriangulação é o de eficientemente gerar coordenadas precisas de pontos do espaço objeto, a partir de coordenadas medidas em fotografias, devidamente tomadas ou em modelos estereoscópicos formados, e a de um mínimo de informações do sensor [Lugnani]. Para que as coordenadas de pontos do espaço objeto geradas sejam referidas a um sistema de coordenadas pré-definido, necessário se faz que, um mínimo de pontos de controle de campo seja fornecidos como dados (não necessariamente constantes). O não fornecimento desses pontos de controle de campo deixa indefinido o sistema de referência do espaço objeto dando origem a problemas de deficiência de posto ( rank ) da matriz dos coeficient4es das equações normais.

4 4 2.2 Classificação Com respeito ao tipo de processador, a fototriangulação pode aplicar solução analógica ou analítica ao problema fotogramétrico. Assim, a fototriangulação pode ser: a Analógica: o processamento de coordenadas de pontos do espaço objeto é feito analogicamente, isto é, com instrumentos fototrianguladores óticos, mecânicos e/ou óticos mecânicos; b Analítica: a computação das coordenadas dos pontos do espaço objeto é efetuado numericamente, a partir de coordenadas de pontos do espaço imagem; e c Semi-analítica: combinando ambos os processamentos, o analógico para construir modelos estereoscópicos e o numérico para a concatenação dos modelos. Fototriangulação semi-analítica e fototriangulação por modelos independentes são erroneamente considerados equivalentes [Lugnani] Fototriangulação analógica A fototriangulação analógica consiste na computação analógica (efetua processamento físico de dados analógicos) de coordenadas de pontos do espaço objeto a partir do recobrimento fotogramétrico adequado e de esparso controle de campo. É desenvolvida em instrumentos trianguladores. Nestes instrumentos, as fotografias de uma faixa são progressivamente

5 5 orientados de mode que os modelos formados resultem concatenados analogicamente, isto é, a faixa formada se constitui numa unidade, referida a um único sistema de coordenadas. Esta faixa estabelece pontos de ligação entre o esparso controle de campo existente através da orientação relativa progressiva e o ajustamento gráfico Fotogriangulação semi-analítica A fototriangulação semi-analítica utiliza o método de fototriangulação por modelos independentes para combinar recursos instrumentais disponíveis, com os benefícios procedentes da computação eletrônica. Esta combinação é atrativa, porque os instrumentos de fototriangulação analógica de primeira ordem, além de caros, não atingem o nível de precisão obtido semi-analiticamente. Por outro lado, os procedimentos puramente analíticos demandam extensivo processamento computacional, porém a interferência do operador é mínima. Este fator computacional que hoje não se constitui em dificuldade muito significante, foi constituído há poucos anos. Na fototrianglação semi-analítica, cada modelo estereoscópico é obtido num instrumento que disponha de recursos para a leitura ou registro de coordenadas tridimensionais dos pontos do modelo, e em etapa subsequente, os modelos são concatenados seqüencial ou simultaneamente, para formar faixas ou blocos analiticamente. Em consequência disto, este método não necessita de instrumentos do tipo, tornando-se atrativo para

6 6 organizações de limitada disponibilidade de recursos instrumentais Fototriangulação analítica Na fototriangulação analítica, o tratamento matemático tem início a partir de coordenadas medidas na foto, restringindo a intervenção humana na participação instrumental e de observações a um mínimo. No tratamento analítico dois procedimentos podem ser adotados: a pré-processamento (minimizar a influência dos erros sistemáticos); e b fototriangulação com parametrização. III SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL 3.1 Considerações gerais Um receptor GPS conectado à câmara fotogramétrica a bordo de uma aeronave pode ser usado para determinar a posição desta no instante da tomada de cada foto (posicionar o centro perpectivo da câmara no instante da tomada da foto). A estação de exposição pode ser determinada com uma precisão de aproximadamente 10 cm, com o uso do GPS no modo cinemático relativo e usando o pseudo-range, a precisão será de aproximadamente 100 cm [Curry e Chuckman]. Esta precisão (10 cm), na estação de exposição, é suficiente para realizar um ajustamento em bloco para aplicações de certos mapeamentos, assim, reduzindo o controle de campo no bloco fotogramétrico.

7 7 No modo tempo real, o posicionamento GPS pode auxiliar na navegação aérea, com posicionamento da linha de vôo, reduzindo falhas ou excessívo recobrimento lateral e/ou longitudinal. Existe a possibilidade de conecção entre o receptor e a câmara aérea, isto permitirá disparar o obturador da câmara no local pré-planejado. Trabalhos de investigação científica vem sendo desenvolvido para idealizar este sistema de gerenciamento integrado de vôo, que pode tornar possível um vôo fotogramétrico automático, pré-planejado. 3.2 GPS na fotogriangulação O sistema de Posicionamento Global GPS, consiste de uma constelação de satélites em órbita que transmites dados em duas freqüências, que podem ser recebidas por receptores estacionários ou em movimentos. Há no planejamento do sistema GPS, 21 satélites ativos, em órbita aproximada de km de altura, e 3 satélites sobressalentes. Assim, nesta configuração está previsto, que pelo monos quatro satélites seja visíveis a qualquer instante e em qualquer local, tornando possível rastrear-los, simultaneamente. Os satélites transmitem dados em duas freqüências portadoras, normalmente denominadas de L 1 e L 2. A freqüência l 1 é modulada com dois códigos, C/A e P. A freqüência L 2 é modulada apenas com o código P. Dependendo do receptor, um ou ambos os códigos e uma ou ambas as freqüências podem ser rastreadas simulatâneamentes.

8 8 Um receptor simples, apenas com o código C/A, operando em modo absoluto simples, pode calcular a posição com erro entre 30 e 100 metros [Curry e Schuckamn]. O satélite possui ainda o código S/A que é usado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América (U.S.A.) para reduzir a precisão de posicionamento pelo método absoluto simples. Usando um receptor em um ponto de coordenadas conhecidas, pelo método diferencial, pode-se obter precisão de 2 a 5 metros com a onda portadora do código C/A. Neste método diferencial, correções podem ser feitas em tempo real, com um rádio link entre o receptor em base e o receptor remoto. A aplicação do GPS na triangulação aérea, consiste na determinação das coordenas do centro perspectivo da câmara no instante da tomada da foto. Pela alta precisão oferecida pelo GPS no método diferencial, o uso das coordenadas do CP, obtidos pelo GPS, podem ser usados no ajustamento do bloco. Em adição, par aumentar a eficiência, os pontos de terreno podem ser reduzidos consideravelmente. Se a antena do receptor for instalada exatamente na vertical do centro perspectivo, evitar-se-á a correção de excentricidade da antena, sempre sujeita a um pequeno erro, acentuado com inclinações da aeronave. Outro erro minimizado pelos receptores mais modernos vem da necessidade de interpolação entre duas posições discretas, consecutivas, determinadas pelo GPS cinemático, para calcular o momento exato da exposição da câmara.

9 9 3.2 GPS na orientação de vôo Para fins de navegação, os receptores precisam ter capacidade de posicionamento em tempo real, através de determinações discretas de posição, a intervalos mais curtos possíveis. Os receptores aerotransportados são acoplados a um sistema de rastreamento de veículo, composto por um monitor, onde se pode projetar um mapa eletrônico digital com coordenadas dos principais acidentes geográficos dos extremos dos eixos das faixas fotográficas projetadas. Via teclado, é possível introduzir outros dados, tais como a numeração das faixas e pontos intermediários de passagem obrigatória. Um ponto luminoso, que representa a aeronave em vôo (no monitor de vídeo), se desloca sobre a linha projetada, orientando o piloto navegador a respeito da direção da faixa voada. Ainda, pode-se representar rastro da aeronave, que revela algum desvio da linha percorrida em relação ao eixo da faixa projetada. Se o afastamento for superior ao tolerável, refaz-se a faixa imediatamente. Através do comandos, pode-se ampliar o mapa eletrônico para, em certos trechos da linha, melhor perceber acidentes a serem sobrevoados. Com este sistema de navegação, soluciona-se o primeiro problema: a direção do vôo

10 10 fotogramétrico, om a tolerância da ordem de 100 metros na posição dos eixos das faixas, independente da altura de vôo. O uso do GPS no modo cinemático, na orientação de vôo mostra-se muito eficaz, diminuindo custos, tempo e aumentando a qualidade da cobertura fotogramétrica, pois permite ao piloto uma correção no orientação da faixa. IV RESULTADOS DA INTEGRAÇÃO GPS COM A FOTOGRAMETRIA 4.1 Considerações iniciais Vários estudos realizados com dados simulados e também com dados reais tem mostrado que a introdução do GPS na determinação da posição do centro perspectivo da câmara, na tomada da foto, tem contribuído de maneira decisiva para a redução dos pontos de apoio de campo na fototriangulação. A precisão ainda é alvo de pesquisa. 4.2 Resultados O posicionamento GPS no método relativo, elimina quase todos os erros sistemáticos de posicionamento e diminui o efeito da degradação do sinal, proporcionada pelo código S/A. O uso do GPS no modo cinemático, no vôo fotogramétrico, permite que o número d epontos de apoio de campo seja substancialmente reduzido, assim a fototriangulação em bloco tem-se mostradoeficiente e mais econômica. A fototriangulação, utilizando-se dos CPs determinados pelo GPS sofreu um grande avanço. Vários trabalhos de pesquisas

11 11 publicados, tem mostrado a contribuição do GPS, no modo diferencial cinemático DGPS, nas fototriangulações de blocos fotogramétricos. Experiências tem mostrado um acurácia da ordem de 5 cm em planimetria, e em 8 cm na altimetria quando comparados com pontos de checagem de terreno, em escala aproximadamente 1:10000, usando apenas quatro pontos de apoio de campo (pontos nos cantos dos blocas) [Gruen, Cocard and Kahle]. Isto vem a confirmar a potencialidade do DGPS no estabelecimento de controle para as fotogrametria. Assim, o DGPS na fotogrametria constitui uma ampla área de pesquisa que merece a atenção de pesquisadores das áreas de Fotogrametria e de Geodésia Espacial. V CONCLUSÃO Resultados tem demonstrado que a conjugação fotogrametria e GPS, reduz substancialmente a necessidade de pontos de controle, sem degradação da precisão. A melhoria da precisão é significante. Em experimentos com dados reais tem sido observado uma melhoria da ordem de 3,2 vezes [Bouloucos, Radwan]. Mas esta integração (GPS com a Fotogrametria) não está atendendo, plenamente, as necessidades da fotogrametria, assim pesquisas devem continuar sendo desenvolvidas para o aprimoramento desta integração. O uso de apenas quatro pontos de controle plani-altimétrico, sem pontos altimétricos adicionais, os resultados não são

12 12 satisfatórios, enquanto a adição de um ponto com as coordenadas X, Y e Z no centro do bloco melhora o resultado. Pode ser notado que a configuração geométrica dos pontos de controle podem causar instabilidade numérica em aplicações práticas, pois os blocos reais podem não apresentar uma configuração como as idealizadas nos testes de blocos simulados. A partir de diferentes configurações dos pontos de controle, utilizados no ajustamento combinado, o mais eficaz, com relação à precisão do bloco e ainda com redução dos potos de apoio de terreno, são quatro pontos de apoio de campo, situados nos cantos do bloco. Em fototriangulação usando dados GPS, não há necessidade de pontos de apoio planimétrico na parte interna do bloco. O uso do GPS na fotogrametria tem um grande potencial para reduzir a quantidade d epontos de controle necessários à fototriangulação. Vários pesquisadores e usuários tem demonstrado a capacidade e potencialidade do sistema. IV BIBLIOGRAFIA ACKERMANN, F. Operational Rules and Accuracy Models for GPS- Aerotriangulation. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing ISPRS. Washington ACKERMANN, F. and SCHDE, H. Aplication of GPS for Aerial Triangulation. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. v 59, n 11. Special Issue: GPS Photogrammetry. november ANDERSEN, F. Experience with Kinematic GPS During Aerial Photography en Norway. Proceedings of the 42 nd Photogrammetric Week. Stuttgart University

13 13 ASTORI, B. and PINTO, L. GPS and Photogrammetry: an Italian Experiment. Intenational Society for Photogrammetry and Remote Sensing ISPRS. Washington BAINS, H. S.Integration of GPS and Photogrammetry Reduces Flyins Strips in Highway Mapping. Intenational Society for Photogrammetry and Remote Sensing ISPRS. Washington BOULOUCOS, T., RDWAN, A. A. Quality Control of Combined Adjustment of Photogrammetric an GPS Data. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing-ISPRS. Wachington CURRY, S. and SCHUCKMAN, K. Pratical Consideration for the Use of Airbone GPS for Photogrammetry. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. v 59, n 11 Special Issue: GPS Photogrammetry. november GRUEN, A., COCARD, M., KAHLE, H. G. Photogrammetry and Kinematic GPS: Results of a High Accuracy Test. Photogrametric Engineering & Remote Sensing. v 59, n 11 Special Isuue: GPS Photogrammetry, november JACOBSEN K. Experiences in GPS Photogrammetry. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. v 59, n 11 Special Issue: GPS Photogrammetry, november LUGNANI, J. B. Introdução à Fototriangulação. Imprensa Univeritária da UFPR. Curitibas MAGRO, F. H. S. GPS & Aerotriangulation. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing-ISPRS. Washington. 1992