Sensoriamento remoto aerotransportado: uma abordagem usando câmaras digitais *

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2 Sensoriamento remoto aerotransportado: uma abordagem usando câmaras digitais * * TOMMASELLI, A. M. G.; HASEGAWA, J. K.; GALO, M.; IMAI, N. N.; RUY, R. da S. Sensoriamento remoto aerotransportado: uma abordagem usando câmaras digitais. In: Fernando Luiz de Paula Santil; Hélio Silveira; Maria Luzia de Souza; e Fernando Ricardo dos Santos. (Org.). Recursos tecnológicos aplicados à Cartografia. Maringá: Sthampa Gráfica e Editora, 2010, v. 1, p

3 SENSORIAMENTO REMOTO AEROTRANSPORTADO: UMA ABORDAGEM USANDO CÂMARAS DIGITAIS ANTONIO M. G. TOMMASELLI 1, JÚLIO K. HASEGAWA 1, MAURICIO GALO 1, NILTON. N. IMAI 1, ROBERTO DA S. RUY 2 1 UNESP Univ Estadual Paulista FCT - Faculdade de Ciências e Tecnologia, Departamento de Cartografia {tomaseli, hasegawa, galo, imai}@fct.unesp.br 2 Engemap Geoinformação roberto@engemap.com.br RESUMO - A evolução da Fotogrametria digital e do Sensoriamento Remoto está ligada ao desenvolvimento mais recente da tecnologia relacionada aos dispositivos eletrônicos. Com o advento das modernas câmaras digitais, bem como de discos com grande capacidade de armazenamento e rapidez de transferência de dados, é possível adotá-los para substituir as clássicas câmaras fotogramétricas analógicas. No caso das câmaras fotogramétricas baseadas em filme, graças a um sistema óptico e mecânico de elevado grau de qualidade e desempenho é possível realizar tomadas cujos produtos possuem alta qualidade geométrica. Por outro lado, as imagens tomadas por câmaras digitais podem ser processadas e manipuladas num computador de forma antes inimaginável em aparelhos óptico mecânicos como os restituidores analógicos. A transformação do suporte analógico para o digital permitiu a automação de diversas tarefas antes realizadas exclusivamente por um operador. Outras vantagens da aquisição digital são o tempo de resposta e a redução de custos. Os sensores eletrônicos também são fixos em relação às lentes, o que permite o uso de câmaras digitais comuns para o processo fotogramétrico, desde que calibradas previamente. Este trabalho mostra como vem sendo realizado o desenvolvimento de tecnologias alternativas de mapeamento, com câmaras adaptadas à aplicações métricas, bem como exemplos de aplicações reais, baseado no uso de câmaras digitais. ABSTRACT - The Digital Photogrammetry and Remote Sensing evolution is related to the recent development in electronic devices. Modern digital cameras with fast hard disks with large storage capacities are suitable to replace classical film based photogrammetric cameras. Images taken with metric cameras have high geometric quality. On the other hand, it is possible reach the same quality by processing digital images, without the limits of the analog support. Using digital images enables the automation of several tasks. Also, digital image sensors can be rigidly attached to the camera lenses, facilitating the use of ordinary cameras for metric purposes, with previous calibration. This work shows the steps in the development and improvement of photogrammetric and remote sensing alternative systems for mapping purposes, as well as real applications, based on digital cameras. Introdução A história da Cartografia está imbricada à própria história do desenvolvimento da humanidade. No entanto, o desenvolvimento do Sensoriamento Remoto e da Fotogrametria faz parte de uma história muito mais recente. Considerando este contexto, neste trabalho são apresentados alguns aspectos da evolução recente da Fotogrametria e Sensoriamento Remoto baseada em sensores digitais, procurando destacar alguns dos principais sistemas disponíveis, com maior foco em sistemas alternativos baseados em tecnologia adaptada para a finalidade de mapeamento. Alguns exemplos são apresentados e discutidos, de forma que o leitor tenha uma visão do impacto dessa tecnologia, bem como da possibilidade de desenvolvimento de sistemas de menor custo, quando comparado com sistemas fotogramétricos de alto desempenho, mas que permitem também a geração de produtos cartográficos que atendem aos padrões exigidos no país. Finalmente, é apresentada uma discussão sobre as perspectivas para usuários de produtos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto de alta resolução espacial. O advento das modernas câmaras digitais, bem como de dispositivos de armazenamento com grande capacidade e rapidez permitem que esses dispositivos realizem o papel das clássicas câmaras fotogramétricas analógicas. No entanto, o sucesso dessa substituição depende da adoção de modelos fotogramétricos e métodos rigorosos, os quais realizam o papel antes destinado ao próprio sistema de aerolevantamento, ou seja, manter a alta qualidade geométrica daqueles produtos fotogramétricos adquiridos com sistemas de imageamento fotogramétricos. Além disso, a capacidade de incluir diferentes bandas do espectro eletromagnético, como por exemplo, uma

4 banda espectral na faixa do infravermelho refletido, possibilita o desenvolvimento de aplicações típicas de Sensoriamento Remoto. Assim como no caso das imagens multiespectrais tomadas de plataformas orbitais, o desenvolvimento de aplicações mais refinadas dessas imagens depende não só do georreferenciamento adequado das imagens, como de métodos de tratamento radiométrico que possibilitem o relacionamento quantitativo dessas imagens com características físicas dos alvos imageados. Essa necessidade é ainda maior para análises temporais do meio físico. Atualmente existem duas arquiteturas básicas adotadas em câmaras utilizadas para fins fotogramétricos: os sensores de quadro e os sensores de varredura ou pushbroom. Na primeira categoria têm-se as câmaras compostas por um quadro e um sistema óptico, bem como as câmaras digitais de múltiplas objetivas (multi head cameras). Na segunda categoria estão incluídas as câmaras tri-linear, que possuem um conjunto de elementos sensores lineares do tipo CCD (Charge Coupled Device), dispostos sobre um quadro. Todas essas câmaras possuem a capacidade de obter imagens tanto no espectro visível, como no infra-vermelho próximo. Em função da mudança de orientação à medida que a varredura é efetuada, no caso das câmaras tri-linear, normalmente elas operam com sensores de navegação e orientação, que permitem a determinação da atitude da aeronave, o que facilita o pós-processamento das imagens geradas. Como mencionado, o uso de sensores de navegação e orientação, que se dá por meio de receptores GNSS e sistemas inerciais, além da importância destacada, também implica em redução de custos de levantamentos de campo, conferindo maior agilidade ao processo de produção fotogramétrico. A integração destes subsistemas de navegação, que incorporam tanto o registro da posição quanto a mudança de atitude da aeronave durante a aquisição das imagens, é essencial para a automação de algumas das etapas posteriores do processo fotogramétrico. No entanto, além da calibração geométrica do sensor é essencial a calibração de todo o sistema para o sucesso dos levantamentos realizados com esse tipo de sistema. Apesar de ainda não ser muito comum no Brasil, câmaras profissionais que não foram projetadas para esse propósito (mapeamento), podem ser utilizadas neste tipo de sistema, pois é possível processar as imagens e obter dados cuja geometria seja adequada para o mapeamento sistemático, desde que esses sistemas sejam devidamente calibrados e as imagens tratadas com base em modelos que absorvam as eventuais distorções sofridas. Como exemplo deste sistema pode-se mencionar o sistema desenvolvido pela FCT/Unesp, numa parceria com a empresa Engemap Geoinformação (2007), que permitiu projetar e construir um sistema fotogramétrico baseado em câmaras de uso geral, mais especificamente as câmaras digitais Hasselblad. Neste trabalho são apresentados alguns sistemas de aquisição de imagens digitais disponíveis atualmente e destinados ao uso fotogramétrico, bem como o resultado do desenvolvimento do sistema mencionado, baseado no uso de uma câmara de alta qualidade, mas não desenvolvida originalmente com propósitos fotogramétricos. São apresentados alguns aspectos relativos às necessidades de adaptação, qualidade dos produtos gerados com as imagens tomadas por esse sistema, inovações que tornam esse produto mais interessante para a produção cartográfica e alguns exemplos de aplicação. Sistemas de aquisição de imagens em Fotogrametria Os sistemas destinados à aquisição de imagens aerotransportadas se baseiam no modelo de câmara de orifício (pinhole camera) que nada mais é que uma caixa hermeticamente fechada com um pequeno orifício. O orifício permite a passagem dos raios de luz provenientes do espaço objeto fotografado, projetando a cena invertida no plano oposto ao do orifício, produzindo uma imagem sem aberrações e distorções. Essa característica é de fundamental importância na Fotogrametria. No entanto, uma câmara desta natureza deixa passar pouca luminosidade, tornando-a lenta e imprópria para a maioria dos trabalhos fotogramétricos. Com a finalidade de contornar esse problema, usam-se lentes para aumentar a quantidade de luz que passa pelo orifício. Desta forma, as lentes utilizadas numa câmara fotográfica têm por finalidade captar parte do cone de luz refletido pelo objeto, focalizando-o na superfície plana oposta à lente. As lentes provocam imperfeições na imagem, degradando a nitidez e produzindo aberrações como: aberração esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo e distorção. Essas aberrações são conhecidas da óptica como aberrações de Seidel, sendo que a última delas, denominada distorção, provoca o deslocamento dos pontos no plano imagem. Os deslocamentos nos pontos, provocados pela distorção, podem ser modelados por um procedimento de calibração da câmara. Esse procedimento é usualmente realizado em Visão Computacional e Fotogrametria, principalmente quando as imagens são usadas com finalidades métricas. Independente do modelo considerado neste processo são determinados parâmetros inerentes à câmara (parâmetros de orientação interior ou intrínsecos) que permitem a correção dos erros sistemáticos e o adequado uso das imagens nas demais etapas do processo Fotogramétrico. São diversas as formulações matemáticas que modelam, com maior ou menor aproximação, as condições físicas que ocasionam os erros. Mais detalhes destes aspectos podem ser obtidos em (BROWN, 1966; ANDRADE e OLIVAS, 1981; TOMMASELLI e TOZZI, 1990; GALO, 1993; ANDRADE, 2003). Além das aberrações mencionadas, que são de natureza monocromática, tem-se a aberração cromática, que é decorrente da decomposição dos diversos comprimentos de onda que compõem a luz branca. As câmaras métricas, classicamente usadas em Fotogrametria, também chamadas de câmaras analógicas, possuem como características básicas um sistema de lentes estável, com alta qualidade geométrica, de forma a proporcionar imagens com pequenas aberrações; dispositivos obturadores de alta eficiência para possibilitar as tomadas

5 fotográficas em alta velocidade, a fim de diminuir o arrastamento; marcas fiduciais, dentre outras características. Para as aplicações de mapeamento, as câmaras devem ter os seus parâmetros de orientação interior (distância focal, posição do ponto principal) conhecidos, a fim de possibilitar a reconstrução 3D fidedigna dos objetos fotografados. Além disso, o conhecimento destes elementos, juntamente com as marcas fiduciais, permite que o feixe de raios que gerou a imagem possa ser reconstruído. O produto inicial gerado neste processo é o negativo fotográfico, que pode ser reproduzido em forma de fotografias ou diapositivos e depois digitalizado para uso em uma estação fotogramétrica digital ou sistema fotogramétrico digital. A evolução dos dispositivos fotodetectores a base de silício resultou nos modernos sistemas de imageamento tanto aéreo quanto orbital. Os sensores mais comuns são o CCD (Charge Coupled Device) e o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Ambos os sensores possuem o mesmo princípio: dependendo da quantidade de fótons incidente num elemento sensor, uma quantidade de cargas é acumulada. Posteriormente esta carga é convertida em um sinal analógico que passa por um conversor A/D (analógico digital), dando origem à imagem digital. Para mais detalhes do procedimento acima descrito, bem como para as diferenças entre CCD e CMOS a referência Litwiller (2001) é recomendada. São várias as vantagens dos sensores digitais, dentre as quais se destacam: a possibilidade de análise e processamento quase imediata dos dados capturados, já que nenhuma revelação fotográfica é necessária; a grande variedade de resoluções espaciais e a possibilidade de automação de algumas fases do processo fotogramétrico de produção dos mapas. Deve-se destacar que a adoção de sistemas sensores digitais introduziu a possibilidade de realizar análise dos atributos espectrais. A informação espectral não só possibilita o desenvolvimento de aplicações para a análise do meio físico, mas amplia o conteúdo informacional que pode ser usado nos processos de automação da Fotogrametria digital. Em termos de sistemas de aquisição voltados para a Fotogrametria, estão disponíveis diversos modelos no mercado, baseados em diferentes geometrias (ver Figuras 1a e 1b). As câmaras baseadas no principio tri-linear possuem diversos sensores lineares (como no push-broom), mas dispostos num único quadro (como as câmaras de quadro). Como exemplo de câmaras que utilizam esse princípio (trilinear) pode-se mencionar as câmaras ADS 80 (Airborne Digital Sensor) da Leica Geosystem (Figura 1c) e a HRSC (High Resolution Stereo Câmera) desenvolvida pelo DLR (German Aerospace Center), mostrada na Figura 1d. Embora o nome inicial deste tipo de sensor seja tri-linear, o número de sensores lineares é normalmente maior que isso. Para a câmara ADS 80, por exemplo, onde dois modelos de sensores estão disponíveis, chamados sensor SH81 e SH822, tem-se 8 e 12 sensores lineares, respectivamente. Nas Figuras 1e e 1f, mostra-se a disposição dos CCDs para essa câmara (para um dos modelos). Pode-se notar que além dos CCDs que adquirem no modo pancromático temse sensores cuja radiação eletromagnética é filtrada para que recebam energia somente das bandas espectrais correspondentes à luz vermelha (R), luz verde (G), luz azul (B) e radiação eletromagnética na faixa do infravermelho próximo (IV). Na porção nadir do sensor pode-se notar a presença de dois CCDs pancromáticos, sendo que um deles é deslocado de ½ pixel em relação ao outro. Há um prisma especial que garante que todos os sensores nadirais recebam luz com a mesma orientação, o que evita pequenos deslocamentos na imagem causados pela paralaxe. Uma outra categoria de câmaras fotogramétricas digitais de alto desempenho engloba as câmaras com múltiplas objetivas. Como exemplos de câmaras com estas características pode-se mencionar a câmara DMC - Digital Metric Camera (da Z/I intergraph), mostrada na Figura 1g. Um exemplo da formação da imagem, formada pela combinação de sub-imagens é apresentada na Figura 1h. Além dessa tem-se um dos modelos da UltraCam (da Vexcel / Microsoft), na Figura 1i, sendo mostrada na Figura 1j a formação da imagem final, obtida pelas quatro objetivas centrais (alinhadas). Além dessas câmaras pode-se mencionar também a câmara DIMAC Digital Modular Aerial Câmera (da DIMAC Systems) e a DSS Digital Sensor System (da Applanix), nesta mesma categoria. Evolução dos protótipos de sistemas de aquisição Sistemas de aerolevantamento fotogramétrico alternativos vêm sendo objeto de pesquisa na Unesp de Presidente Prudente desde a formação da equipe dos primeiros pesquisadores dessa área no Departamento de Cartografia. As abordagens adotadas no princípio desse período baseavam-se na adaptação de câmaras fotográficas de uso convencional para esta tarefa. Desde então, foram desenvolvidos diversos modelos e aplicativos com vistas a obter um produto final de qualidade compatível com as exigências de qualidade geométrica de produtos destinados à cartografia sistemática. Em 1986 um projeto de avaliação do potencial cartográfico de câmaras não-métricas foi financiado pelo MEC- SESU (TOMMASELLI, 1986). Com estes recursos, foram desenvolvidas algumas aplicações (Figura 2a), em particular o monitoramento de plantas emersas infestantes do reservatório de Santo Anastácio (Figura 2b), que abastecia a cidade de Presidente Prudente. Outros trabalhos foram realizados, estudando-se formas de processamento destes dados obtidos com câmaras de pequeno formato (AMORIM, TOMMASELLI e SILVA, 1989). Com a disponibilidade de câmaras digitais, alguns trabalhos preliminares de fotogrametria de curta distância foram desenvolvidos. Nesse sentido, diversas rotinas foram desenvolvidas para realizar o processamento digital das imagens. Algumas dessas rotinas e alguns dos resultados obtidos nesse tipo de aplicação mostraram que uma

6 abordagem de mapeamento baseada em sensores digitais oferece potencial para desenvolver soluções mais ágeis e de menor custo, caso incluíssem modelos matemáticos adequadamente projetados para o tratamento das imagens. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) Figura 1 (a) Geometria de quadro (frame) e linear (push-broom) (Adaptado de Mikhail et al (2001)); (b) Princípio do sensor tri-linear; (c) Câmara ADS 80 e (d) HRSC. (e) Princípio da varredura usada pelo sensor ADS 80; (f) Sensores lineares considerados numa das versões (sensor head - SH82) (Adaptado de Leica Geosystems (2010)). (g) Sistema óptico da câmara DMC da Z/I intergraph e (h) Combinação das sub imagens geradas a partir dos quatro cones centrais; (i) Sistema óptico da câmara UltraCam; (j)combinação das nove sub imagens obtidas a partir dos 4 cones centrais alinhados (Adaptado de Cramer (2004a, 2006)). Mais recentemente foi realizado o desenvolvimento de uma abordagem baseada em uma câmara digital multiespectral. Duas motivações principais podem ser apresentadas para a escolha dessa câmara de vídeo digital como o

7 núcleo de um sistema de aerolevantamento. A primeira delas relaciona-se com o fato desse dispositivo permitir a gravação dos dados num computador e, assim, viabilizar a tomada de um número elevado de quadros, uma vez que esses dados podem ser armazenados em disco rígido. A câmara multispectral digital DuncanTech MS3100 CIR adotada é mostrada na Figura 2c. Essa câmara foi selecionada em 1999 e adquirida em 2000, quando os dispositivos de armazenamento de dados apropriados para câmaras digitais ainda eram muito limitados. Outra razão que conduziu a escolha desse sistema sensor foi o fato dessa câmara realizar tomadas na banda do infravermelho próximo, o que acrescenta um grande diferencial nas imagens obtidas por aerolevantamento. No contexto do sensoriamento remoto orbital, já era, há muito tempo, reconhecida a necessidade de imageamento no espectro óptico que incluísse a faixa espectral conhecida como infravermelho próximo, mas nos aerolevantamentos não havia, com frequência, a disponibilidade de dados nessa faixa espectral. Para aplicações em análise do meio físico, em agricultura de precisão, dentre outras, a contribuição dessa faixa espectral não é desprezível e constituiu um fator decisivo nessa escolha. Essa câmara digital possui três sensores CCD. Cada sensor tem dimensão de 6,4 mm (h) 4,8 mm (v). Entre as lentes e cada sensor CCD há uma séria de elementos ópticos como prisma, filtros e películas dicróicas (Hi-Tech, 2005), como pode ser visto na Figura 2d. As duas películas dicróicas dividem a energia eletromagnética em faixas de comprimentos de onda específicos (infravermelho próximo - IR, vermelho - R e verde - G), de modo que cada um dos CCDs recebem a energia nestes comprimentos de onda. As primeiras especificações e configurações do sistema baseado nessa câmara foram feitas em Numa primeira etapa foi desenvolvida uma abordagem para a produção de imagens georreferenciadas com base em coordenadas adquiridas de um receptor GPS instalado na plataforma aérea. Nesse sentido, a câmara e o receptor foram sincronizados a fim de obter coordenadas do centro perspectivo da câmara. Para a realização dos testes experimentais foi realizada uma parceria com o Departamento de Engenharia da UFLA Universidade Federal de Lavras - MG, que permitiu a instalação do sistema e dos levantamentos aéreos experimentais com esse protótipo numa aeronave pertencente a essa Universidade. O sistema foi instalado no avião Cessna PA-18, em cooperação com a Universidade Federal de Lavras (UFLA), proprietária da aeronave, e o aeroclube de Lavras - MG. Na Figura 2e é mostrada a aeronave, cuja manutenção e operação ficam a cargo do Aeroclube de Lavras. Alguns detalhes relacionados com a câmara e lentes são apresentados a seguir: Câmara: Multiespectral DuncanTech; Modelo: MS3100 CIR (Part N o , Serial N o. 152); Sensor: 3 CCDs (1/ mm); Dimensão da imagem: 1392 (h)x1039 (v); Objectiva: Tokina AT-X Pro (N o Série N o ), φ77 mm; Lentes esféricas; Distância focal nominal: 17 mm. Para o georreferenciamento direto das imagens foi necessária a instalação da antena do GPS na parte externa da aeronave. A Figura 2e ilustra a antena do GPS instalada na parte externa do teto da aeronave (HASEGAWA et al, 2004). Essa abordagem possibilitou a geração de diversos produtos, dentre os quais se destacam os mosaicos georreferenciados destinados ao suporte à tomada de decisões na agricultura de precisão. Na Figura 2f é mostrado um mosaico do campus da Universidade Federal de Lavras UFLA, cujas imagens foram concatenadas com ajuste radiométrico na faixa de transição sendo a transformação afim foi utilizada para o relacionamento geométrico entre as imagens (ARRUDA e HASEGAWA, 2003). Na Figura 2g é mostrado um detalhe ampliado deste mesmo mosaico. O georreferenciamento direto do mosaico é realizado considerando que os centros perspectivos das imagens possuem coordenadas conhecidas no sistema de referência geodésico, e que estas coordenadas são equivalentes às coordenadas do ponto principal, localizado próximo ao centro da imagem. Essa técnica foi aplicada com o objetivo de explorar o conceito de cartografia rápida (fast mapping) e caracterizada por um baixo custo de aquisição e manutenção, requisitos necessários em algumas aplicações cartográficas. Um dos produtos desse sistema destinava-se ao monitoramento de cultura de soja, cujo principal objetivo é produzir um indicador espectral relacionado com a produtividade dessa cultura. Na Figura 2g é apresentado um mosaico da área experimental de soja da Fazenda Experimental da Empresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais EPAMIG, da cidade de Uberaba - MG. Esse mosaico foi produzido pela concatenação de imagens retificadas, cujos elementos de orientação exterior foram obtidos pelo processo de fototriangulação por feixes de raios perspectivos, utilizando os pontos de apoio sinalizados na área do experimento. Devido à câmara não ter sido concebida para aplicações métricas, foi necessário a determinação dos parâmetros de orientação interior, utilizando a metodologia de câmaras convergentes para eliminar algumas correlações. O programa de Calibração de Câmara CC (GALO, 1993) foi utilizado para a estimativa dos parâmetros de orientação interior (HASEGAWA et al, 2006).

8 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Figura 2 - (a) Estrutura montada no avião do sistema de aquisição de imagens; (b) Imagem panorâmica de parte do reservatório de Santo Anastácio Presidente Prudente SP; (c): Câmara Multispectral DuncanTech MS3100 (Adaptado de Redlake (2003)); (d) Geometria interna e principais componentes do sistema óptico da câmara DuncanTech MS3100 CIR (Adaptado de Hi-Tech (2005)); (e) Aeronave da UFLA na qual o protótipo de sistema de Sensoriamento Remoto foi instalado de modo experimental; (f) Posição da antena GPS no teto da aeronave; (g) Mosaico obtido com imagens infra-vermelhas do Campus da UFLA; e (h) Mosaico com imagens IR adquiridas da área experimental de soja de Uberaba MG.

9 Essa câmara digital, como mencionado, divide um feixe de radiação eletromagnética incidente para sensibilizar os três CCDs, como visto na Figura 2d. Em princípio essa câmara é usada para capturar imagens coloridas com a divisão da energia incidente nas faixas espectrais correspondentes à radiação visível. Com a substituição de filtros e da película dicróica, ela captura radiação no infravermelho próximo. Entretanto, as lentes que compõem a objetiva não tem o mesmo comportamento para radiação no espectro visível e no infravermelho próximo, conduzindo a algum problema de registro entre os dados tomados nos diferentes canais. Os experimentos realizados e os testes estatísticos indicaram a existência de translações não nulas entre as bandas, sendo importante a sua consideração em algumas aplicações de natureza métrica, principalmente aquelas nas quais se pretende fazer a reconstrução da geometria 3D dos objetos, a partir do uso de múltiplas imagens (GALO et al., 2005). Outro produto, também gerado por este sistema, de grande potencial para aplicações em agricultura de precisão são os mosaicos produzidos para monitoramento do desenvolvimento de plantas daninhas em regiões de produção de café. Usualmente a aplicação de herbicidas é planejada e executada de forma homogênea em todo o campo, mas as concentrações dessas plantas ocorrem de forma aleatória no espaço. Sendo assim, o mapeamento prévio dessas plantas daninhas constitui um importante instrumento de planejamento da aplicação, que evita a aplicação desnecessária do produto, contribuindo principalmente para o desenvolvimento sustentado da lavoura. Sartori et al. (2009) mostram o resultado da classificação de classes de densidade de plantas daninhas em áreas de cultura de café, pela aplicação da abordagem baseada em redes neurais artificiais em imagens desse sistema. Em 2006 foi iniciado um projeto com a finalidade de adquirir imagens digitais a serem utilizadas no projeto Parque Aqüícola UHE Ilha Solteira, desenvolvido pela equipe de docentes da Unesp de Ilha Solteira. No âmbito do mapeamento, este trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema de processamento de dados com imagens de maior capacidade para aplicações em levantamentos de recursos naturais e mostrar como a integração de geotecnologias pode ser utilizada para adquirir informações geográficas com agilidade. O sistema foi projetado para capturar imagens com câmaras digitais e registrar a posição do Centro Perspectivo da câmara por um receptor GPS, além de usar informações de pontos com mesmas altitudes (margens dos espelhos d água) no processo de fototriangulação, visando diminuir ou eliminar pontos de apoio. A Câmara digital utilizada foi a Sony CyberShot de 10Mpixel (3888 x 2592), com pixel de dimensão de 0,009mm, sendo as imagens adquiridas com elemento amostral no terreno de 1m (GSD 1,0m). O receptor GPS com portadoras L1 e L2 foi montado na aeronave, sendo que as tomadas fotográficas foram sincronizadas pelo computador. O disparo da câmara foi gerenciado pela porta paralela do PC e os instantes de aquisição das posições do GPS foram recebidos pela porta serial. A aeronave e o sistema de aquisição de imagens com georreferenciamento direto são apresentados nas Figuras 4a, 4b e 4c. Foram tomadas cerca de 800 imagens, sendo usadas apenas 70 (setenta) com superposição aproximada de 60%, formando um bloco com 4 (quatro) faixas com superposição lateral aproximada de 30% e uma faixa transversal na extremidade superior do bloco. A Figura 4d apresenta esquematicamente as imagens que formam o bloco utilizado nos experimentos deste projeto. Para os experimentos foram utilizados 9 pontos de duplo apoio, 9 pontos de verificação e 741 pontos de enlace (tie points). Dos 741 pontos de enlace, 58 pontos foram utilizados como injunções com valores de alturas iguais (pontos nas margens do lago). No bloco utilizado nos experimentos, somente as 4 faixas paralelas foram obtidas com posicionamento GPS durante o vôo. Os pontos de apoio foram determinados com o receptor GPS Ashtech Reliance, utilizando o método relativo semi cinemático. O sistema de referência utilizado foi o SIRGAS 2000, adotado, recentemente no Brasil. As observações foram realizadas (e fototrianguladas) no sistema fotogramétrico digital LPS da Leica GeoSystem, disponível no Laboratório de Fotogrametria do Departamento de Cartografia. Um dos produtos cartográficos gerados nesse projeto foi o mosaico de imagens retificadas (Figura 4e), no qual medidas planimétricas podem ser realizadas (HASEGAWA et al, 2007). Uma potencial aplicação das técnicas fotogramétricas digitais pode ser a a determinação dos limites territoriais brasileiros, em áreas de difícil acesso, usando imagens coletadas com câmaras digitais de médio formato instaladas a bordo de aeronaves. Neste sentido foi realizado um acordo de cooperação entre a FCT/Unesp e a Marinha do Brasil para analisar a possibilidade de aplicação das técnicas de Fotogrametria Digital através do emprego dos meios operativos da Marinha do Brasil. Foi estudada uma metodologia que permita a atualização cartográfica, segundo os padrões recomendados pela OHI - Organização Hidrográfica Internacional (2010), possibilitando a determinação das Linhas de Base das ilhas oceânicas brasileiras, e seus respectivos Mares Territoriais e Zonas Contíguas, por meio de uso de imagens adquiridas por câmaras digitais embarcadas em helicópteros. Neste sentido foi realizado um experimento no arquipélago Martim Vaz, distante aproximadamente 580 milhas a leste de Vitória (ES), composto por três pequenas ilhas, de origem vulcânica, situadas 26 milhas a leste da Ilha da Trindade. A maior é a Ilha Martim Vaz, com aproximadamente 175 metros de altitude, seguindo-se a Ilha Sul com 122 metros, e a Ilha Norte, com 75 metros de altitude (ver Figuras 3: f e g). A vegetação das ilhas é constituída de pequenos e raros arbustos. O único acesso à Ilha Martim Vaz é por meio de helicópteros (RAMOS et al, 2008).

10 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Figura 3 - (a), (b) e (c): Sistema de aquisição georreferenciado instalado no avião; (d): Fotoíndice da área do experimento UHE Ilha Solteira; (e): Bloco com 70 imagens da área e distribuição dos pontos de apoio e verificação. (f) e (g): Ilhas Martim Vaz (Fonte: RAMOS et al (2008)) Foram utilizadas imagens digitais verticais tomadas com uma câmara digital SONY F-828, acondicionada em um suporte metálico, rigidamente instalado na parte inferior de um helicóptero. As linhas de vôos foram executadas no sentido Sul-Norte nas altitudes de 2500 e 4000 pés, com GSD de 29 cm e 44 cm, respectivamente. Em função das reduzidas dimensões da ilha, 844m no sentido Norte-Sul e 656m no sentido Leste-Oeste, das imagens obtidas nos vôos foram selecionadas 06 imagens obtidas na altitude de 1120 m e 09 imagens na altitude de 750 m. Em função da dificuldade de acesso foi possível definir apenas quatro pontos de apoio na região central da ilha, condição que não é a ideal. Essa deficiência geométrica (poucos pontos de apoio e concentrados) foi resolvida utilizando-se procedimentos alternativos para solução da fototriangulação, como pontos na lâmina d água com a restrição de possuírem a mesma altitude. A fraca geometria dos pontos de controle se deve às dificuldades de deslocamento no topo da ilha, conforme pode ser observado na Figura 4g, o que inviabilizou a materialização de pontos de controle e de verificação de uma forma mais distribuída pela ilha. Deste modo, dadas às restrições apontadas os resultados indicam que é possível gerar produtos na classe A, na escala 1/ A partir destes resultados obtidos pode-se considerar que a metodologia adotada, baseada em técnicas da Fotogrametria Digital, e no uso de imagens adquiridas por câmaras digitais de médio formato, coletadas a partir de helicópteros, atende às especificações internacionais da OHI (OHI, 2008) para a representação cartográfica náutica de linhas de contorno o que toma uma relevante importância estratégica, agregando agilidade para a realização do mapeamento náutico, sobretudo em regiões de difícil acesso.

11 Câmaras digitais de médio formato vêm sendo muito usadas em todo o mundo como dispositivos alternativos de aquisição de imagens para mapeamento (CRAMER, 2004a; HABIB et al., 2007). Essa possibilidade foi explorada pelo grupo de Fotogrametria da Unesp, em consórcio com a empresa Engemap. No Canadá, esta prática já é realidade, dispondo-se, inclusive, de normas específicas para esta técnica (ILMB, 2007). Para contornar o problema de cobertura limitada destas câmaras, recorre-se a um arranjo multicâmaras (MOSTAFA, 2001; RUY, 2007a; JACOBSEN, 2007; HINZ, 1999), gerando-se a necessidade de calibrar e/ou triangular simultaneamente estas imagens (KRUCK, 2006). A equipe do grupo de Fotogrametria, da Unesp- Presidente Prudente, acumulou experiência tanto no uso de câmaras digitais, quanto na calibração destes sensores, com recursos de projetos financiados (TOMMASELLI, 1997; HASEGAWA, 1998; IMAI, 1997; SANTOS et al, 2000; ALBUQUERQUE et al, 2003). Um grande marco nesta experiência foi a participação no projeto SEIRA, em conjunto com o Instituto de Geomática, da Universidade Politécnica da Cataluña, no qual se desenvolveram as bases para a integração de sensores de orientação direta à plataforma de coleta de imagens. Este projeto foi contemplado com o Prêmio IBEROEKA (FINEP, 2010) de inovação tecnológica de 2003, concedido pelo CYTED, o que mostrou a relevância deste tema no contexto tecnológico e a urgência de se apropriar deste conhecimento. O projeto ARMOD (Automação dos processos de Reconstrução e orientação de MODelos usando imagens digitais), desenvolvido no período de 2005 a 2009 (TOMMASELLI, 2004), procurou consolidar os conceitos desenvolvidos no projeto SEIRA e resolver outros problemas. No início do projeto ARMOD ficou clara a dificuldade de realizar fisicamente um sistema aerotransportado, devido às restrições legais e aos custos envolvidos. Coincidentemente, na mesma época, a empresa Engemap Geoinformação deslocou sua sede de São Paulo para Assis - SP, e declarou seu interesse em desenvolver cooperativamente um projeto similar ao SEIRA. Dada a complexidade da etapa de aquisição de imagens, incluída no projeto ARMOD, verificou-se que seria conveniente gerar um spin-off desta fase do projeto. Desta constatação surgiu o projeto SAAPI (Sistema Aerotransportado de Aquisição e Pósprocessamento de Imagens Digitais), desenvolvido pela empresa Engemap, com financiamento da Fapesp no programa PIPE (Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas) e supervisão científica do grupo de Fotogrametria da Unesp. Esse sistema, inteiramente digital e com recursos de georreferenciamento direto, é atualmente operado comercialmente pela empresa. Coincidentemente, nesse mesmo período, o projeto de Sensoriamento Remoto aerotransportado sofreu uma interrupção devido a alguns problemas nos dispositivos que compunham o sistema. Aliado a isso, estava em desenvolvimento um trabalho de doutorado que tratava da detecção automática de edificações (POLIDORIO, 2007) o qual indicava a conveniência de adicionar um canal no qual fosse registrada a energia eletromagnética na faixa do infravermelho próximo. Explorou-se, então, uma alternativa de baixo custo, que foi transformar uma câmara digital convencional (Sony F828) em câmara infravermelha. Esta câmara foi integrada à plataforma SAAPI e experimentos preliminares mostraram o potencial de uso desta estratégia (SARTORI et al., 2007). Aquisição de imagem multiespectral com câmara convencional Como já mencionado como alternativa ao uso da câmara multiespectral mencionada, composta por 3 CCDs decidiu-se pelo uso de câmaras digitais convencionais. Na abordagem baseada numa única câmara havia a vantagem de realizar tomadas em três bandas espectrais, sendo duas no visível (verde e vermelho) e uma no infravermelho próximo. Entretanto, na abordagem adotada são utilizadas duas ou mais câmaras sincronizadas. Para que uma câmara possa registrar a radiância na faixa do infravermelho próximo foi necessária a remoção de um filtro interno da câmara, o qual absorvia a energia eletromagnética nessa faixa espectral e acrescentado um filtro de absorção da radiação no espectro visível na frente da objetiva dessa câmara modificada, de forma que somente a energia da banda do infravermelho próximo fosse registrada pelo CCD dessa câmara. Por outro lado, foi adicionado um novo problema a ser solucionado: o sincronismo das câmaras deveria ser controlado para permitir o simultâneo disparo do conjunto de câmaras. Além disto, estas câmaras deveriam ser sincronizadas ao tempo GPS, para permitir o georreferenciamento preciso. Técnicas de sincronização e temporização A sincronização diz respeito à coordenação de eventos em uma base de tempo única. É um conceito importante em muitas áreas do conhecimento, como eletrônica, telecomunicações, computação, artes, entre outros. Em sistemas e dispositivos eletrônicos, dos mais simples aos mais avançados, geralmente se torna necessário o uso de bases de tempos controladas e confiáveis, dependendo da aplicação desejada, como é o caso do georreferenciamento direto das imagens, a partir do registro do instante de tempo do disparo, na escala de tempo GPS. Dispositivos eletrônicos para as mais diversas funcionalidades possuem uma base de tempo própria interna, e essas bases, em geral, servem para possibilitar a comunicação entre vários dispositivos separados, ou seja, sincronizá-los. Existem, atualmente, diversos tipos de dispositivos eletrônicos, responsáveis por gerar uma base de tempo precisa, mas quanto maior a precisão desejada, maior é o custo desses dispositivos (REIS, 2009). Pode-se citar vários dispositivos que mantém uma base de tempo precisa, como cristal piezo elétrico, relógios atômicos e o sistema de

12 tempo do GPS. Os relógios atômicos normalmente possuem custos elevados e o inconveniente de ocuparem grande espaço físico, invalidando o uso dessa tecnologia em muitas aplicações. Dessa forma, deve-se recorrer ao uso de alternativas para contornar o custo envolvido na aquisição de temporizadores ou relógios de alta precisão. Na área de Cartografia, uma alternativa bastante interessante é o uso de receptores GPS, que além de possuir um relógio interno com uma boa precisão (nos modelos de dupla freqüência este erro situa-se em torno de 100 ns), ainda têm seu tempo alinhado com o tempo GPS, o que auxilia, por exemplo, na obtenção de informações de posição do momento do disparo da câmara em aplicações de Fotogrametria, além de processos já bem definidos, como auxílio na navegação da aeronave. Um sistema baseado nessa abordagem é descrito em Reis et al. (2007), o qual constituiu um dos primeiros protótipos usados no sistema SAAPI. Como pode-se ver em Reis (2009) foram estudados e implementadas diferentes técnicas para permitir o sincronismo entre o receptor GPS e câmaras digitais. O sincronismo baseou-se no uso do sistema operacional Linux, juntamente com o software NTP, responsável por sincronizar o relógio do computador usando uma referência de tempo externa (pulso do pino PPS de um receptor GPS). A validação foi realizada comparando-se diretamente os instantes registrados pelo sistema comercial SPAN-CPT e a técnica proposta, que utilizou o Linux-NTP. Além disto, os Centros Perspectivos determinados pelas técnicas implementadas foram usados em experimentos com fototriangulação de um bloco de imagens, possibilitando a análise das discrepâncias desta fototriangulação por meio dos pontos de verificação. O resultado do sincronismo apresentou pequenas discrepâncias em relação ao sistema comercial, mostrando que é possível realizar o georreferenciamento direto com um sistema de menor custo, baseado no software Linux. A necessidade da calibração de câmaras As lentes da câmara provocam aberrações, que causam, dentre outros efeitos, deslocamentos das feições projetadas no plano imagem. Estas aberrações podem ser provocadas por diferentes fatores tais como: curvatura das lentes, polimento não uniforme e não alinhamento das lentes que compõem o sistema óptico. Além desses fatores podese também considerar a homogeneidade e pureza do material que compõe a lente, que tem influência no índice de refração. Todos estes fatores afetam a qualidade das imagens geradas. Dependendo da câmara utilizada os efeitos são diferentes e algumas câmaras, como as fotogramétricas de alto desempenho, possuem recursos como estabilização de pressão e de temperatura do CCD, compensação da condensação, compensação do arrastamento, dentre outros, como destacam (ECKARDT et al, 2000). Em função dos problemas inerentes ao sistema óptico, em trabalhos de mapeamento são requeridas câmaras com alta qualidade geométrica e cujos parâmetros de orientação interior sejam especificados em um certificado de calibração, a fim de que as coordenadas medidas sobre as imagens possam ser corrigidas dos erros sistemáticos, e que os produtos gerados atendam às especificações. No entanto, o fato de uma câmara não ser produzida com finalidade métrica, não implica que ela não possa ser usada com esta finalidade. Para utilizar uma câmara que não tenha sido produzida originalmente com o propósito métrico, deve ser garantida a estabilidade dos parâmetros de orientação exterior e realizar a calibração. No Brasil, diferentes grupos de pesquisa trabalham com o assunto há vários anos, mas não existe, no momento, uma normatização e nem órgãos oficiais que realizem esta operação. Na Europa, por exemplo, existem grupos de trabalhos, como o EuroSDR - European Spatial Data Research (EUROSDR, 2004; CRAMER, 2004b; HEIPKE e MOONEY, 2009) onde questões relativas à calibração, tanto em termos geométricos quando radiométricos, são tratadas. Nos EUA o ASPRS Camera Calibration Panel (ASPRS, 2000) também discute este assunto. Um outro exemplo que pode ser citado se refere à província de Colúmbia Britânica no Canadá que estabeleceu alguns critérios para a calibração de câmaras digitais de pequeno e médio formato (ILMB, 2007). Pelos exemplos apresentados, pode-se ver a importância dada ao tema em alguns países. Conceitualmente a calibração de câmaras, em termos geométricos, consiste na determinação de parâmetros que permitem a reconstrução do feixe de raios que gera as imagens. São diversos os modelos que podem ser utilizados, desde modelos que possibilitam estimar parâmetros físicos a modelos lineares baseados em polinômios. São diversos os métodos de calibração e um dos métodos se baseia na aquisição de imagens de um campo de calibração, que é composto por um conjunto de pontos e feições com coordenadas conhecidas. Na Figura 5a 5b mostra-se o campo de calibração da FCT/UNESP. Na sequência serão apresentados o resultado da calibração de uma das câmaras descritas neste trabalho, a câmara multiespectral DuncanTech. Nesta calibração foram estimados os parâmetros e foi criada a superfície de distorção, onde a cada ponto do quadro é associado um valor de distorção. Deste modo, uma vez conhecida a distorção, ela pode ser compensada. As distorções modeladas são de duas naturezas: radial simétrica e descentrada. Esta última é decorrente da dificuldade do fabricante fazer o perfeito alinhamento dos eixos ópticos de cada uma das lentes da objetiva. Pode-se observar nas Figuras 5c e 5d que no centro da imagem os deslocamentos são próximos a zero e a medida que se afasta do centro a distorção radial simétrica aumenta de modo mais significativo. Nos vetores mostrados pode-se ver estas mesmas distorções no plano da imagem. Nas Figuras 5c e 5d são apresentadas os vetores para todo o quadro e nas Figuras 5e e 5f são apresentados um dos quadrantes para mostrar os vetores com mais detalhes e por fim a superfície de distorção (Figura 5g), todos para a mesma câmara, considerando a banda IV, uma vez que esta câmara

13 possui 3 CCDs. Para mais detalhes sobre este tópicos as seguintes referências são sugeridas: Andrade e Olivas (1981), Tommaselli e Tozzi (1990), Galo (1993), Galo et al (2006) e Mitishita e Olivas (2001). (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Figura 4 - (a) e (b): Campo de Calibração da FCT/UNESP. Visão geral (a) e detalhes de alguns alvos e haste (b); (c) Vetores mostrando a distorção radial simétrica e descentrada, bem com a magnitude destas distorções para a banda IV da câmara multiespectral DuncanTech. (e) e (f): Detalhes mostrando as distorções para um quadrante do quadro e (g) Superfície de distorção, mostrando a magnitude das distorções. Fonte: Galo et al (2005). Correção radiométrica A seleção automática de pontos homólogos, construção de mosaicos e processos de reconhecimento de padrões necessitam de imagens cujas alterações de brilho provocadas por efeitos atmosféricos ou devido à geometria da aquisição sejam minimizados. Note-se que o efeito de vinhete (LANGHI e TOMMASELLI, 2007) pode estar

14 combinado com o fato de que a grande abertura do campo de visada dos sistemas sensores usados em aerolevantamentos pode provocar o registro de valores de radiância diferentes para um mesmo alvo devido à reflectância bi-direcional. O efeito combinado gera imagens que são mais claras no centro e mais escuras na periferia, podendo ser tratados de diversas formas. Langhi e Tommaselli (2007) apresentam uma alternativa na qual é realizado o ajuste radiométrico simultâneo de um bloco de imagens. A determinação das discrepâncias radiométricas é feita tomando-se como base um conjunto de pontos homólogos determinados nas imagens vizinhas. Ajusta-se, então, uma função polinomial às discrepâncias radiométricas médias, determinadas nos pontos correspondentes. Concluí-se que esta função ajustada permite o ajuste radiométrico sem deixar diferenças perceptíveis entre as imagens vizinhas. Sistema com duas ou mais câmaras Um dos desafios do uso de câmaras digitais convencionais como plataforma de imageamento em sistemas de aerolevantamento com fins tanto fotogramétricos como para aplicações em sensoriamento remoto está na necessidade de integrar dados de, ao menos, duas câmaras. Essa configuração mínima permite realizar tomada de imagens no nas bandas R, G e B (colorido normal) com uma das câmaras utilizando o filtro de Bayer e a outra com o filtro infravermelho (Figura 5d). Como já foi visto, uma câmara adicional pode ser usada para realizar as tomadas de imagens que registrem somente a energia eletromagnética na banda espectral do infravermelho próximo. Outra configuração mais complexa baseia-se em um sistema capaz de realizar a combinação de três câmaras. Duas delas seriam responsáveis pela aquisição de imagem de alta resolução espacial no espectro visível e a terceira câmara a tomada de uma imagem na faixa do infravermelho próximo, com resolução espacial inferior às duas anteriores, de forma a realizar o imageamento da região imageada pela combinação das duas anteriores. Essa última abordagem exige que as câmaras que realizam a aquisição na região do visível sejam oblíquas, o que implica na necessidade de uma posterior retificação das imagens. Este tipo de arquitetura é usado pela câmara DMC, mas com quatro câmaras oblíquas. Como vantagem pode-se mencionar a possibilidade de usar as câmaras de médio formato sem alterar sua mecânica interna. Para trabalhar com este tipo de arquitetura, o grupo de pesquisa desenvolveu uma técnica de calibração específica (TOMMASELLI, 2004; BAZAN et al, 2009; TOMMASELLI et al, 2010) que garante a fusão das imagens sem a percepção das linhas de corte (Figura 5e). Para a produção da imagem multiespectral mostrada na Figura 5f, é necessário retificar cada imagem oblíqua, usando os parâmetros de orientação interior e relativa, determinar as discrepâncias translacionais e radiométricas entre ambas e, finalmente, fundí-las em uma imagem que tem, aproximadamente, o dobro de colunas e o mesmo número de linhas. Para a fusão da imagem infravermelha, coletada por uma terceira câmara, é necessário determinar pontos correspondentes, tendo sido para isto desenvolvido um algoritmo específico (LOPES e TOMMASELLI, 2009), devido à significativa diferença na resposta espectral dos alvos. Após a determinação de um conjunto de pontos, calcula-se uma função polinomial que modela a transformação do pixels da imagem infravermelha para a imagem RGB. Ao final do processo estão disponíveis duas imagens registradas: a RGB e a Infravermelha, com a mesma resolução. Pode-se, então, gerar composições coloridas, como a composição falsa cor mostrada na Figura 5z). Nesta Figura estão presentes imagens de três câmaras distintas: duas imagens oblíquas retificadas e uma imagem infravermelha. As técnicas desenvolvidas tiveram resultados muito bons, não se percebendo linhas de junção, nem diferenças entre as imagens RGB e a infravermelha. Estas imagens podem ser usadas com sucesso para gerar vários produtos, como Modelos Digitais de Terreno, ortofotos, mapas de cobertura do solo, gerados por classificação, entre outros a serem descritos. O sistema SAAPI O Sistema Aerotransportado de Aquisição de Imagens digitais (SAAPI) é formado por uma plataforma de coleta e uma unidade de controle e alimentação, conforme mostra a Figura 5b. A primeira plataforma de coleta foi composta por duas câmaras digitais Hasselblad H1D de 22 Megapixels e uma câmara digital Sony F-828 de 8 Megapixels, com filtro para a coleta de imagens infravermelhas. Na Figura 5a é possível ver uma das primeiras versões do sistema com duas câmaras. Com o aumento da resolução dos sensores, as montagens mais recentes passaram a usar duas câmaras nadirais de 50 Megapixels, uma das quais para a captura da imagem infravermelha (Figura 5b). O suporte de fixação das câmaras possui amortecedores para a atenuação das vibrações e uma base giratória para a correção da deriva em vôo. Na unidade de controle e alimentação, estruturada em um rack de alumínio, são fixados: um sistema para o controle do disparo das câmaras, coleta e sincronismo dos dados GPS e sistema inercial para registro da atitude e controle da navegação em vôo; duas unidades de armazenamento (HD s de 40GB de capacidade) para as câmaras Hasselblad; receptor GPS e; caixa e conectores para o disparo sincronizado das câmaras. Na versão comercial atual, as unidades externas de armazenamento foram eliminadas, sendo a transferência das imagens para o computador realizadas entre as aquisições, utilizando-se discos SSD (Solid State Disk) com capacidade para imagens. Isto facilita o controle de qualidade em tempo real, para a verificação de presença de nuvens ou de eventuais falhas da cobertura.