Validação Metodológica da Utilização de Veículos Aéreos Não Tripulados no Planejamento Territorial

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1 Validação Metodológica da Utilização de Veículos Aéreos Não Tripulados no Planejamento Territorial Cristhyano Cavali da Luz1, Claudio Kapp Junior2 1 Departamento de Ciências Geodésicas, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Paraná, Brasil, crisccluz@hotmail.com 2 Departamento de Agronomia, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, Paraná, Brasil, juniorkapp@hotmail.com RESUMO O desenvolvimento de plataformas e sensores para a aquisição de informação espacial, com vistas à elaboração de produtos cartográficos, fotointerpretação e atualização de bases cadastrais, teve um grande avanço a partir do século XXI. Este trabalho teve como objetivo validar qualitativamente os produtos cartográficos oriundos de um VANT, a partir dos dados brutos adquiridos por um voo autônomo. A metodologia baseou-se na elaboração do plano de voo a ser seguido pelo VANT; a aquisição dos dados e das fotografias aéreas; o processamento das imagens, através de algoritmos computacionais de classificações de padrões e reconstrução tridimensional do terreno, através das operações de aerotriangulação, geração do Modelo Digital de Elevação e ortofoto. As fotografias aéreas foram automaticamente obtidas com uma câmera Sony NEX-3 16Mp, com resolução espacial no terreno de 9 cm. A ortofoto gerada possibilitou a fotointerpretação da rede de drenagem local, da caracterização geomorfológica e geológica, bem como da definição das melhores alternativas para a definição de uma diretriz rodoviária. Os resultado são promissores e mostram que os VANT s de baixo custo podem ser utilizados em mapeamentos temáticos. PALAVRAS-CHAVE: Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT s), atualização cartográfica, mapeamento. ABSTRACT The development of boarding sensors in Unmanned Aerial Vehicles (UAV's) for the acquisition of spatial information have been used lately in cartography. This was carried out to qualitatively validate the cartographic products from a UAV, from the raw data acquired by an autonomous flight. The methodology of the study predicted the specific elaboration of the flight plan to be followed by the UAV; the acquisition of data and aerial photographs; processing the images through computer algorithms ratings patterns and three-dimensional reconstruction of the ground, through the operations of aerial triangulation, Digital Elevation Model and orthophoto generation. Aerial photographs were automatically taken with a Sony NEX-3 16MP camera, with a spatial resolution on the ground of 9 cm. The generated orthophoto enabled the photo-interpretation of the local drainage network, the geomorphological and geological characterization and definition of the best alternatives for the definition of a road guideline. Thus, it can be concluded that the low cost UAV's can be used in thematic mapping, in order to update cartographic databases. KEYWORDS: Unmanned Aerial Vehicle (UAV); Update Cartography, Mapping.

2 INTRODUÇÃO A definição dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT s) vem sendo atualizada constantemente em paralelo com sua normatização perante os órgãos oficiais reguladores. De acordo com a Instrução Suplementar (IS) Nº 21/2012 Revisão A (ANAC, 2012), a tecnologia VANT é composta por uma aeronave, projetada para operar sem piloto a bordo e que não seja utilizada para fins meramente recreativos, e pelos seus componentes associados. Nesta definição, incluem-se todos os aviões, helicópteros e dirigíveis controláveis nos três eixos, excluindo-se, portanto, os balões tradicionais e os aeromodelos. A principal característica do SISVANT é a possibilidade de embarcar sensores (e.g.: câmera fotográfica digital) e equipamentos (e.g.: receptores GNSS - Global Navigation Satellite System), e, com isso, extrair as informações espaciais de interesse (LUZ, 2015). O embarque de sensores em Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT s) para a aquisição de informação espacial com vistas ao planejamento territorial avançou consideravelmente a partir do século XXI, através do processamento digital entre fotografias aéreas adquiridas com câmeras digitais convencionais. Os VANT s realizam missões préestabelecidas, recobrindo determinada área de interesse através do imageamento de áreas necessárias e posterior fotointerpretação do solo. De maneira análoga, a utilização das fotografias aéreas reduz os custos dos aerolevantamentos, uma vez que sua aquisição se traduz em missões menos onerosas, comparando às a empresas de aerolevantamento convencional, nas quais encontram-se inseridos os altos custos da utilização de câmeras aerofotogramétricas métricas. A aplicação da presente geotecnologia trata-se de um tema atual e em conformidade com o estado-da-arte para estudos de ordenamento territorial e viabilidade técnica, econômica e ambiental de futuros empreendimentos. A representação gráfica, resultante da captação das imagens aéreas e do processamento dos dados, possui uma estrutura de dados gráficos que contribui sobremaneira na atualização de bases de dados cartográficas, no que tange as modificações decorrentes do processo natural do uso do solo, e que poderão compor um Sistema de Informação ou servir de fonte de informação às diversas organizações de planejamento territorial. Dessa forma, pela facilidade de utilização de um VANT, tanto na tomada das fotografias ou no processamento digital para a obtenção da ortofoto, vários profissionais de distintas áreas têm aproveitado dessa ferramenta para a confecção de produtos cartográficos

3 de interesse (LUZ et al., 2015). Porém, qual é a viabilidade operacional no desenvolvimento destes produtos? Qual a qualidade da informação extraída? Sendo assim, este trabalho tem como objetivo validar qualitativamente os produtos cartográficos oriundos de um VANT, a partir dos dados brutos adquiridos por um voo autônomo, MATERIAL E MÉTODOS Área de Estudo A Figura 1 apresenta a localização da área de estudo. Figura 1 Organograma dos métodos empregados no presente trabalho. A área de estudo compreendeu, aproximadamente, m² (3,924 km²) de uma região rural no município supracitado, cuja a base de dados cartográficos encontra-se defasada temporalmente e tematicamente. A área de estudo é caracterizada por cavidades subterrâneas (cavernas), grandes extensões de calcário e com intenso processo de dolinamento, através do Sistema Cárstico do Rio João Rodrigues (SCJR). Portanto, o planejamento territorial compreendeu a identificação, através de análise e fotointerpretação, do melhor traçado para a implantação da rodovia, visto que o processo de evolução natural das feições cársticas é muito dinâmico e as bases cartográficas não são atualizadas constantemente.

4 MATERIAL E MÉTODOS Os métodos empregados para a execução deste trabalho encontram-se descritos no organograma da Figura 2. Em outubro de 2014 foi realizada uma campanha de campo para a aquisição dos dados da rodovia federal BR-135/BA, entre os km 217 e 221. Para a obtenção das fotografias foi utilizado um VANT, modelo Smartbird X-260 Softmapping & Aerial Propeller, fabricado pela Softmapping Engenharia, Cartografia e Geoprocessamento Ltda. Figura 2 Organograma dos métodos empregados no presente trabalho. As principais características do SISVANT são apresentadas na Tabela 1. O VANT (Figura 3) é um sistema estruturalmente fabricado em fibra de carbono e polipropileno que permite a tomada de fotografias aéreas de pequeno formato com alta resolução e de forma rápida. Foi equipado com uma câmera digital convencional (não métrica e não calibrada) da marca Sony NEX-3 16 Mega Pixels e com um piloto automático com GPS/INS integrados, com precisão nominal na ordem de 10 metros e 1º, respectivamente, para fornecer os parâmetros de posição e orientação da aeronave no instante das tomadas da imagem. As principais características do sensor utilizado são detalhadas na Tabela 2. Tabela 1 Características do VANT.

5 Figura 2 Sistema de Veículo Aéreo Não Tripulado utilizado. Tabela 2 Características do sensor embarcado. Fonte: Disponível em: A etapa de processamento das imagens teve como objetivo processar as fotografias através de um software fotogramétrico de código fechado. O processo de calibração da câmera não foi realizado para este trabalho, portanto, análises em relação as distorções da câmera não foram abordadas. O processamento das imagens obtidas com o VANT foi implementado com base na metodologia apresentada na Figura 4. Todas as etapas aqui detalhadas visaram utilizar metodologias clássicas associadas à fotogrametria digital convencional com adaptação da computação gráfica para minimizar os erros provenientes da instabilidade da plataforma autônoma e os erros associados às distorções da lente da câmera não métrica. Figura 4 Organograma do processamento dos dados oriundos do VANT. Seleção e Filtragem das Fotografias Processamento dos Dados com Software Alinhamento das Fotografias Geração do Modelo Digital de Elevação Geração da Ortofoto A primeira etapa correspondeu a seleção e a filtragem das fotografias. A seleção eliminou o número excessivo de fotografias obtidas durante o imageamento, decorrentes da alta taxa de sobreposição longitudinal. A filtragem foi realizada manualmente, antes das

6 fotografias serem adicionadas à ferramenta computacional, excluindo aquelas que apresentaram problemas de qualidade decorrentes da inclinação da aeronave no momento da tomada da fotografia (fotografias inclinadas); da variação da altitude do VANT entre tomadas consecutivas (escala); e da deriva da mesma provocada pelo vento (arrasto). Para este trabalho, as fotografias foram processadas através de algoritmos computacionais de reconhecimento de padrões e reconstrução tridimensional do terreno, oriundos do software de código fechado Agisoft PhotoScan Professional Edition Version 1.0.4, ano de Após a seleção e filtragem, as 600 fotografias foram adicionadas no software e alinhadas através de um algoritmo que localiza os pontos homólogos (matching points) entre elas. Neste 1º processamento, os dados de entrada foram os parâmetros de orientação exterior (POE), ou seja, as coordenadas do CP da câmera no momento da tomada de cada fotografia. Contudo, não foram empregados os valores correspondentes às atitudes da plataforma VANT de baixo custo ( ), em decorrência da imprecisão da integração INS/GPS. Para o alinhamento procurou-se, também, à similaridade entre todas as fotografias processadas. A técnica que o software utiliza consiste em estabelecer uma relação geométrica entre duas vistas similares, quando cada cena possui o seu centro de projeção e estes não são coincidentes. Esta etapa exigiu um microcomputador com grande capacidade de processamento de dados devido à quantidade e qualidade das fotografias adquiridas, bem como dos algoritmos de processamento digital. A Figura 5 ilustra o processo de alinhamento das fotografias selecionadas e os pontos homólogos encontrados. Figura 5 Pontos homólogos entre as fotografias aéreas. Na sequência, foi realizada foi a aerotriangulação através do método dos feixes perspectivos (bundle block adjustment), que permitiu que todas as imagens que compõem o

7 espaço imagem e todos os pontos fotogramétricos contidos nestas imagens fossem processados em um único processo. Este método utiliza o modelo de colinearidade para relacionar o espaço-imagem com o espaço-objeto por meio de alguns pontos de apoio conhecidos no objeto e medidos nas imagens, e muitos outros de ligação medidos apenas nas imagens, ou seja, a geometria de um par de fotografias, com sobreposição adequada, permite a formação de um modelo estereoscópico, por interseção de raios homólogos. Com a nuvem de pontos determinada pela aerotriangulação, foi estabelecida uma grade triangular irregular (TIN - Triangulated Irregular Network). Este método de estruturação dos dados cria uma superfície a partir de pontos espaçados irregularmente. Os triângulos que formaram a TIN adequaram-se à densidade de pontos detectados no processamento anterior. Quanto maior a irregularidade do relevo, maior a densidade de pontos e, consequentemente, maior a densidade de triângulos da grade. Para a criação do MDE (Figura 6), foi utilizada a rotina do software que permitiu escolher o tipo de superfície que se deseja modelar e a quantidade de pontos para se formar a malha, constituída por pequenos polígonos. O fluxo de trabalho compreendeu a escolha do algoritmo para criação da superfície como sendo o de Mapas de Altura / Terreno, otimizado para a modelagem de superfícies planas e fotografias aéreas, com uma densa nuvem de pontos de malha máxima de polígonos gerados por interpolação. Dessa forma, aplicou-se o algoritmo ortofoto, que utiliza o processo direto para se efetuar a transformação de uma foto original, que é uma perspectiva central do terreno, em uma projeção ortogonal sobre um plano da projeção ortogonal. Este modo utiliza novamente as equações de colinearidade para se obter as coordenadas altimétricas do MDT e, em seguida, calcula as coordenadas planimétricas. O tamanho do pixel (GSD - Ground Sample Distance) foi determinado em função da qualidade esperada para os produtos cartográficos. A altitude média de voo foi estabelecida em 300 metros. Para calcular o GSD se considerou os seguintes elementos: o tamanho do pixel, a distância focal da câmera e altura de voo. De acordo com Santos (2014), a distância focal da câmera é a distância entre o sensor e o centro óptico da câmera e a altura de voo é a distância entre o sensor e a superfície física da Terra, conforme equação (01). O tamanho do pixel foi estabelecido pela razão entre as dimensões físicas do CCD (em mm) e o número total de colunas e linhas do sensor embarcado. Para o presente estudo utilizou-se uma câmera digital convencional de 16 Megapixel e distância focal de 16mm.

8 Equação (01) Onde: tamanho físico do pixel no CCD (mm); distância focal da câmera (mm); altura de voo (m). Com tais características determinou-se a dimensão de um pixel em 0,00477mm². Aplicando-se, então, os parâmetros determinados na equação (01) obteve-se o valor do GSD igual a 9 cm. Foram definidas, ainda, 10 faixas de voo (60 fotografias por faixa, em média), com comprimento aproximado de metros e 218 metros de largura cada, contemplandose, assim, toda a área de estudo. Para exportar a ortofotocarta atribuiu o tamanho do pixel (GSD) como 8,9 cm, conforme calculado anteriormente, pois a amostragem do produto final não pode ser maior que a dos dados originais (LIMA et al., 2004), e exportou-se em formato TIFF. RESULTADOS O processo de alinhamento das fotografias resultou em um grande tempo de processamento, através da rotina computacional. Como resultado, obteve-se uma densa nuvem de pontos homólogos (tie points pontos de ligação) entre as fotografias, sem a utilização dos pontos de apoio. O processo manual de identificação dos pontos de controle no terreno com 12 pontos de apoio pré-identificados nas fotografias possibilitou o processamento completo de todas as 600 fotografias, formando um bloco único com pontos homólogos entre elas. Tal situação se justifica devido ao plano de voo ter sido estabelecido níveis de sobreposição lateral e longitudinal bem acima dos aplicados para aerofotogrametria convencional. Esta sobreposição se fez necessário em razão da instabilidade da plataforma no instante de tomada de cada fotografia. A fototriangulação, através de uma grade irregular TIN para o modelo sem pontos de apoio, gerou triângulos com faces, distribuídas em vértices. Por meio da nuvem de pontos obtida através dos pontos homólogos entre as fotografias e densificada pelo processo manual de identificação dos pontos de apoio, a aerotriangulação gerou faces triangulares e vértices.

9 Com relação à fidedignidade da representação da área de estudo, caracterizada especialmente por cavidades subterrâneas, o algoritmo de geração do Modelo Digital de Elevação (MDE), através de uma TIN, se demonstrou viável para a interpretação das feições características, conforme pode ser observado na Figura 7. Figura 7 Vista em planta e em perfil do Modelo Digital de Superfície gerado. B A A B Dessa forma, possibilitou-se encontrar a melhor diretriz para o traçado rodoviário a ser executado, visto que havia a necessidade de desviar grandes depressões, evitar proximidades com áreas cársticas e demais linhas de drenagem propícias à erosões. A Figura 8 apresenta o produto final, contendo a localização da rodovia, o estaqueamento, as curvas de nível, desvio de dolinas, entre outros.

10 Figura 8 Vista em planta e em perfil do Modelo Digital de Superfície gerado. Fonte: (Os autores, 2015) CONCLUSÕES A utilização da tecnologia VANT sana o problema de defasagem temporal, ao mesmo tempo que possibilita um mapeamento barato, rápido e conciso para diversas temáticas de interesse. Sendo assim, com os resultados obtidos, conclui-se que os VANT s podem ser utilizados em mapeamentos temáticos, sobretudo quanto ao uso e cobertura da terra e atualização de bases cartográficas preexistentes, visando principalmente um planejamento a curto e médio prazo do meio físico de interesse. AGRADECIMENTOS Ao Instituto Tecnológico de Transportes e Infraestrutura da Universidade Federal do Paraná (ITTI/UFPR) e Fundação de Pesquisas Florestais do Paraná (FUPEF) pelo apoio na execução do voo e, também, financeiro para a realização da presente pesquisa. REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE AVIAÇÃO CIVIL. Instrução Suplementar (IS) Nº Revisão A. Apresentação de Dados Requeridos para Certificação Suplementar de Tipo Disponível em: <

11 FERREIRA, A.M.R. Avaliação de câmara de pequeno formato transportada por veículo aéreo não tripulado VANT, para uso em aerolevantamentos. Dissertação (Mestrado em Geociências Aplicadas). Universidade de Brasília. Brasília, LIMA, D. L. et al. Restituição e geração de ortoimagens a partir de um estereopar EROS. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE CIÊNCIAS GEODÉSICAS E TECNOLOGIAS DA GEOINFORMAÇÃO, 1, Pernambuco. Anais... Pernambuco, LUZ, C.C. Avaliação da exatidão absoluta de ortofoto obtida por meio de dados brutos oriundos de veículos aéreos não tripulados (SISVANT). Dissertação de Mestrado Universidade Federal do Paraná. Programa de Pós Graduação em Ciências Geodésicas. Curitiba, LUZ, C.C. et al. Geração de ortofotos digitais obtidas por um Sistema de Veículo Aéreo Não Tripulado (SISVANT). In.: Anais do 9º Congresso Brasileiro de Rodovias & Concessões. Brasília, SANTOS, D.R. Fotogrametria I. Curso de Engenharia Cartográfica. Departamento de Geomática. Universidade Federal do Paraná. Curitiba, 2014.