9. GERAÇÃO DE ORTO-IMAGENS

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1 9. GERAÇÃO DE ORTO-IMAGENS 9.1 CONCEITO INICIAL Com os conhecimentos acumulados até aqui, o nome ortoimagem traz à tona uma definição simples para o tema: imagens em perspectiva ortogonal. As imagens adquiridas por câmaras convencionais encontram-se em perspectiva central, com os inúmeros raios de luz advindos de diferentes pontos imageados, passando por um só ponto (centro de perspectiva), localizado no sistema óptico da câmara (Figura 9.1). Ao conjunto destes raios, chama-se feixe perspectivo. Figura 9.1 Princípio dos feixes perspectivos, que guia a projeção central Obviamente, uma imagem em perspectiva central (Figura 9.2) não pode ser tomada como fonte de informação métrica segura, uma vez que a mesma possui erros devido à rotação do sensor e deslocamentos devido ao relevo, inerente à perspectiva cônica. Em uma projeção ortogonal, raios ortogonais são projetados a partir 9.1

2 da região imageada (Figura 9.3). Os raios nunca se encontram, e a imagem final em um sistema como esse não possui desvios nem distorções relativos ao relevo. Figura 9.2 Imagem da região obtida na figura 9.1. Deve-se notar a diferença entre as distâncias de um lado do edifício medidas na base ou no topo, que na verdade são iguais. Figura 9.3 Projeção ortogonal e imagem advinda de um sistema hipotético capaz de registrar tal tipo de perspectiva A imagem em projeção ortogonal (Figura 9.3), ao contrário da projeção central, pode ser tomada como um documento cartográfico, podendo ser empregada em qualquer atividade que demande um mapa ou carta ou fonte de dados similar. A perspectiva central, entretanto, não é ruim. Há que se desfazer a impressão de que esta é um obstáculo, devido à impossibilidade de se usar imagens isoladas como fontes de dados espaciais. Por exemplo, é a imagem de perspectiva cônica que traz certas noções básicas de que o fotogrametrista irá dispor, como luz e sombras, proximidade e distância de objetos, paralaxe e estereoscopia (Figura 9.4). 9.2

3 Figura 9.4 Alguns conceitos advindos da perspectiva central: sombras projetadas por objetos, diferença de tamanho relativo entre objetos iguais a distâncias diferentes e paralaxe. A perspectiva central está presente nos fenômenos ópticos que regem o mundo real, uma vez que o olho humano, bem como fontes de luz e câmaras podem ser tomados como centros para diversos feixes que deles partem. A perspectiva ortogonal é um fenômeno artificial. Assim, para obter orto-imagens, faz-se necessário realizar uma transformação sobre as imagens já existentes (em perspectiva central), chamada ortorretificação. Os primeiros aparelhos capazes de realizar tal operação eram chamados ortoprojetores. Estes eram aparelhos analógicos que possuíam a capacidade de aproximar ou afastar a fotografia de acordo com a aproximação ou afastamento da marca flutuante em relação ao terreno estereoscópicamente construído. No momento em que a marca estava posicionada, encostando em determinado trecho do terreno, o operador acionava o disparo de um sistema fotográfico que registrava a imagem de um pequeno trecho relativo ao ponto alcançado pela marca, e que tinha determinado o afastamento ou aproximação da fotografia. A junção das imagens de todos estes pequenos trechos formava a ortofoto. Obviamente, era um processo demasiadamente demorado e, conseqüentemente, caro. Isso o tornava extremamente restrito a casos de 9.3

4 maior necessidade. Em fotogrametria digital, a ortorretificação é realizada através de transformações sobre números digitais dos inúmeros pixels das imagens origem e ortorretificadas. Esta transformação será melhor detalhada no tópico 9.2. Por fim, após esta breve introdução sobre a ortorretificação, podem surgir dúvidas quanto à diferença entre ortorretificação e retificação (capítulo 7). Pode-se dizer que, a ortorretificação é um passo a mais, pois, além de retirar as distorções relativas à rotação da câmara (como já é realizado pela retificação), elimina a distorção relativa ao relevo (através da transformação da perspectiva cônica em ortogonal). É aí que reside a importância fundamental das orto-imagens, pois em bases de dados para SIG e documentos cartográficos analógicos e digitais, as imagens retificadas não se mostram uma opção adequada, pois continuam em perspectiva central, ainda que se trate de um par normalizado reamostrado por geometria epipolar. 9.2 MODELOS MATEMÁTICOS Há três modelos empregados para a ortorretificação. Os dois primeiros foram melhor explicados no capítulo que trata da retificação e normalização de imagens: são a transformação afim / polinomial e a projetiva. O outro método ainda não abordado nesta publicação é, contudo, o mais empregado: trata-se da retificação diferencial TRANSFORMAÇÃO AFIM Segue exatamente a mesma formulação apresentada no item É empregada quando o centro de perspectiva está bem longe do terreno imageado (ex.: imagens orbitais). É um método aproximado. 9.4

5 9.2.2 TRANSFORMAÇÃO PROJETIVA Esta também utiliza a mesma formulação abordada no item e deve ser empregada quando trata-se de uma região bastante plana, como uma fachada de uma edificação ou um campo de futebol, por exemplo. Também trata-se de um método aproximado RETIFICAÇÃO DIFERENCIAL É o método mais genérico e por intermédio do qual se obtêm os melhores resultados. Seu objetivo é gerar uma nova imagem digital em perspectiva ortogonal, através da reconstrução dos feixes perspectivos. Para realizá-la, primeiramente, define-se uma orto-matriz vazia sobre o terreno. Essa orto-matriz é associada a uma imagem digital em branco com pixels cujas dimensões são da ordem do elemento de resolução do terreno (ou seja, o tamanho real equivalente a um pixel). Figura 9.5 Processo de ortorretificaçào digital por intermédio da retificação diferencial Determinam-se as coordenadas tridimensionais conhecidas do 9.5

6 centro de cada pixel da orto-matriz vazia. Para isso, é indispensável o conhecimento do modelo numérico de elevações. A partir dessas coordenadas, por intermédio das equações de colinearidade (parâmetros da orientação exterior conhecidos), determinam-se as coordenadas no espaço imagem para aquele ponto. Através dos parâmetros da orientação interior, chega-se ao pixel correspondente, e, conseqüentemente, ao seu nível de cinza (ou de cor). Essa tonalidade é, então, reamostrada na imagem vazia. Os procedimentos podem ser melhor esquematizados através da figura FONTES DE ERRO EM ORTO-IMAGENS DIGITAIS As ortoimagens são passíveis dos mesmos erros encontrados nas cartas restituídas pelos métodos fotogramétricos convencionais. Entre eles, podem ser citados: problemas relacionados à má determinação do plano de vôo, má resolução dos sistemas fotográficos e/ou das imagens digitais ou digitalizadas, o que diminui a resolução geométrica do espaçoimagem. Ainda relacionado à imagem digital, outra provável fonte de erros é a má reamostragem dos níveis de cinza, tanto durante a digitalização/obtenção da imagem digital, quanto durante a ortorretificação digital. No pior dos casos (reamostragem por vizinho mais próximo), o erro é da ordem de 0,5 pixel. Ainda há mais erros relacionados à imagem digital, tais como: erros relacionados à ampliação e compressão (o caso mais comum é o de arquivos JPEG e TIFF comprimido), entretanto, o único tipo de erro que é exclusivo das ortoimagens, e que, em geral, incorre em maiores problemas é a incompatibilidade entre o modelo numérico de elevações empregado e a realidade do terreno (figura 9.6). Isso ocorre principalmente quando o MNE é extraído a partir do solo exposto, sem levar em conta os acidentes artificiais. Estes, durante a ortorretificação, 9.6

7 ficarão inegavelmente distorcidos. Em outra hipótese, o MNE pode ter sido adquirido realmente com erros, e aí, todos os acidentes (naturais e artificiais) na área com problemas serão afetados. Por fim, MNE's com espaçamento de grade maior que a resolução da ortoimagem digital obviamente causarão degradação da precisão do produto final. Figura 9.6 Efeito do deslocamento de um ponto no modelo digital do terreno Informações detalhadas sobre as fontes de erro em orto-imagens digitais e na influência na precisão de orto-imagens são apresentadas por (Brito, 1997). 9.4 PRODUTOS DERIVADOS A partir do processo de ortorretificação, alguns produtos podem ser confeccionados. O primeiro e mais simples, é a ortoimagem em si. Embora ela esteja corrigida de todo tipo de distorção, fica muito difícil para o usuário final aproveitar essa informação. Isso leva a outras alternativas, apresentadas a seguir. Outra hipótese é mesclar a imagem ortorretificada com uma carta 9.7

8 digital. O produto final é chamado ortofotocarta ou carta-ortoimagem, e apresenta as feições que se quer ressaltar desenhadas sobre a imagem. Em última instância, pode-se, até mesmo usar a ortoimagem para, sobre ela, restituir uma carta completa da região imageada. Hoje em dia, dada a facilidade de se produzir ortoimagens e o imenso número de pacotes que realizam tal tarefa, tal método de restituição se popularizou, em especial pois dispensa a visualização estereoscópica (os vetores são traçados diretamente sobre a ortoimagem), o que permite sua realização em computadores comuns. Este método de restituição fotogramétrica obviamente restringe-se às feições planimétricas, sendo denominado monorestituição. 9.5 CONCLUSÃO Entre os diferentes processos que a fotogrametria pode oferecer à obtenção de informação espacial, a ortorretificação ganha especial destaque por estar sendo utilizada de forma cada vez mais intensiva nos últimos tempos. Com isso, seu estudo reveste-se de especial importância. Para os eventuais utilizadores e produtores de ortoimagens e produtos derivados, os seguintes pontos devem ser bastante explicitados: a ortoimagem não possui distorções devido ao relevo tampouco rotações devido à inclinação da câmara no momento da tomada das imagens originais; entretanto, a ortoimagem por si só não é uma substituta para a carta, uma vez que esta já está devidamente traduzida para um código mais compreensível para os seres humanos, enquanto aquela possui informação excessiva e não-traduzida. A qualidade do MNE utilizado também influi diretamente na ortoimagem final. Assim, caso não haja MNE's de resolução compatível com a ortoimagem a ser gerada, é melhor utilizar-se os métodos mais convencionais de restituição, a serem aprofundados no capítulo

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Albertz, J; Kreiling, Walter. Photogrammetric Guide. Karlsruhe. Wichmann, Alemanha: Altan, Orhan; Toz, Gönül; Seker, Dursun. Photogrammetry Lecture Notes. Istanbul Technical University. 1a Ed. Turquia: Andrade, J. Bittencourt de. Fotogrametria. Ed. SBEE. Curitiba, Brasil: Augusto, Eduardo Gurgel Garcia. Determinação Automática dos Parâmetros da Orientação Exterior de uma Imagem Fotogramétrica Digital Trabalho de Tópicos Especiais em Engenharia Cartográfica. Instituto Militar de Engenharia. Rio de Janeiro, Brasil: Augusto, Eduardo Gurgel Garcia. Normalização de Estereogramas e sua Aplicação na Geração de Modelos Numéricos de Elevação. Dissertação (Mestrado em Engenharia Cartográfica). Instituto Militar de Engenharia. Rio de Janeiro, Brasil: Brito, Jorge Luís Nunes e Silva; Prado, Walter da Silva; Augusto, Eduardo Gurgel Garcia. Estágio de Fotogrametria Digital para Engenheiros Cartógrafos - Notas de Aula. Instituto Militar de Engenharia. Rio de Janeiro, Brasil: Brito, Jorge Luís Nunes e Silva. Precision of Digital Orthoimages: Assessment and Application to the Occlusion Detection Problem. The Ohio State University. Columbus, Estados Unidos: Digital Photogrammetry - An Addendum to the Manual of Photogrammetry. The American Society for Photogrammetry and Remote Sensing. Bethesda, MA, Estados Unidos: Gemael, Camil. Introdução ao Ajustamento de Observações. Ed. UFPR. Curitiba, Brasil: Kraus, Karl. Photogrammetry - Fundamentals and Processes. Volume 1, 4a Ed. Ferg, Dummler Verlag. Bonn, Alemanha: Novo, Evlyn. Sensoriamento Remoto: Princípios e Aplicações. Editora Edgard Blücher. 2a Ed. São Paulo, Brasil: Schenk, Toni. Digital Photogrammetry Volume I. TerraScience. 1a Ed. Estados Unidos: The Fundamentals of Digital Photogrammetry. ISM International Systemap Corporation. Vancouver, Canadá: