VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS (VANTS) EM ESTUDOS DE SUPRESSÃO VEGETAL DE RODOVIAS Cristhyano Cavali da Luz 125 José Eduardo Gonçalves 14 Philipe Ratton 135 1 Universidade Federal do Paraná 2 Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas 3 Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental 4 Instituto Tecnológico Simepar 5 Instituto Tecnológico de Transportes e Infraestrutura crisccluz@hotmail.com; jgoncalv@simepar.br; philipe_ratton@hotmail.com 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS Originado do termo inglês UAV (Unmanned Aerial Vehicle), um Veículo Aéreo Não- Tripulado (VANT) é toda aeronave que sustenta voo e é controlada à distância por meios eletrônicos e computacionais, dispensando piloto embarcado para ser guiada. De maneira análoga, a Confederação Brasileira de Aeromodelismo (2005) o define como: (...) um veículo capaz de voar na atmosfera, fora do efeito do solo, que foi projetado ou modificado para não receber um piloto humano e que é operado por controle remoto ou autônomo. Já a Portaria Normativa n 606 do Ministério da Defesa, de 11 de junho de 2004, caracteriza um VANT, através de seu Artigo 4º, como: "Uma plataforma aérea de baixo custo operacional que pode ser operada por controle remoto ou executar perfis de voo de forma autônoma podendo ser utilizada para: a) transportar cargas úteis convencionais, como sensores diversos e equipamentos de comunicação; b) servir como alvo aéreo; e c) levar designador de alvo e cargas letais, sendo nesse caso empregado com fins bélicos." Oliveira (2005) conceitua-o como uma plataforma de baixo custo operacional, operado por intermédio de um controle remoto em terra ou que segue um plano de voo pré-estipulado antes de seu lançamento, capaz de executar diversas tarefas, tais como monitoramento, reconhecimento tático, vigilância, mapeamento, ataque e outras, dependendo dos equipamentos instalados. Normalmente projetados para operar em situações perigosas e repetitivas, em regiões consideradas hostis ou de difícil acesso, foram concebidos, inicialmente, após a 1ª Guerra Mundial pela indústria de defesa dos EUA, para fins militares. Em território nacional, inspirados pela crescente demanda de inovações tecnológicas, o primeiro protótipo de um VANT surgiu no início da década de 80, através da extinta Companhia Brasileira de Tratores (CBT), porém apenas no século XX, com o desenvolvimento do projeto ARARA (Aeronaves de Reconhecimento Assistidas por Rádio ou Autônomas), cujo objetivo foi a substituição de aeronaves convencionais utilizadas na obtenção de fotografias aéreas para monitoramento de áreas agrícolas e áreas sujeitas a problemas ambientais por VANTs de pequeno porte, que seu uso para fins civis se difundiu e prosperou no mercado (JORGE e JUNIOR, 2002). 1
Sendo assim, a utilização de VANTs surgiu como uma importante opção neste setor, visto que sua aplicação na área agrícola e em missões de reconhecimento vem sendo favorecida e facilitada pelo atual estágio de desenvolvimento tecnológico e, principalmente, pela redução do custo e tamanho dos equipamentos (MEDEIROS, 2007). O trabalho aqui apresentado, objetiva elencar as vantagens da utilização de VANT para levantamentos de remanescentes florestais e reconhecimento da vegetação existente na faixa de domínio de futuros empreendimentos rodoviários, visando subsidiar a elaboração de inventários florestais e a obtenção de Autorização de Supressão de Vegetação (ASV), expedida pelo órgão ambiental responsável, conforme prevê a legislação ambiental em vigor. Esta técnica foi aplicada pelo Instituto Tecnológico de Transportes e Infraestrutura (ITTI), da Universidade Federal do Paraná (UFPR), em um trecho 63,9 km da rodovia federal BR-158/PR, entre os municípios de Campo Mourão e Roncador, no estado do Paraná. 2. METODOLOGIA E AVALIAÇÃO 2.1 SISTEMA AUTÔNOMO PARA MONITORAMENTO AMBIENTAL - SAMA Desenvolvido com o objetivo de reduzir custos de aquisição de imagens aéreas de alta qualidade, bem como permitir a operação em áreas remotas e de difícil acesso, o Sistema Autônomo para Monitoramento Ambiental (SAMA), assim denominado pelo Instituto Tecnológico SIMEPAR, foi concebido como um VANT que tem como característica principal a integração do sistema de navegação autônomo MP2128g - Micropilot em uma plataforma aérea com capacidade de decolagem por lançamento manual. Essas características fazem com que o SAMA ofereça a possibilidade de operar em áreas de difícil acesso como plantações, pastagens, florestas densas, estradas e rodovias em operação e implantação e demais locais onde haja necessidade. 2.1.1 Componentes do SAMA O SAMA consiste de um conjunto de 5 componentes: (1) piloto automático MP2128g - Micropilot, embarcado na aeronave; (2) software Horizon, para configuração do piloto automático; (3) base de telemetria de 2.4 GHz, com alcance de 5 km; (4) notebook; e (5) plataforma aérea equipada com câmera fotográfica adaptada com possibilidade de acionamento por piloto automático. O software Horizon é uma interface gráfica necessária para efetuar a configuração do piloto automático e acompanhar o comportamento do voo durante a execução das missões. O piloto automático é composto por acelerômetros, sensores de pressão dinâmica e estática, GPS e por uma bússola. Com esses sensores é possível determinar a atitude da aeronave nos três eixos, isto é, sua orientação através da definição de um referencial, a sua posição geográfica, a sua velocidade e a altura de voo. A Figura 1 e a Figura 2 mostram a plataforma aérea utilizada no desenvolvimento do SAMA. A aeronave foi projetada e construída especificamente para atender às condições operacionais encontradas nas áreas de monitoramento, podendo ser lançada diretamente da mão e aterrissar sobre a vegetação. A aeronave possui autonomia de 60 minutos e desenvolve velocidade média de 90 km/h. 2
Figura 1: Plataforma aérea autônoma - Modelo Curioso. (Fonte: SIMEPAR, 2011). Figura 2: Modelo Curioso - Inspeção final antes do voo. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). 2.1.2 Sistema de aquisição de imagens O sistema de aquisição das fotos aéreas consiste em uma câmera digital Sony, com 14.2 Mega Pixels, acomodada em uma base interna suspensa por amortecedores, a fim de eliminar a vibração do motor da aeronave. A adaptação consistiu em conectar, através de extensões, o circuito de disparo da máquina ao canal 05, do piloto automático, fazendo com que este acione a câmera. As principais características da câmera digital estão resumidas na Tabela 1. Figura 3: Câmera digital com conectores adaptados. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). Figura 4: Câmera digital acomodada internamente em base suspensa. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). Tabela 1: Características da Câmera Digital acoplada no VANT. (Fonte: SIMEPAR, 2011). Características da Câmera Digital Resolução 14.2 Mega Pixels Dimensão do CCD 7,6 mm x 5,7 mm Número de Pixels 4224 x 3168 Distância Focal 16mm 2.1.3 Metodologia de aquisição das fotos aéreas Conforme planejamento inicial, a extensão total da área de interesse (63,9 km) foi dividida em trechos de aproximadamente 15 km. A aeronave foi programada para realizar os voos a uma altura de 400 m, à velocidade de 90 km/h. A câmera fotográfica digital foi configurada para obter uma imagem a cada 4 segundos, garantindo sobreposição superior a 60%, ou seja, adequada para a geração de mosaicos. A base de lançamento da plataforma aérea foi posicionada no final de cada trecho, sendo deslocada 15 km para a realização de um novo segmento. A distância percorrida pela aeronave, para realização de cada um dos trechos, foi de 30 km, ou seja, distância necessária para atingir a extremidade oposta do segmento a ser fotografado e retornar ao ponto de partida (percurso de ida e volta), obtendo as imagens correspondentes. O tempo de voo para a realização de cada 3
trecho foi de, aproximadamente, 20 minutos. Já o tempo total de cada levantamento, considerando o deslocamento terrestre entre os pontos e a montagem/desmontagem da base de lançamento, foi de aproximadamente 2 horas (Figura 5 e Figura 6). Figura 5: Montagem/desmontagem da base de lançamento. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). Figura 6: Verificação dos dispositivos computacionais antes do lançamento da plataforma. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). A Figura 7 apresenta um exemplo da trajetória percorrida pelo VANT durante a realização do sobrevoo do primeiro trecho da BR-158/PR. Figura 7: Exemplo da trajetória percorrida pelo VANT, utilizando imagem aérea disponibilizada pelo Google Earth como base e software Horizon. (Fonte: SIMEPAR, 2011). 2.1.4 Tratamento das imagens A etapa seguinte, após a aquisição das imagens, consistiu em: i. Triagem das imagens coletadas: uma vez que a aeronave obtém as imagens em ambos os sentidos do trajeto (voo de ida e de volta), torna-se necessário separar as fotos pertencentes a cada trajeto. Outro motivo foi a grande quantidade de imagens obtidas, fato decorrente da programação do piloto automático para acionar a câmera a cada 4 segundos. Essa sobreposição ou recobrimento longitudinal de 60% foi definida com critério para garantir o exame estereoscópico entre as faixas; ii. União das imagens com sobreposição por meio de identificação de padrões: a união entre as imagens foi feita com o uso de softwares computacionais que comparam padrões entre os pixels de cada imagem e identificam correlações entre eles. Este procedimento tem como objetivo gerar mosaicos com grande economia de tempo. Esta rotina computacional, 4
iii. iv. em alguns casos, associa padrões de forma incoerente, exigindo correções manuais das imagens geradas; Correção manual de inconsistências observadas nas junções das imagens: visando eliminar imperfeições devido a falhas durante o mosaicamento automático; e Orientação das imagens: devido à ausência de pontos de apoio identificados em campo, a orientação individual dos mosaicos foi feita com auxílio do software Google Earth. Também podem ser utilizadas imagens de satélite georreferenciadas, cartas e mapas existentes. 2.2 ASPECTOS AMBIENTAIS Segundo a legislação ambiental vigente, a implantação de qualquer empreendimento deve ser precedida de estudos ambientais para identificar os impactos gerados pela obra e propor medidas preventivas, mitigadoras e compensatórias a serem implementadas a fim de proteger o meio ambiente. O trabalho desenvolvido pela UFPR-ITTI consistiu na elaboração de um Relatório Técnico de Inventário Florestal, o qual tem sido exigido pelos órgãos ambientais como forma de quantificar a perda florística afetada por obras de infraestrutura, calcular os volumes de supressão vegetal e subsidiar planos de resgate genético. O inventário buscou identificar as formações que sofrerão corte por consequência da implantação da futura rodovia, tendo o objetivo de subsidiar o processo de solicitação da Autorização de Supressão da Vegetação (ASV) junto ao órgão ambiental estadual - Instituto Ambiental do Paraná (IAP). Para a pavimentação da rodovia federal BR-158/PR, é necessário o desmatamento da faixa de domínio, de modo a facilitar as operações de pavimentação, garantir visibilidade aos motoristas e promover segurança ao tráfego. Também é necessária a remoção da cobertura vegetal no canteiro de obras e vias de acesso. A possível interferência dos serviços de supressão sobre áreas com fragmentos florestais requer uma análise de tipologias vegetais, por meio de mapas de estágios da vegetação, onde são representados os fragmentos florestais, as unidades amostrais, a faixa de supressão, bem como o eixo projetado da futura rodovia e o atual traçado da estrada implantada. Visando à elaboração destes mapas, foi realizado um voo utilizando o SAMA, o qual gerou imagens para identificação da vegetação existente na faixa de domínio da futura rodovia. O interesse se concentrou em uma faixa estreita de aproximadamente 50 m de largura a partir dos bordos da estrada implantada. Dessa maneira, não foi necessário realizar mais que uma faixa de voo, uma vez que o recobrimento lateral de cada imagem é de 585 m para voos a 400 m de altura. 3. RESULTADOS ALCANÇADOS E DISCUSSÃO DOS DADOS Voando a 400 m de altura, a ação de forças atmosféricas, principalmente as correntes de ar ascendentes e descendentes, provoca perturbações na estabilidade da aeronave, causando alterações de altitude e, consequentemente, diferentes escalas entre as imagens obtidas. Para evitar variações excessivas de altitude da aeronave, o que prejudicaria a escala das imagens, o piloto automático foi configurado para efetuar correções de voo toda vez que houvesse variações acima de 10 m. O valor ideal dessa amplitude depende das características aerodinâmicas da plataforma aérea. Para isto, são realizados ensaios de campo, com planos de voo específicos para essa finalidade. Para a plataforma aérea utilizada nesse trabalho, o valor ideal do parâmetro foi de 10m. Com isso a aeronave só efetua correções de altura nos casos em que as variações verticais ultrapassam o limite estabelecido, ou seja, se estiver acima de 410 m ou abaixo de 390 m. A Figura 8 apresenta a evolução temporal da altura de voo para um trecho de levantamento. Pode-se observar que as máximas variações ocorrem entre o intervalo 1000 a 1400 segundos, como indicado pelas linhas tracejadas verticais. Nesse período de tempo, as máximas variações de altura registradas foram na ordem de 7,8 m, valor inferior a 2% da altura de voo. 5
Figura 8: Evolução temporal da altura e velocidade da plataforma aérea em operação. (Fonte: SIMEPAR, 2011). A Figura 9 ilustra um exemplo de imagem obtida com o SAMA. Como pode ser observado, a imagem fornece informações claras e precisas sobre o uso e ocupação do solo, sendo possível, portanto, identificar os remanescentes florestais, bem como estimá-los com precisão e rapidez. Durante a montagem e confecção dos mosaicos, foi possível observar alguns desvios em imagens consecutivas provocados pela ação do vento. Para demonstrar um exemplo, a Figura 10 apresenta um mosaico gerado com imagens obtidas durante a fase de testes da plataforma aérea. A força gerada pelo vento atua de forma a desviar a aeronave da direção desejada, fazendo com que o piloto automático trabalhe para compensar esse desvio. Figura 9: Exemplo de imagem obtida em uma altitude de 400 m através do SAMA. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). Figura 10: Deslocamento horizontal provocado pela ação do vento. (Fonte: SIMEPAR, 2011). A Figura 11 mostra um exemplo de mosaico formado pela junção de 4 imagens pertencentes a um trecho da rodovia. Os mosaicos foram gerados pela aplicação de rotina computacional que identifica padrões nas faixas de sobreposição entre as imagens. Com base no resultado apresentado, percebe-se que o método é capaz de gerar agrupamentos de imagens com qualidade suficiente para permitir análises das feições de interesse. A Figura 12 apresenta, em detalhe, uma falha do processo automático de reconhecimento de padrões para a união de imagens. Embora essa falha não prejudique de forma significativa a análise da cobertura vegetal, os desvios podem ser corrigidos manualmente. 6
Figura 11: Exemplo de mosaico formado por identificação de padrões. (Fonte: SIMEPAR, 2011). Figura 12: Exemplo de falha no processo de geração de mosaicos de forma automática. (Fonte: SIMEPAR, 2011). A magnitude da resolução das imagens geradas pode ser constatada pela Figura 13. No canto superior esquerdo encontra-se a imagem original, obtida a uma altura de voo de 400 m e na imagem de fundo observa-se uma ampliação da mesma. A Figura 14 apresenta uma comparação entre a foto aérea digital, obtida através do SAMA, e a imagem de satélite disponibilizada pelo software Google Earth. Embora as escalas não sejam idênticas, é possível notar a clara diferença de resolução e nitidez entre as imagens. Figura 13: Representação da máxima ampliação possível sem perda de resolução. (Fonte: SIMEPAR, 2011). Figura 14: Comparação entre foto aérea digital e imagem de satélite disponibilizada. (Fonte: SIMEPAR, 2011). Na sequência, a Figura 15 representa o procedimento utilizado para realizar a orientação das imagens digitais geradas durante a realização dos voos. A orientação consistiu em identificar feições na imagem digital obtida e na imagem de satélite disponibilizada. As principais feições que facilitam esta operação são os entroncamentos de estradas e rodovias, vértices de edificações, entre outros pontos análogos que possam ser claramente localizados em ambas as imagens. No painel direito, observa-se a imagem de satélite correspondente à região de levantamento. As edificações existentes facilitam a identificação de pontos análogos (setas indicativas), gerando um resultado adequado aos objetivos do levantamento. 7
Figura 15: Processo de orientação externa da imagem aérea. (Fonte: SIMEPAR, 2011). Após a orientação das imagens aéreas, as feições de interesse já podem ser identificadas. A Figura 16 e a Figura 17 exemplificam o resultado final obtido, ou seja, são produzidos mapas dos estágios da vegetação onde podem ser identificados, caracterizados e classificados os remanescentes florestais a serem suprimidos, considerando os limites dos offsets de corte e aterro definidos em projeto. Os mapas também indicam as unidades amostrais (parcelas) definidas in loco e demais características de projeto. Figura 16: Exemplo 01 - Mapa dos estágios da vegetação. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). Figura 17: Exemplo 02 - Mapa dos estágios da vegetação. (Fonte: UFPR/ITTI, 2011). Através dos resultados obtidos no levantamento aéreo da rodovia federal BR-158/PR, concluise que a utilização de VANTs para fins de estudos de supressão vegetal em rodovias e demais empreendimentos lineares apresenta inúmeras vantagens. A plataforma aérea utilizada demonstrou ser um equipamento versátil, gerando imagens aéreas digitais a um baixo custo se comparadas àquelas obtidas através de sensoriamento remoto ou por aeronaves convencionais. A alta resolução espacial remete a um produto que atende as expectativas quanto à qualidade das imagens para fins de reconhecimento e mapeamento da faixa de vegetação a ser suprimida dentro do offset de projeto. A grande mobilidade do sistema, aliada à rapidez de inspeção com alta riqueza de detalhes, faz com que o método tenha elevado custo/benefício. A possibilidade de aquisição das imagens em pouco tempo implica em resultados atualizados, precisos e confiáveis. Além disso, o material lenhoso proveniente da supressão pode ser cadastrado e georreferenciado a partir dos mapas gerados, subsidiando futuros esclarecimentos a eventuais questionamentos do órgão ambiental. 8
4. PERPECTIVAS FUTURAS Como comentado anteriormente, a utilização de aeronaves não tripuladas, para diversas finalidades, está em crescente expansão. Grande esforço, tanto por parte de grupos de pesquisa ligados a universidades, quanto por parte da indústria de tecnologia, tem sido feito no sentido de miniaturizar componentes eletrônicos e sensores para que seja possível embarcá-los em plataformas aéreas de pequeno porte. Por se tratar de tecnologia extremamente nova, a maioria dos países ainda não possui legislação para controlar o uso de cada tipo de equipamento. No Brasil, os órgãos responsáveis pelo controle de tráfego aéreo e segurança de voo têm discutido com grupos de usuários de VANTs com a intenção de estabelecer um conjunto de regras mínimas a serem seguidas para viabilizar a utilização dessa tecnologia, sem colocar em risco a segurança da aviação civil no país. No setor de aerolevantamento, que normalmente utiliza aeronaves tripuladas para a geração de imagens aéreas, grande interesse foi despertado com a possibilidade de diminuição de custos desses levantamentos. O maior interesse do setor se concentra na definição da máxima qualidade e precisão que imagens geradas por sensores instalados em VANTs podem alcançar. Nesse sentido, nítida evolução tem sido observada no desenvolvimento de softwares de processamento de imagens. Pesquisadores entendem que a menor precisão dos dados gerados por um VANT, no momento da tomada de uma imagem aérea, pode ser compensada pela alta resolução das imagens, com pixel no solo da ordem de 6cm, e com algoritmos computacionais capazes de tirar proveito dessa alta resolução de pontos. 5. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE AEROMODELISMO. Estatuto da Confederação Brasileira de Aeromodelismo. São Paulo, 2005. BRASIL. Diário Oficial da União nº 112 - seção 01. Portaria Normativa nº 606/MD, de 11 de junho de 2004. Brasília, 2004. FURTADO, V. H.; GIMENES, R. A. V.; CAMARGO, J. B.; ALMEIDA, J. R. Aspectos de segurança na integração de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) no espaço aéreo brasileiro. Rio de Janeiro, 2008. INSTITUTO TECNOLÓGICO SIMEPAR. Levantamento Aerofotográfico da BR-158/PR - Campo Mourão/PR - Roncador/PR. Curitiba, 2011. JORGE, L. A. C.; INAMASU, R. Y.; CARMO, R. B. Desenvolvimento de um VANT totalmente configurado para aplicações em Agricultura de precisão no Brasil. Curitiba, 2011. JORGE, L. A. C.; JUNIOR, O. T. Metodologia para Utilização de Aeromodelos em Monitoramento Aéreo. São Carlos, 2002. MEDEIROS, F. A. Desenvolvimento de um Veículo Aéreo Não Tripulado para aplicação em Agricultura de Precisão. Santa Maria, 2007. NETO, A. B. M.; ALMEIDA, I. E. S. A análise do emprego do Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) nas ações e operações PM. Salvador, 2009. OLIVEIRA, F. A. de. CTA e o Projeto VANT. São José dos Campos, 2005. 9
PADILHA, B. R.; ZAIONS, D. R.; SPULDARO, E. Projeto aerodinâmico, estabilidade e controle de um Veículo Aéreo Não-Tripulado (VANT) de asa fixa. Joaçaba, 2012. UFPR. Universidade Federal do Paraná. Inventário Florestal - Relatório Técnico - BR-158/PR. Curitiba, 2011. 10