Metodologias de levantamento - Fotogrametria e Varrimento Laser 3D -

Metodologias de levantamento - Fotogrametria e Varrimento Laser 3D - 1

TÓPICOS DA APRESENTAÇÃO A. ENQUADRAMENTO GERAL B. ENQUADRAMENTO ESPECÍFICO C. A FOTOGRAMETRIA E O VARRIMENTO LASER 3D (VL3D) D. APLICAÇÕES PRÁTICAS E. RESUMO/CONCLUSÕES 2

A. ENQUADRAMENTO GERAL 3

Um levantamento é: O desenho da planta de um terreno, da carta de uma região, etc, após as necessárias medições. (dicionário da língua portuguesa, Porto Editora) É uma representação gráfica (registo gráfico) de um objecto, conjunto de objectos ou área e sua condição, após as necessárias medições. Medir é avaliar ou determinar uma extensão ou quantidade comparando-a com uma grandeza definida; (...) percorrer com a vista; olhar. (dicionário da língua portuguesa, Porto Editora) Num levantamento há pelo menos dois momentos: Medir + Representar 5

Um esquiço também pode ser considerado um levantamento se nele, de alguma forma, transparecer a relação entre as medidas do objecto que está a ser representado. Idealmente deverá ter representada uma grandeza padrão (por exemplo uma figura humana, uma escala, uma medida) 6

Um levantamento arquitectónico é: um acto cultural com implicações técnicas, isto é, depende da bagagem cultural de quem a executa. sempre uma consequência do seu tempo, das teorias da arquitectura vigentes e das tecnologias existentes. ( ) medição, clarificação geométrica, conhecimento histórico, mas é sobretudo uma operação de leitura, de discretização da forma arquitectónica e transcrição gráfica das qualidades formais da mesma (MAESTRI, Diego; DOCCI, Mario Manuale di rilevamento architettonico e urbano. 8ª edição. Roma: Editori Laterza, 2005. 343 p. ISBN 88-420-4341-9) em certo sentido, um processo inverso ao do Projecto de Arquitectura, pois parte-se do edifício construído para a sua representação gráfica, enquanto que no Projecto se parte da representação gráfica para o acto de construir. 7

Ruskin Viollet le Duc Auguste Choisy 8

Regista-se: porque das mais variadas formas, a sociedade se confronta com o existente; porque o registo (levantamento) é suporte do planeamento de acções sobre o existente; porque o registo (levantamento) é um meio de perpetuar a memória de uma situação actual para as gerações vindouras, e por isso deve ser conduzido com ética e escrúpulos. In all works of preservation, restoration or excavation, there should always be precise documentation in the form of analytical and critical reports, illustrated with drawings and photographs. Every stage of the work of clearing, consolidation, rearrangement and integration, as well as technical and formal features identified during the course of work, should be included. This record should be placed in the archives of a public institution and made available to research workers. It is recommended that the report should be published. (Carta de Veneza, artigo 16, 1964) 10

Os fins do Levantamento e registo podem orientar-se para: conservação, restauro e reabilitação análise estratigráfica e arqueológica análise histórico arquitectónica análise formal divulgação e visualização inventário e catalogação de bens arquitectónicos (ver por exemplo a Carta de Risco DGEMN / IRHU) produção de cartografia disputas jurídicas avaliação imobiliária fins didácticos 13

O processo do projecto de conservação, restauro e reabilitação i) Recolha e tratamento de informação sobre o estado de conservação Planeamento logístico Recolha de informação existente sobre o objecto de estudo Definição e adopção de um léxico de anomalias presentes, e respectiva explicitação, e definição dos critérios de recolha de informação acerca das mesmas. Definição de um critério de segmentação do objecto (edifício ou conjunto) de estudo. Definição de critérios de contabilização em campo e em gabinete Escolha e preparação dos suportes para a recolha, sistematização, registo e apresentação de informação. Tratamento da informação (pode ser necessário redefinir critérios) ii) Projecto iii) Obra Conservação, Restauro ou Reabilitação (há ou não obra nova? Quantificar as acções e estimar os custos Conjunto das acções desenvolvidas para resolver as anomalias identificadas, devendo haver a flexibilidade para reajustes derivados de dados novos surgidos em obra Pressupõe a documentação do processo iv) Divulgação 14

Em função dos fins a que destina o levantamento podem colocar-se as questões: que escala adoptar? que rigor e precisão? que resolução? que informação recolher? que técnicas e instrumentação utilizar? 16

Do ponto de vista do processo do projecto de conservação, restauro e reabilitação 17

Adaptado do modelo praticado na Alemanha CRAMER, Johannes and BREITLING, Stefan Architecture in existing fabric 2007, ISBN: 9 783764 377526 19

Regista-se: A geometria / forma e deformações Os materiais Os elementos construtivos e lógicas de articulação a estrutura externa a estrutura interna principal a estrutura interna secundária a estrutura decorativa O estado de conservação as formas da degradação 20

Modelos de interpretação e análise da arquitectura construída: FEIFFER, Cesare Il progetto di conservazione. Milão: Franco Angeli Libri s.r.l., 1989. 595p. ISBN 88-204-3055-X Icónico Distributivo Construtivo a estrutura externa a estrutura interna principal a estrutura interna secundária a estrutura decorativa Estado de conservação (inspecção e diagnóstico) a descrição da degradação as causas intrínsecas as causas extrínsecas 21

MÉTODOS DE LEVANTAMENTO - Métodos directos Cada ponto do objecto a registar é criteriosamente seleccionado e registado no acto de recolha de informação. Na prática selecciona-se e regista-se um número relativamente pequeno de pontos do objecto. Exemplos: Levantamento manual, Levantamento topográfico, Posicionamento por GPS - Métodos indirectos No acto de recolha de informação é seleccionada uma zona mais ou menos ampla e a recolha e registo dos pontos é indiferenciada Na prática recolhe-se e regista-se uma quantidade de pontos que seria impraticável recolher pelos métodos directos. Exemplos: Varrimento Laser 3D, Fotogrametria 23

Complexidade do objecto vs Dimensão do objecto vs Método de representação Adaptado de um quadro apresentado por Bill Blake no Workshop on the digital documentation of the built environment que decorreu na Glasgow School of Arts em 26 de Fevereiro de 2008. 24

Rigor típico de alguns métodos de levantamento Adaptado de Close Range Photogrammetry Principles, Methods and Applications ISBN 1 870325 50 8 25

B. ENQUADRAMENTO ESPECÍFICO 27

O PROJECTO DE I&D: Contributo para o Projecto de Conservação do Património Arquitectónico: Metodologia documental baseada na fotogrametria digital e na digitalização laser 3d terrestres. (ArcHC_3D) Parceiros: FAUTL, U. Minho, U. Coimbra, IGESPAR, U Valladolid Data de início: Outubro de 2007 Data de conclusão: Maio de 2011 Investigadores: 12 Investigadores Bolseiros: 2 bolseiros URL: http://archc3d.fa.utl.pt/ http://www.fa.utl.pt/~lmmateus Ref. FCT: PTDC/AUR/66476/2006 28

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: Desenvolvimento de um Sistema de Informação do Património vocacionado para a Arqueologia da Arquitectura e Conservação. 29

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: Desenvolvimento de ferramentas de apoio ao Projecto. Rotinas aplicáveis ao CAD. 30

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: Documentação e modelação tridimensional da Capela de S. Frutuoso de Montélios para a Arqueologia da Arquitectura. 31

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: Exploração das potencialidades do VL3D - PALÁCIO DE VALFLORES (fase exploratória) 32

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: Apoio à arqueologia e projecto de Conservação - CONVENTO DE CRISTO TOMAR 33

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: CONVENTO DE CRISTO TOMAR A NAVE MANUELINA Apoio ao projecto de Conservação. 34

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: CONVENTO DE CRISTO TOMAR Aplicação de técnicas de processamento digital de imagem. 35

RESULTADOS DO PROJECTO ArcHC_3D: OUTROS VOOS ( ainda Tomar) 36

Formação do Grupo de investigação temporário do CIAUD/FAUTL ARCHC_3D Documentação e Estudos de Conservação, Restauro e Reabilitação 38

C. A FOTOGRAMETRIA E O VL3D 39

A FOTOGRAMETRIA Tradicionalmente a fotogrametria tem sido definida como o processo de obtenção de informação métrica sobre um objecto através de medições efectuadas sobre fotografias estabelecendo rigorosamente a relação geométrica entre a imagem e o objecto representado. OS SISTEMAS FOTOGRAMÉTRICOS EXPEDITOS (2D) - a rectificação de imagens e de desenhos A rectificação é um processo pelo qual se remove numa imagem ou num desenho o efeito de perspectiva num plano do objecto representado. 40

1. Rectificação de imagens 41

2. Rectificação de desenhos rotinas LISP para AutoCAD disponíveis em: http://home.fa.utl.pt/~lmmateus/publicacoes.html 42

Material para exercício prático: http://home.fa.utl.pt/~lmmateus/transf/fas.zip 43

OS SISTEMAS FOTOGRAMÉTRICOS 3D (baseados em imagens) São utilizados modelos matemáticos, implementados através de aplicações de software, que permitem a reconstrução tridimensional a partir de múltiplas imagens fotográficas digitais. 44

1. Manuais (operador selecciona todos os elementos a registar) 45

2. Semi-automáticos (operador selecciona alguns elementos a registar e parte da reconstrução tridimensional é automática) 46

3. Automáticos (toda a reconstrução tridimensional é automática sem intervenção de operador) 47

OS SISTEMAS DE VARRIMENTO LASER 3D (baseados na medição de distâncias) O varrimento laser 3D é uma tecnologia activa que utiliza a luz laser para determinar as coordenadas de uma grande quantidade de pontos de forma quase contínua e quase em tempo real. Ao contrário da fotogrametria, os dados assumem desde o início a forma 3D. 48

Critérios de classificação dos sistemas de VL3D VL3D de Satélite VL3D Aéreo VL3D Terrestre VL3D de tempo de voo (pulsos discretos de luz laser) VL3D de comparação de fase (emissão contínua de uma onda modulada de luz laser) VL3D de triangulação (emissão de um feixe plano de luz laser) VL3D estático VL3D dinâmico VL3D de muito curto alcance <5m VL3D de curto alcance <100m VL3D de médio alcance <300m VL3D de longo alcance >300m 49

1. Tempo de voo (alcance maior que 100m) http://www.riegl.com 50

1. Tempo de voo (objectos de média e grande escala) 51

2. Comparação de fase (alcance até 100m) http://www.faro.com/ 52

2. Comparação de fase (objectos de média e grande escala) 53

3. Triangulação (alcance até 3 a 5 m) http://www.konicaminolta.com/ 54

3. Triangulação (objectos de pequena escala) 55

D. APLICAÇÕES PRÁTICAS 56

A aplicação de métodos fotogramétricos expeditos O caso do Projecto de Recuperação das fachadas do Terreiro do Paço. (colaboração com o Atelier 15 Alexandre Alves Costa e Sérgio Fernandéz) 57

LEVANTAMENTO DE 50000m 2 DE FACHADAS DOS QUARTEIRÕES DO TERREIRO DO PAÇO (5 dias de trabalho de campo - 1018 fotos) 58

Foto-mosaico de imagens rectificadas Vectorização feita a partir das imagens. 60

Foto-mosaico de imagens rectificadas Vectorização feita a partir das imagens. 61

Utilização das imagens rectificadas como suporte ao registo de anomalias. 62

Utilização das imagens rectificadas como suporte à síntese gráfica do registo de anomalias. 63

A aplicação de métodos fotogramétricos 3D automáticos O Convento de Cristo e a Praça da Républica em Tomar. 64

LEVANTAMENTO DE CAMPO (2 dias de balão - 1782 fotos da cidade de Tomar) Processadas 174 fotos relativas à Praça da Républica. 65

Reconstrução sparse automática através do software SFM (software open source disponível em:http://blog.neonascent.net/archives/bundler-photogrammetry-package/) Comparação com modelo de varrimento laser 70

Reconstrução sparse automática através do software SFM Comparação com modelo de varrimento laser 71

Um workflow de varrimento laser 3D O caso da Nave Manuelina no Convento de Cristo 72

1. AQUISIÇÃO DE DADOS nuvens de pontos e imagens digitais 73

2. PROCESSAMENTO DOS DADOS orientação relativa Antes Depois 74

3. MODELO DE NUVENS DE PONTOS Nuvens de pontos orientadas Nuvens de pontos com reflectância 75

4. PROCESSAMENTO DOS DADOS mapeamento da textura Projecção de imagem Adição de nuvem de pontos a cores 76

5. MODELO DE NUVENS DE PONTOS TEXTURADO 77

6. COMPLEMENTO COM OUTROS MEIOS DE LEVANTAMENTO 78

7. EXEMPLOS DE PRODUTOS FINAIS DE LEVANTAMENTO Desenhos 2D Orto-imagens 79

8. UTILIZAÇÃO DO LEVANTAMENTO EM CONSERVAÇÃO Utilização para a cartografia do estado de conservação (fonte: In Situ) 80

9. INTERPRETAÇÃO DE IMAGENS Reflectância VL3D Cor 81

10. A COMBINAÇÃO DE REFLECTÂNCIAS Reflectância (1500nm) + Reflectância (683nm) = NDVI 82

11. O PROCESSAMENTO DE IMAGEM classificação por isoclust componente principal 83

O potencial do varrimento laser 3D O caso do Projecto de Conservação do arco da Rua Augusta. (colaboração com o Atelier 15 Alexandre Alves Costa e Sérgio Fernandéz) 84

1. PREPARAÇÃO plano de levantamento (topografia) 85

1. PREPARAÇÃO plano de levantamento (estações VL3D) 86

1. PREPARAÇÃO colagem de alvos 87

2. LEVANTAMENTO topografia de apoio (DRCLVT) 88

2. LEVANTAMENTO registos manuais e observação directa 89

2. LEVANTAMENTO 4 sessões de VL3D (175 nuvens de pontos) 90

3. OS DADOS nuvens de pontos 91

3. OS DADOS nuvens de pontos 92

3. PROCESSAMENTO eliminação de dados espúrios 93

3. PROCESSAMENTO orientação relativa das nuvens de pontos 94

3. PROCESSAMENTO verificação de resultados 95

3. PROCESSAMENTO orientação externa pela topografia 96

4. UTILIZAÇÃO DE IMAGENS SINTÉTICAS 97

4. UTILIZAÇÃO DE IMAGENS SINTÉTICAS 98

5. PREPARAÇÃO DE ORTO-IMAGENS E RESTITUIÇÃO GRÁFICA É posicionado um plano que é simultaneamente plano de corte e projecção. Este procedimento é válido para a produção de Plantas, Cortes e Alçados. 99

Orto-imagem resultante da projecção das nuvens de pontos no plano de projecção. 100

Vectorização sobre a orto-imagem. 101

6. ANÁLISE GEOMÉTRICA (sobre a natureza das superfícies da abóbada) 109

7. MODELAÇÃO 3D SELECTIVA 113

E. RESUMO/CONCLUSÕES 132

- Embora cada vez mais se assuma o paradigma da documentação 3D, há métodos expeditos que mantêm toda a sua validade e actualidade. - A utilização dos sistemas tridimensionais de documentação gráfica, no contexto da conservação e reabilitação, deve ser feita a par da utilização de meios complementares (ex. GPR) e mantendo uma cultura e um hábito de observação directa dos objectos. - Embora a utilização dos sistemas tridimensionais resulte numa elevada quantidade de dados tridimensionais, ainda é uma realidade, que na maioria dos casos estes são utilizados para a produção de documentação 2D (desenhos de CAD). - No entanto, nessa produção, os dados existentes podem facilitar e flexibilizar o processo na medida em que permitem maior liberdade de escolha quer em posição quer em quantidade de elemento. - Os dados tridimensionais ampliam as possibilidades de reutilização dos mesmos e de revisitação dos objectos. 133

- O VL3D permite uma captura extensiva e fiável da geometria dos objectos que o torna pertinente na utilização para a documentação de realidades complexas e deformadas. - O VL3D tenderá a tornar-se uma tecnologia mais acessível na medida em que os equipamentos se tornarem mais baratos. Porém é ainda uma tecnologia que exige um nível de preparação específica elevado. - O VL3D permite uma captura extensiva e fiável da geometria dos objectos que o torna pertinente na utilização para a documentação de realidades complexas e deformadas. - As potencialidades do VL3D vão para além das análises que derivam da simples captura da geometria dos objectos, como se demonstrou pela interpretação e processamento das imagens de reflectância. - Tal como qualquer tecnologia, também o VL3D apresenta as suas limitações que o tornam pouco adequado para a documentação de certo tipo de objectos (objectos espelhados, vidro, metais polidos) o que implica a adopção de técnicas complementares. 134

- As plataformas aéreas de baixo custo (balão, mastros telescópicos, aviões teleguiados) estão cada vez mais a ser utilizadas e apresentam-se como alternativa viável aos voos clássicos. - A fotografia aérea de baixa altitude traduz-se numa ferramenta eficaz de análise do espaço urbano. - Os sistemas fotogramétricos automáticos são já uma realidade que tenderá a abrir, cada vez mais, o mundo da fotogrametria a não especialistas. Ainda exigem no entanto elevada capacidade de processamento. No entanto são sistemas muito sensíveis à textura dos objectos e sua iluminação. - A possibilidade de manipular informação em formato 3D digital traduz-se como ferramenta eficiente de inquirição e análise dos objectos, por mais complexos que sejam, permitindo a observação de múltiplos pontos de vista (alguns fisicamente impossíveis) e permitindo ampliar o processo de diálogo com o objecto. Nesse sentido amplia igualmente o processo de conhecimento e informação que se entende como necessário a montante, durante e a jusante dos processos de Conservação. 135