CAPÍTULO 4 CÂMARAS FOTOGRAMÉTRICAS

CAPÍTULO 4 CÂMARAS FOTOGRAMÉTRICAS 4.1 Introdução Como o próprio nome indica, a Fotogrametria trabalha com dados provenientes de fotografias e outros de tipos de imagens do espectro visível, bem como imagens de radar e infravermelho, por exemplo. Nos últimos anos, houve uma mudança substancial nos processos fotogramétricos, que estão se tornando inteiramente digitais. Entretanto, a forma de coleta dos dados indispensáveis à Fotogrametria as imagens sempre estará ligada a um dispositivo ótico do tipo câmara fotográfica. Como já foi discutido no capítulo anterior, uma câmara fotográfica possui várias partes, e as mais importantes são o sistema de lentes e o material sensível, que pode ser um filme químico ou um dispositivo eletrônico (C.C.D.). Para a obtenção de medidas confiáveis, objetivo da Fotogrametria, as câmaras fotogramétricas são dotadas de vários dispositivos adicionais, que não estão presentes nas câmaras convencionais. As câmaras convencionais, estas usadas por fotógrafos, são chamadas de câmaras não métricas, ou câmaras de amador, ou ainda, câmaras de pequeno formato. As câmaras fotogramétricas podem ser destinadas à coleta de fotografias aéreas ou terrestres. As câmaras aéreas possuem requisitos altamente específicos, em relação às câmaras não métricas e, devido à sua aplicação em mapeamento, são freqüentemente chamadas de câmaras cartográficas. Em primeiro lugar, as lentes de uma câmara aérea são projetadas para permitirem alta qualidade geométrica. As câmaras aéreas devem permitir a tomada de uma grande quantidade de fotos em uma seqüência muito rápida e mantendo as mesmas especificações. Como esta seqüência de fotos deve ocorrer enquanto a aeronave se move, normalmente em alta velocidade (acima de 200 km/h), a câmara deve ter um ciclo de funcionamento muito rápido, com lentes rápidas e obturadores eficientes, além de serem resistentes às variações nas condições de temperatura e vibrações. As câmaras aéreas usam filmes em rolo, cujos magazines possuem capacidade para centenas de metros de filme. No passado, as câmaras terrestres usavam negativos com base de vidro que, embora propiciem alta 2009 85

confiabilidade geométrica, são pouco práticos para manusear durante a coleta e revelação. 4.2 CLASSIFICAÇÃO DAS CÂMARAS As câmaras a serem usadas em fotogrametria são, predominantemente, as métricas, mas vários desenvolvimentos analíticos recentes permitem o uso de câmaras não métricas (Atkinson, 1980). A primeira distinção entre os tipos de câmaras seria quanto à sua característica geométrica: 4.2.1 Classificação quanto à qualidade geométrica 4.2.1.1 Câmaras métricas As câmaras métricas são aquelas dotadas de lentes de alta qualidade geométrica, de dispositivo de planura do filme e de marcas fiduciais, que permitem a recuperação precisa do ponto principal da imagem e, consequentemente, a reconstrução do feixe perspectivo. São estas as câmaras usadas em Fotogrametria e cujo detalhamento será objeto de estudo neste capítulo. Figura 4.1 Exemplo de câmara aérea métrica. (cortesia Leica Geosystems). 2009 86

4.2.1.2 Câmaras não métricas São as câmaras 35mm ou 120, usadas em trabalhos de estúdio ou mesmo aquelas de uso doméstico. Não possuem exatidão geométrica, nem dispositivos que garantam a obtenção de uma imagem geometricamente fidedigna. Só podem ser usadas em fotogrametria se forem feitas adaptações mecânicas ou se for adotado um procedimento analítico cuidadoso, com muitos pontos de apoio por fotografia. A figura 4.2 mostra um exemplo de câmara não métrica. Figura 4.2 Câmara não métrica ou de amador. 4.2.1.3 Câmaras semi-métricas (a) (b) Figura 4.3 Exemplo de câmara semi-métrica: a) A câmara Rolleimetric; b) Detalhe de uma imagem tomada com uma câmara com reseau (a porção eqüivale a uma área de 12x12 mm, no negativo 6x6cm). 2009 87

Esta classificação é pouco usual e poucos livros-texto a adotam. São classificadas como câmaras não métricas, aquelas que sofrem adaptações para a introdução de um reseau, que é uma placa de cristal quadriculada, colocada entre as lentes e o negativo. Também são colocadas travas mecânicas no dispositivo de focalização e, em alguns casos, adapta-se um dispositivo de planura do filme. 4.2.2 Classificação quanto ao formato da câmara 4.2.2.1 Câmaras de formato convencional (23x23cm) Nesta classificação estão incluídas as câmaras fotogramétricas mais freqüentemente usadas em aerofotogrametria. São câmaras que possuem um único sistema de lentes, que é instalado rigidamente em relação ao plano focal, de modo a garantir alta confiabilidade geométrica. Nestas câmaras cada foto é obtida através da exposição do negativo em um curto intervalo de tempo, durante o qual o filme é mantido imóvel, sendo que o formato de cada quadro é determinado pela moldura da câmara. Geralmente, esta moldura contém as marcas fiduciais e outras informações. As câmaras de formato convencional, que são as mais usadas em mapeamento, geralmente possuem uma moldura de 23x23cm. Um exemplo de uma câmara deste tipo foi mostrado na figura 4.1 4.2.2.2 Câmaras de pequeno formato (a) (b) Figura 4.4 Câmaras de pequeno formato: (a) A câmara métrica Zeiss UMK1318 formato 13x18cm; (b) Câmara Roleimetric, semi-métrica com reseau, formato 60x60mm. 2009 88

Nesta categoria estão várias câmaras cujo formato é menor que 23x23cm. Esta denominação é freqüentemente usada para as câmaras não métricas cujos formatos mais comuns são 35mm (fig. 4.2) e 60mm, embora entre estas câmaras possam ser encontradas câmaras semi-métricas (fig. 4.3.a), ou mesmo câmaras métricas. A câmara Zeiss UMK1318 (fig. 4.4) é um exemplo de câmara métrica que possui um formato menor que o formato convencional, embora guarde várias características das câmaras métricas convencionais, como a existência de marcas fiduciais, dispositivo de sucção do filme, etc... 4.2.2.3 Câmaras de grande formato Um exemplo atual de câmara de grande formato, é o modelo TK- 350, da empresa russa SOVINFORMSPUTNIK, utilizada a bordo de satélite para coletar imagens orbitais de extensas áreas. Esta câmara tem uma distância focal de 350mm e um formato de negativo de 30x45 cm. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 4.5 Exemplos de câmaras em plataformas orbitais: a) A cobertura da câmara TK-350; b) A cobertura da câmara TK-1000; c) linha de varredura da TK-350; d) linha de varredura da TK-1000; e) satélite da série COSMOS; 2009 89

O satélite russo COSMOS é normalmente lançado com duas câmaras (TK-350 e TK-1000) e está posicionado a 220 km de altitude. Nestas condições as fotos tomadas pela TK-350 possibilitam uma resolução no terreno de 10m, com fotografias na escala de 1:660.000 e área de cobertura de 200x300km A câmara TK-1000 possui lentes com distância focal de 1.000m e pode gerar fotografias com resolução de até 2m no terreno. O formato desta câmara é 18x18cm, o que a coloca na categoria de quase pequeno formato. As fotos tomadas a partir da plataforma orbital estão na escala de 1:220.000 e cobrem uma área aproximada de 40x40km Na década de 80, a NASA lançou uma câmara com distância focal de 305mm e quadro focal de 23x46cm, a bordo do Ônibus Espacial, a uma altura de vôo nominal de 278km, produzindo coberturas de amplas áreas. Na época, esperava-se que a câmaras de grande formato, graças à ampla área de cobertura e alto rendimento, fossem adotadas também para aerolevantamento, o que não ocorreu, devido ao alto custo dos equipamentos e à necessidade de restituição inteiramente analítica. 4.2.2.4 Câmaras de faixa contínua Movimento contínuo do filme Direção de vôo Fenda Lentes: Obturador sempre aberto Linha de vôo Figura 4.6 Esquema de uma câmara de faixa contínua. 2009 90

A câmara de faixa contínua, possui um sistema de movimentação contínua do filme fotográfico, cuja velocidade é calculada em função da altura de vôo, da velocidade da aeronave e da distância focal das lentes. Somente uma pequena faixa de luz atinge o negativo, pois existe uma pequena fenda no plano focal da câmara. À medida que a aeronave se desloca, somente a porção do terreno abaixo é registrada no filme, produzindo ao final uma faixa fotográfica contínua como representação do terreno. A exposição é controlada pela abertura da fenda. Evidentemente, como a aeronave sofre variações de altitude e de orientação, várias distorções ocorrem, razão pela qual esta câmara é pouco empregada em Fotogrametria e mais para fotointerpretação e inteligência. A figura 4.6 traz um modelo esquemático de uma câmara de faixa contínua. Em alguns modelos, são colocados dois conjuntos de lentes, um apontando a vante e o outro a ré, com o objetivo de produzir cobertura estereoscópica. 4.2.2.5 Câmaras panorâmicas A fotografia panorâmica aparece como uma faixa perpendicular à linha de vôo, representando o terreno de horizonte a horizonte. A câmara panorâmica possui um sistema de varredura transversal, que permite captar todo o espaço perpendicular à linha de vôo. O campo de visada da linha de varredura é bastante estreito, mas a câmara tem um ciclo de funcionamento rápido, permitindo a existência de superposição longitudinal. Existem dois modelos de câmaras panorâmicas, dependendo do sistema de varredura. Na figura 4.7.(a) apresenta-se um modelo no qual as lentes são movimentadas para proporcionar a varredura lateral. Na figura 4.7.(b) mostra-se um modelo no qual as lentes são fixas e um prisma é rotacionado para a varredura. Na figura 4.8.(a) mostra o ângulo de varredura lateral e a figura 4.8.(b) o ângulo de abertura longitudinal. Na figura 4.8.(c) pode-se notar a área de cobertura no terreno de uma fotografia panorâmica e a área de superposição longitudinal entre duas tomadas sucessivas. Apesar das distorções geométricas inerentes ao processo, as câmaras panorâmicas podem produzir imagens com resolução 5 vezes maior que as câmaras convencionais, porque somente a porção central das lentes é usada para imageamento. Além disto, as câmaras panorâmicas cobrem uma área sensivelmente maior que as câmaras aéreas convencionais. 2009 91

Avanço do filme a cada rotação das lentes Lentes rotativas Direção de vôo Linha de vôo (a) Lentes Fenda Direção do filme Filme Segundo espelho Direção de varredura Primeiro espelho Lentes (b) Figura 4.7 a) Diagrama de uma câmara panorâmica com varredura pela rotação das lentes; b) Esquema de uma câmara de varredura por prismas; 2009 92

Varredura Lateral Ângulo de abertura longitudinal (a) (b) Direção de vôo Varredura 2 Área de superposição Varredura 1 (c) (d) Figura 4.8 a) Varredura lateral de uma câmara panorâmica; b) Campo de visada longitudinal; c) Área de cobertura no campo de uma foto panorâmica e cobertura estereoscópica (Adaptado de Wolf, 1983) (d) exemplo de uma imagem obtida com uma câmara panorâmica. 2009 93

4.2.2.6 Câmaras multi-frame As câmaras multi-frame possuem vários conjuntos de lentes de modo que podem expor duas ou mais fotos simultaneamente. Seu emprego atual é na obtenção de fotos multiespectrais, colocando-se filmes com diferentes sensibilidades espectrais em cada quadro. Embora em desuso, eram comuns nas décadas de 40 a 60 as câmaras Trimetrogon, que possuíam três câmaras: uma com ângulo vertical, outra apontando a vante e a terceira apontando a ré. Obtinham-se três quadros de cada vez, que cobriam uma área bastante grande, como mostra a figura 4.9. Vários instrumentos analógicos foram adaptados para acomodar este tipo de fotografia. Atualmente, com o advento das câmaras digitais, o sistema Trimetrogon está sendo reavivado. Algumas empresas recorrem ao uso de três câmaras digitais para aumentar a área de cobertura de cada imagem. Áreas cobertas pelas três câmaras Eixo ótico Eixo ótico Eixo ótico Cobertura oblíqua Cobertura vertical Cobertura oblíqua Figura 4.9 Esquema de cobertura de uma câmara trimetrogon. 4.2.3 Classificação quanto à posição espacial do sensor 4.2.3.1 Câmaras aéreas Quando a câmara é embarcada a bordo de uma aeronave e são coletadas fotos, pode-se afirmar que as fotografias obtidas são aéreas e que a câmara também pode ser chamada de câmara aérea. Num sentido mais estrito, entretanto, são chamadas de câmaras aéreas aquelas projetadas especificamente para esta finalidade, possuindo vários dispositivos específicos para esta finalidade. Uma característica das câmaras aéreas é a focalização para o infinito (distância principal é igual à distância focal) e a necessidade de 2009 94

obturadores muito rápidos. Estas câmaras podem ser métricas ou não. A posição e orientação da câmara são desconhecidos a priori, podendo ser determinados com o auxílio do DGPS e de sistemas inerciais. 4.2.3.2 Câmaras Terrestres As câmaras terrestres são projetadas para coletar fotografias a partir de estações no terreno cujas posições são normalmente conhecidas. A grande diferença em relação à fotografia aérea é que a posição e orientação da câmara podem ser determinadas com precisão, minimizando, ou mesmo eliminando, a necessidade de pontos de apoio. Um exemplo de câmara terrestre é o conjunto denominado estereocâmara, que possui duas câmaras fotogramétricas posicionadas na extremidade da base e os elementos de orientação são calibrados a priori. Outro exemplo é o Fototeodolito, que integra uma câmara fotogramétrica sobre um teodolito, para permitir a determinação dos ângulos de orientação (figura 4.10). Figura 4.10 Fototeodolito Zeiss Jena. Algumas estereocâmaras de pequeno porte (35mm), para finalidade apenas de diversão, foram produzidas durante muitos anos. Atualmente, com o advento das câmaras digitais, vários modelos de estereocâmaras digitais vêm sendo disponibilizados. A figura 4.11(a) apresenta um modelo de estereocâmara de amador convencional enquanto que a figura 4.11.(b) apresenta um modelo digital, recentemente desenvolvido. 2009 95

Figura 4.11 Estereocâmaras (a) Estereocâmara convencional; (b) Estereocâmara digital. 4.2.3.3 Câmaras orbitais Seriam câmaras levadas a bordo de veículos que descrevem órbitas ao redor da terra. Existem tanto câmaras fotográficas quanto câmaras digitais com várias características. Um exemplo de câmara fotográfica orbital foi mostrado na figura 4.5. 4.2.4 Classificação das câmaras quanto à COBERTURA ANGULAR (função da distância focal e do quadro focal) As câmaras fotogramétricas convencionais possuem o sistema de lentes fixo e as distâncias focal e imagem não podem ser alteradas. Deste modo, o ângulo de abertura destas câmaras é fixo e pode ser calculado a partir da distância focal e das dimensões do quadro focal. O ângulo de abertura possui o vértice no ponto nodal posterior e cobre a diagonal do quadro focal (figura 4.12). d Plano Focal Ângulo de abertura Ponto nodal Figura 4.12 Ângulo de cobertura de uma câmara. O ângulo de abertura α pode ser calculado através da expressão 4.1. 2009 96

d α = 2. arctg 2. f (4.1) onde f é a distância focal da câmara; d é a diagonal do quadro focal dada por: e a é o lado do quadro focal, normalmente 23x23cm. d = 2.a (4.2) A título de exemplo, suponha uma câmara com distância focal de 152 mm e quadro focal de 23x23cm; o ângulo de abertura seria 93,7 o. De acordo com o ângulo de abertura das lentes as câmaras podem ser classificadas em (WOLF, 2000): 1 Ângulo pequeno (menores que 50 o. Distâncias focais de 610 e 915mm. Usada para inteligência, fotointerpretação e construção de mosaicos; 2 Ângulo normal 50 o - 75 o. Distância focal de 300mm. Usadas para fotointerpretação, mapeamento, fotos coloridas, mosaicos e ortofotografias; 3 Grande angular 75 o - 100 o. Distância focal de 153mm. Este é o tipo de câmara mais comum para mapeamento; 4 Super grande angular 100 o - 130 o. Distância focal de 88mm. Usada para mapeamento de áreas com pequena variação de relevo; As câmaras com focal de 210mm são classificadas por alguns autores (KRAUSS, 1993) como de abertura intermediária. É possível ainda, classificar as câmaras de acordo com o comprimento da distância focal do sistema de lentes. Esta classificação seria: 1 Distância focal curta 2 Distância focal normal 3 Distância focal longa 4.2.5 Classificação quanto à ORIENTAÇÃO DA CÂMARA Embora esta classificação esteja mais relacionada à geometria da fotografia, é interessante agrupá-la às demais classificações das câmaras. 1 A fotografia vertical (fig. 4.13.a) é tomada com o eixo ótico da câmara na vertical ou aproximadamente vertical. Normalmente uma fotografia vertical é tomada com o eixo ótico ligeiramente inclinado; refere-se a esta foto como inclinada. Esta inclinação acidental do eixo ótico deve ser menor que 2 o ou 3 o ; 2009 97

2 A fotografia baixo-oblíqua (fig. 4.13.b) é tomada com o eixo ótico inclinado, mas não o suficiente para mostrar o horizonte; 3 A fotografia alto-oblíqua (fig. 4.13.c) é uma foto tomada com o eixo ótico suficientemente inclinado para mostrar o horizonte terrestre; 4 A fotografia convergente (fig. 4.13.d) é um par de fotos baixo-oblíquas em que o eixo ótico da câmara converge um em direção ao outro. As duas fotos cobrem aproximadamente a mesma porção de terreno; Ângulo de convergência Fotografia Horizonte (a) (b) (c) Horizonte (d) Figura 4.13 (a) Fotografia vertical; (b) baixo oblíqua; (c) Alto oblíqua; (d) par de fotos convergentes; Lentes Vertical Área recoberta (a) (b) Figura 4.14. (a) Configuração e (b) exemplo de Fotografia Baixo Oblíqua. 2009 98

Lentes Horizonte Vertical (a) (b) Figura 4.15. (a) Configuração e (b) exemplo de Fotografia Alto Oblíqua. 2009 99

4.2.6 Classificação quanto ao tipo de elemento de registro da imagem Esta classificação refere-se ao tipo de elemento usado para registrar a imagem. Se este elemento for um filme, costuma-se denominar a câmara de analógica, ou câmara de filme. Se o elemento destinado a registrar a luz for um sensor eletrônico, por exemplo um CCD ou um CMOS, então a câmara é classificada como Digital. As câmaras fotogramétricas analógicas e digitais registram a luz refletida pelos alvos, nos comprimentos visíveis e o infravermelho. Outros sensores também destinados ao mapeamento utilizam fontes de energia ativa, como o Radar ou o LIDAR (ver seção 4.15) 4.3 AS PARTES PRINCIPAIS DE UMA CÂMARA FOTOGRAMÉTRICA Existem vários diferentes fabricantes e modelos de câmaras fotogramétricas, mas as partes principais de uma câmara são comuns a todos os modelos. As câmaras fotogramétricas são construídas dentro de um alto padrão de qualidade e exatidão geométrica e, por isto, seu custo é muito elevado. Em qualquer modelo de câmara fotogramétrica, podem ser identificadas as seguintes partes: (1) Sistema de lentes, (2) O corpo da câmara e; (3) o Magazine. Alguns autores (MOFFIT E MIKHAIL, 1980) apresentam uma divisão mais detalhada, mas os componentes principais são basicamente os mesmos. A figura 4.16 apresenta um esquema de uma câmara fotogramétrica, com suas partes principais. 2009 100

Magazine Plano imagem Lentes (a) Filme Exposto Filme Virgem Magazine planura do filme Filme Plano focal Abertura do frame Corpo Eixo ótico Cone Interno Distância Focal Montagem do Cone de Lentes Ponto nodal interior Lentes Obturador Diafragma Filtro Ponto nodal (b) Figura 4.16 (a) Câmara LMK da empresa Zeiss Jena; (b) Esquema de uma câmara fotogramétrica e suas partes principais. 2009 101

4.3.1 O SISTEMA DE LENTES E O CONE INTERNO As partes mais importantes de uma câmara fotogramétrica estão no cone interno. São as lentes, que formam um sistema de lentes e as marcas fiduciais, que estão solidárias às lentes, por meio da montagem mecânica do cone interno. Como já foi visto no capítulo anterior, a função das lentes é provocar a convergência dos cones de luz refletidos nos objetos, no plano focal. No caso das câmaras aéreas, como a distância objeto é muito grande, a distância imagem para a focalização é praticamente igual à distância focal do sistema de lentes. As modernas câmaras fotogramétricas possuem lentes com baixa distorção radial simétrica (menores que 10 μm) e corrigem as aberrações cromáticas, de tal modo que podem ser usadas tanto para fotografias pancromáticas quanto para fotos coloridas. Na figura 4.17 são mostrados diferentes sistemas de lentes de várias câmaras fotogramétricas. (a) (b) (c) Figura 4.17 Exemplos de sistemas de lentes de diferentes câmaras fotogramétricas: (a) Zeiss Pleogon, f/5.6, ângulo de cobertura de 125 o ; (b) Wild Super Aviogon, f/5.6, ângulo de cobertura de 120 o ; (c) Baker Geocon IV, f/5, ângulo de cobertura de 94 o Costuma-se incluir como partes do sistema de lentes o diafragma, o obturador e os filtros. O diafragma regula a quantidade correta de luz a ser admitida de acordo com a sensibilidade do filme, através da escala f stop já discutida. Os f stop das câmaras aéreas variam de f/4 a f/22. O obturador é uma parte importante do sistema, pois as aeronaves deslocam-se a altas velocidades, obrigando os fabricantes a desenvolverem dispositivos muito rápidos e com alta eficiência. Se o tempo de exposição não for adequado, então ocorrerá o borramento da imagem, que pode ser evitado de duas maneiras: (1) usando um tempo de exposição muito pequeno ou (2) utilizando o dispositivo de compensação do movimento da imagem (FMC), que será discutido adiante. Os obturadores podem ser colocados entre as lentes ou 2009 102

no plano focal, com um sistema de fenda móvel. Os obturadores mais adequados à Fotogrametria são os internos às lentes, como mostrado da Figura 4.18. Abertura do diafragma Pivots Movimento de abertura (a) (b) (c) (d) Figura 4.18 Obturadores. (a) obturador do tipo folha aberto; (b) obturador fechado; (c) Obturador Zeiss de 4 lâminas (d) obturador de discos da câmara RMK-Top Zeiss Na figura 4.18 são mostrados alguns modelos de obturadores presentes nas câmaras aéreas. No obturador de folhas as partes giram em torno 2009 103

de pivots, permitindo a abertura durante o tempo selecionado (fig. 4.18.(b)). O obturador de lâminas possui um sistema de 4 lâminas, das quais duas são usadas para abertura e duas para fechamento do obturador. O sistema é semelhante à uma guilhotina. O obturador de disco, possui vários discos que giram continuamente. Cada disco tem uma perfuração e a exposição é feita no exato instante em que todas as perfurações coincidem, o que é obtido com a perfeita sincronização dos discos. O filtro atende à três objetivos, como já foi visto: reduz o efeito da bruma atmosférica; distribui a luz uniformemente no plano focal e protege o sistema de lentes. Normalmente o filtro é colocado na parte frontal das lentes, mas algumas Figura 4.19 (a) Sistema de filtros, obturador e diafragma da câmara Zeiss RMK- Top câmaras mais modernas, como a RMK-Top, da Zeiss, possuem um sistema rotativo interno, com vários tipos de filtros que podem ser mudados mesmo durante o vôo (fig. 4.19). Além do sistema de lentes, o cone interno possui outros componentes importantes, que permitem a manutenção rígida dos elementos de orientação interior da câmara: o plano focal e as marcas fiduciais. Para manter estáveis os elementos de orientação interior, o cone interno é feito com metal com baixo coeficiente de dilatação. A parte superior do cone interno das lentes, contém o plano focal, no qual são inseridas as marcas fiduciais, que definem o sistema de coordenadas da fotografia. A intersecção das linhas que ligam marcas fiduciais opostas define o centro fiducial ou centro de colimação, que está muito próximo ao ponto principal. O ponto principal é definido como o ponto de interseção entre o plano focal e uma linha imaginária partindo do ponto nodal posterior e perpendicular à 2009 104

este plano focal. Obviamente o plano focal está localizado no ponto de melhor focalização, ou seja, na distância focal da câmara em relação ao ponto nodal. Existem várias configurações de marcas, tanto locadas nas laterais quanto nos cantos do quadro fotográfico. Em alguns modelos estão presentes até 8 marcas fiduciais. Além das marcas, existem outras informações que são inseridas no negativo no instante da tomada da foto, e cujas matrizes estão no quadro focal. São gravadas a hora da tomada da foto, o número da foto, o estado do nível de bolha, leitura do altímetro, número e distância focal da câmara e um espaço em branco para anotações (Figura 4.20.(c)). Dependendo do modelo da câmara, outras informações podem ser adicionadas. O registro das marcas fiduciais pode ser feito de várias maneiras. Em algumas câmaras, as marcas são apenas uma máscara de material estável, com alguns ressaltos característicos (Fig. 4.20.(a)) ao passo que modelos mais modernos usam o recurso de iluminação indireta com fibras óticas (fig. 4.20.(b)). Marca Fiducial (a) Número da foto Altímetro (em pés) (b) Nível de bolha (até 5º) Relógio Anotações Marca fiducial (c) Figura 4.20 (a) marcas fiduciais do Fototeodolito; (b)marcas fiduciais na câmara UMK-1318, com iluminação indireta (c) registros Auxiliares em fotografia aérea 2009 105

4.3.2 O CORPO DA CÂMARA E O CONE EXTERNO A função do cone externo é receber o cone interno e o mecanismo de avanço motorizado do filme e servir de interface para o magazine. O corpo da câmara é constituído do cone externo e de outras peças, como suportes, alavancas de comando e dispositivos de controle automático do ciclo de funcionamento da câmara. O ciclo de funcionamento da câmara pode ser resumido em 4 etapas: (1) avançar o filme; (2) aplainar o filme, que é feito por um dispositivo de sucção fixado no plano focal ou no magazine; (3) armar o obturador (4) disparar o obturador. Existem vários dispositivos para manter o filme plano, sendo o dispositivo de vácuo-sucção o mais comum (fig. 4.21). Outras possibilidades não tão eficientes são: (1) a colocação de duas placas de vidro, que podem provocar riscos no negativo; (2) placa com eletricidade estática, que pode danificar os circuitos elétricos da câmara; (3) aplicar tensão entre as extremidades, de modo que o filme fique esticado ; (4) usar negativos com base de vidro ou cristal, o que é inviável para aerofotogrametria. Sistema de vácuo Filme Orifícios Plano focal Figura 4.21 Dispositivo de vácuo-sucção para aplainar o filme. 2009 106

4.3.3 O MAGAZINE O magazine serve para armazenar o filme antes e depois da exposição, avançar a quantidade necessária de filme e aplainá-lo. O magazine pode ser de rolo ou em forma de porta-placas, estes mais comuns para fotogrametria terrestre (fig. 4.22.(c)). Um magazine de rolo, para fotografias 23x23cm pode armazenar mais de 120m de negativo, ou o suficiente para tomar mais de 450 fotos. (a) (b) (c) Figura 4.22 Magazine da câmara UMK: (a) o magazine aberto mostrando o rolo de filme; (b) o dispositivo de sucção de uma placa plana (neste modelo a bomba é externa); (c) um porta placas para filme plano; O dispositivo de planura do filme, normalmente do tipo vácuo-sucção, é uma das peças chaves do processo fotogramétrico. Caso o filme não esteja exatamente plano, as posições planimétricas dos pontos na foto estarão também erradas, gerando um erro sistemático ao longo de todo o processo. A deformação do filme em relação ao plano, ou seja, a distância do filme ao plano focal ideal pode chegar a 0.5mm em câmaras 35mm e a 1,0mm em câmaras 2009 107

70mm (formato 55x55mm) (Donnely, 1990, appud Atkinson, 1996). Esta deformação pode se propagar para as fotocoordenadas e ocasionar erros de grande magnitude. Normalmente os magazines são removíveis, de tal maneira que possam ser preparadas várias unidades para serem trocadas durante o vôo, sem a necessidade de retirar o filme já exposto. Além das marcas fiduciais, algumas câmaras possuem também um reseau, que é uma placa de cristal com uma quadrícula de pontos gravados em sua superfície. Embora este tipo de dispositivo seja comum em câmaras semimétricas, em alguns casos pode ser usado também em câmaras aerofotogramétricas, aumentando sensivelmente a exatidão do processamento, uma vez que os erros sistemáticos podem ser corrigidos para cada pequena região da quadrícula. Na maioria das vezes, o usuário e contratante preferem as fotos sem as marcas do reseau, que podem atrapalhar a identificação de pequenos detalhes. Arrastamento O arrastamento é um borramento na imagem provocado pelo movimento relativo da imagem enquanto o obturador permanece aberto durante o disparo da câmara. Nesta pequena fração de segundo, qualquer ponto estará em movimento, que será registrado como um borramento linear. O arrastamento teórico na imagem pode ser quantificado através da expressão 4.3. onde: V. t. f Arrastamen to _ teórico a = v. t = H ' v é a velocidade aparente (relativa) da imagem; t é o tempo de exposição; V é a velocidade da aeronave; f é a distância focal da câmara; H altura de vôo; = (4.3) É importante ressaltar que o movimento da aeronave para frente resulta em um deslocamento aparente do objeto para trás e, portanto, sua imagem no negativo se desloca para frente, no sentido de deslocamento da aeronave, como mostra a figura 4.23. 2009 108

a f V Z Figura 4.23 Arrastamento teórico. P Além do arrastamento provocado pelo deslocamento da aeronave, as oscilações de rotações também causam arrastamento. A quantificação deste efeito pode ser feita considerando o movimento aparente causado pela rotação, mas este tipo de arraste não pode ser compensado pelo movimento do filme, sendo necessário utilizar berço giro-estabilizado. Outro problema é a variação de altitude na região que provocaria diferentes valores de arrastamento, o que pode ser verificado na expressão 4.3, pois H varia. Esta variação não pode ser compensada, devendo ser usado um valor médio. A expressão 4.3 pode ser modificada para considerar as unidades mais comuns de medida de velocidade da aeronave e tempo de exposição, resultando em: 278. V. t Arrastamento. teórico a = def = (4.4) onde: def é o denominador da escala da foto e é dado como H /f; V é a velocidade da aeronave em Km/h; t é o tempo de exposição em segundos; O arrastamento a é calculado em milímetros. O valor 278 na expressão (4.4) resulta da conversão de unidades (1000X1000/3600)= 277,77 278. A tabela 4.1 mostra os valores do arrastamento teórico para diferentes velocidades das aeronaves, escalas de fotografias e tempos de exposição. 2009 109

Tabela 4.1 Arrastamento em μm Velocidade da 100 km/h 500 km/h Aeronave Escala da foto 1/5.000 1/10.000 1/50.000 1/5.000 1/10.000 1/50.000 Tempo de 1/100 56 28 6 278 139 28 Exposição 1/500 11 6 1 56 28 6 (segundos) 1/1000 6 3 1 28 14 3 Fonte: Albertz, Kreiling, 1989 Considerando agora as oscilações de rotação na aeronave, a tabela 4.2 apresenta os arrastamentos no centro e nas bordas da imagem para uma velocidade de rotação de 1 grado/segundo e tempo de exposição de 1/300 s. Tabela 4.2 Arrastamento devido às oscilações rotacionais da aeronave. Distância Arrastamento em μm focal (mm) No centro da imagem No canto da imagem 85 4 13 153 8 13 210 11 14 Fonte: Albertz, Kreiling, 1989 Embora a quantificação do arrastamento seja uma estimativa da degradação da imagem, apenas uma parte do movimento aparente da imagem se manifesta como borramento visível na imagem. Isto ocorre porque não é um ponto infinitesimal que se move sobre a emulsão, mas um círculo ou uma área quadrada. A imagem deste sinal se move sobre o plano imagem durante um tempo de exposição t e a energia luminosa é distribuída. A imagem do sinal somente será visível se uma quantidade adequada, acima do nível de véu (fog) for recebida pela emulsão (ou sensor) (Krauss, 1993). Na figura 4.24 são mostradas três situações que demonstram o efeito da exposição. Como pode ser observado na figura 4.24(a) o arrastamento total (a t ) é a diferença entre o movimento aparente durante a abertura e a dimensão do objeto (g). Entretanto, somente será visível a parcela deste borramento que for registrada na imagem, que será aquela acima do nível de véu (fog), ou seja, apenas a parcela a. Isto explica porque o arrastamento visível é menor que o valor calculado pela expressão 4.3. 2009 110

Exposição = E.t g a a Véu (fog) Plano imagem g at g (a) (b) (c) Figura 4.24 Exposição por um objeto luminoso de tamanho g em movimento. (a) Tempo de exposição grande; (b) Tempo de exposição pequeno; (c) Iluminação insuficiente (ponto não será registrado). Adaptada de Krauss, 1993 A partir da experiência empírica em levantamentos cadastrais, Krauss (1993) considera que apenas metade do movimento da imagem é efetivo, o que permite alterar a expressão (4.4) para: 139. V. t Arrastamento. efetivo ae = 0,5. at = def = (4.4) Seguindo estas considerações de ordem prática, os valores efetivos de arrastamento, apresentados nas tabelas 4.1 e 4.2 seriam reduzidos pela metade. Como o arrastamento causa um borramento na imagem, é importante minimizá-lo ou mantê-lo em níveis que não comprometam a resolução do sistema. H.K.Meier (1960), citado por Krauss (1993), mostra que um arrastamento teórico de 1,5 vezes o inverso da resolução é tolerável para efeitos práticos. 2009 111

1,5 Arrastamento. teórico. máximo amax resolução Magazine com compensação de arrastamento Direção do vôo = (4.5) Filme Movimento aparente da cena (a) (b) Figura 4.25 Compensação do arrastamento: (a) Esquema de um magazine com FMC; (b) Magazine com FMC da câmara RMK-Top Zeiss. Se a velocidade aparente das imagens (v) for sincronizada com a relação V/H então o arrastamento será nulo. Os dispositivos de compensação de arrastamento (também chamados de computadores V/H ) provocam um pequeno movimento sincronizado do negativo, na direção do vôo, enquanto o obturador está aberto (figura. 4.25(a)). Este pequeno movimento elimina o arrastamento e melhora significativamente a qualidade da imagem (figura 4.26.(b)). Na figura 4.25.(b) mostra-se um magazine com um dispositivo de compensação, também chamado de FMC (Forward Motion Compensation), da câmara RMK-Top, Zeiss. 2009 112

(a) (b) Figura 4.26 Arrastamento: (a) Borramento na imagem causado pelo arrastamento; (b) Imagem tomada com câmara com FMC, sem arrastamento. 4.3.4 ACESSÓRIOS Berço O berço é o mecanismo usado para fixar a câmara, sobre o orifício na fuselagem da aeronave. Para evitar a transmissão das vibrações da aeronave para a câmara, o berço é sustentado por amortecedores, que absorvem impactos. O berço dispõe de um mecanismo de rotação em torno da vertical, que permite a correção da deriva da aeronave, durante o vôo. A deriva é o desvio na orientação da aeronave em relação à linha de vôo e é resultado de ventos laterais. Além deste movimento, existem parafusos nivelantes que permitem nivelar a câmara durante o vôo, embora isto não garanta que os ângulos de orientação sejam nulos. 2009 113

Figura 4.27 Berços de câmaras fotogramétricas: (a) Berço e câmara UMK 1318; (b) Berço giro-estabilizado de uma câmara RMK-Top. Para manter a câmara perfeitamente nivelada durante o vôo, o berço deve ser dotado de um dispositivo de controle ativo, como o mostrado na figura 4.27.(b). Este dispositivo é baseado em um conjunto de 3 giroscópios, um para cada eixo e permite obter fotos perfeitamente verticais. Unidade de controle Figura 4.28 Unidade de controle: (a) Unidade de controle de uma câmara UMK 1318; (b) Unidade de controle de uma câmara RMK-Top A unidade de controle contém vários dispositivos elétricos e eletrônicos que comandam o funcionamento da câmara. Cada fabricante implementa diferentes características e funcionalidades na unidade de controle. Um dos elementos da unidade de controle mais importantes é o intervalômetro, que controla o intervalo entre as sucessivas exposições, realizando o ciclo da 2009 114

câmara automaticamente (armar o obturador, ligar o dispositivo de sucção, disparar e mover o filme). Alguns modelos mais modernos de intervalômetro estão conectados ao visor na câmara, o que permite ao fotógrafo controlar com precisão a superposição a ser obtida. Também na unidade de controle há um dispositivo de controle da exposição, que é similar ao fotômetro. Este dispositivo pode ser manual, como no modelo da figura 4.28(a), ou automático. Nos modelos automáticos o dispositivo automaticamente mede ao brilho da cena e calcula a melhor combinação de abertura do diafragma e de tempo de exposição, controlando a câmara com estes parâmetros. O modelo de unidade de controle apresentado na figura 4.28.(b), por exemplo, possui um microprocessador e interfaces para GPS e sistemas de navegação. Ângulos de atitude A seguir são definidos os ângulos de atitude da aeronave arfagem rolagem guinada Deriva drift Eixo vertical Eixo vertical Linha de vôo planejada Linha de vôo planejada Inclinação longitunal à linha de vôo Inclinação tranversal à linha de vôo Figura 4.29 (a) Ângulos de atitude da aeronave. Crab Ângulo de correção da deriva Pitch (arfagem): Atitude de nariz : Rotação em torno do eixo horizontal das asas. Roll (Rolagem): Movimento de asa devido à rotação da aeronave em torno do eixo longitudinal. Yaw (Guinada): Desvio da linha de vôo causada por uma rotação da aeronave em torno do seu eixo vertical, normalmente causada por vento lateral. Drift (Deriva): A aeronave não rotaciona em torno do eixo mas não segue a linha de vôo; Tilt (inclinação): Resultante de Pitch e Roll; Crab (Ângulo de correção da deriva): Falha na orientação da câmara no sentido longitudinal 2009 115

Visor com Intervalômetro O visor é dispositivo ótico externo à câmara que permite ao fotógrafo visualizar a área que está sendo fotografada. A figura 4.29(b) mostra um modelo simples de visor, que permite apenas a visualização da cena. Alguns modelos mais recentes, como o mostrado na figura 4.29(c) são considerados como uma parte do intervalômetro e permitem o controle preciso da superposição longitudinal entre duas fotos sucessivas, bem como da correção da deriva. Figura 4.29(b) Visor da câmara UMK 13/18 CORREÇÃO DA DERIVA (DERIVÔMETRO) - NS1 Navigation Sensor Zeiss A figura 29(c) mostra um modelo de visor que permite simultaneamente o controle da deriva e da superposição. O controle da exposição é feito por meio de uma corrente móvel mostrada no visor. A corrente se move no visor na mesma direção que a imagem aparente. O operador pode variar a velocidade da corrente para sincronizá-la com a velocidade aparente da imagem. Com isto, basta entrar com a superposição desejada que o disparo será feito automaticamente. Isto evita a variação da superposição devido à variação da velocidade da aeronave. Para a determinação do ângulo de correção da deriva verifica-se se a direção de avanço da corrente é paralela à direção de avanço da imagem aparente. Isto se consegue rotacionando o NS1 e depois a câmara; 2009 116

Corrente móvel Visor: Superfície de cristal fosco que permite a visão contínua do terreno fotografado. Têm ângulo de cobertura equivalente a uma câmara grandeangular Figura 29(c) Derivômetro- NS1 Navigation Sensor Zeiss Telescópio de navegação O telescópio é usado para a navegação, para a medição e controle da superposição e deriva lateral. O telescópio oferece uma cobertura de 85 o à frente em relação ao nadir. Para a medida da relação v/h, existem marcas luminosas móveis que são sincronizadas visualmente com a imagem aparente da cena. Orientação do vôo por GPS e disparo assistido por GPS O Sistema de Posicionamento Global (GPS) pode ser usado em Fotogrametria de várias maneiras: (a) para a navegação da aeronave de acordo com o plano de vôo traçado; (b) para o disparo programado das estações, de acordo com o plano de vôo; (c) para a determinação precisa das coordenadas do centro perspectivo da câmara no momento da tomada da foto; (d) para a determinação de pontos de apoio em campo. Somente as três primeiras alternativas podem ser usadas durante o vôo. 2009 117

(a) (b) Figura 4.30 (a) Telescópio de navegação Zeiss. (b) Sistema de observação e navegação visual da empresa Wild. 2009 118

A figura 4.31 apresenta um dispositivo de gerenciamento do vôo apoiado por GPS. Este dispositivo é composto de um microprocessador, uma tela para o piloto orientar-se durante o vôo e um monitor sensível ao toque, para o fotógrafo. Figura 4.31 Sistema de orientação ao vôo assistido por GPS. (cortesia Zeiss) Sistema Inercial Os sistemas inerciais são destinados, fundamentalmente, a medir a Figura 4.32 Sistema inercial Litton LR 86 acoplado à uma câmara fotogramétrica Zeiss RMK Top. 2009 119

a posição e atitude do sensor, ou seja, as coordenadas do C.P. e os ângulos de orientação. Os sistemas deste tipo são conhecidos como I.M.U. (Inertial Measurement Unit) e são compostos de 3 giroscópios e 3 acelerômetros, além de sensores auxiliares para a calibração. O sistema inercial é rigidamente conectado à câmara (figura 4.32) e registra todas as inclinações que esta sofre durante o vôo, além das acelerações, medidas pelos acelerômetros. Normalmente, a I.M.U. está conectada a uma interface que também captura dados GPS, de tal modo que é possível corrigir a deriva dos acelerômetros e determinar a posição e orientação da câmara durante a tomada da foto. Embora esta informação não seja precisa o suficiente para eliminar completamente a necessidade de pontos de apoio medidos em campo, está provado experimentalmente que podem ser medidos apenas 4 destes pontos em um bloco para obter as precisões compatíveis com o mapeamento. 4.4 Sensores Aéreos Digitais A tecnologia de imageamento digital com câmaras digitais, descrita no capítulo 3, tem sido empregada em aplicações de Visão de Máquina, Fotogrametria à Curta Distância e em algumas aplicações aéreas. No Sensoriamento Remoto, a tecnologia de imageamento eletrônica vem sendo usada desde seus primórdios, em sensores orbitais, gerando produtos multiespectrais. A maioria das aplicações atuais de Fotogrametria, tanto em mapeamento quanto em curta distância, são digitais, no sentido de que a informação é toda ela tratada numericamente. Tabela 4.3 Comparação entre câmaras aéreas e sensores eletrônicos. CÂMARAS AÉREAS SENSORES ELETRÔNICOS VANTAGENS tecnologia madura; poucas partes móveis; alta resolução (40-50 melhoramento e correções l/mm) e grande área de geométricas na imagem são cobertura (230x230 mm); possíveis; DESVANTAGENS confiabilidade; vários acessórios já desenvolvidos: lentes, fmc, estabilização; processamento fotográfico; necessidade de digitalização posterior automação do processo; não há marcas fiduciais (estado sólido) tecnologia emergente; alta frequência de coleta de imagens; volume dos dados (437 mb para uma imagem 23x23 cm); transferência dos dados 2009 120

A captura das imagens em Aerofotogrametria atualmente é feita tanto com câmaras analógicas (com filmes depois digitalizados em scanners fotogramétricos) quanto por câmaras digitais. Na tabela 4.3 apresenta-se um quadro comparativo das vantagens e desvantagens das câmaras convencionais em relação aos sensores eletrônicos. No mercado de câmaras domésticas, a tecnologia digital já é amplamente aceita e disseminada. Para aplicações em mapeamento, entretanto, há uma demanda por sensores de alta resolução e com grande área de cobertura, o que significa dispositivos CCDs com grande número de sensores. Somente recentemente foram introduzidos sensores deste tipo que podem competir em custos com os aerolevantamentos com câmaras convencionais. Figura 4.33 CCD matricial de área grande. Por outro lado, o advento dos novos satélites imageadores, com elementos de resolução iguais ou menores que 1m, não deverá afetar os processos de produção de cartas em escalas grandes, que continuarão a serem feitas por aerofotogrametria, por várias razões: não é possível alterar a altitude e a freqüência temporal dos sensores orbitais, ao passo que as plataformas aéreas podem coletar a imagens a baixa altitude, permitindo o mapeamento em escalas grandes; mesmo com elementos de resolução de 1m ou menores, fornecidas pelos satélites de última geração, só é possível identificar objetos isolados com 3*GSD, o que inviabiliza muitas das aplicações em escalas grandes. 2009 121

O ideal para o aerolevantamento seria o desenvolvimento de um CCD matricial com tamanho e resolução espacial equivalentes ao filme analógico. Com a tecnologia atual já é possível construir CCDs com resolução de 7.000x7.000 ou pouco mais (Figuras4.33 e 4.34). Sistemas digitais de alta definição (ou resolução) são sistemas que possuem um grande número de elementos sensores (pixels) no plano focal. Em função do grande número de elementos sensores os sistemas desta natureza devem apresentar um desempenho elevado de modo que o tempo de aquisição e armazenamento seja rápido o suficiente para as aplicações em mapeamento. Figura 4.34 Sensor de alta resolução da Lockheed Martin. Um destes sistemas é o LMFS F-979F, da Lockheed Martin, com um CCD de 9.2K x 9.2K pixels (fig. 4.34). Este sistema é composto por uma câmara CCD matricial de 9216 x 9216 elementos sensores (84.934.656 pixels) no plano focal. Apesar de ter mais de 84 milhões de pixels no plano focal ela opera a uma taxa maior que 2 quadros/segundo. Esta relação n o. quadros/unidade de tempo, varia de acordo com o modo de operação. Dentre os modos de operação tem-se o agrupamento de pixels 2x2 e 4x4 que faz com que esta taxa aumente para, por exemplo, 3.7 quadros/segundo no modo de agrupamento 2x2. A superfície ativa tem uma forma quadrada de diagonal igual a 4.5", que corresponde a um quadro de aproximadamente 80.6 x 80.6 mm. Os pixels são quadrados de dimensão 8.75 x 8.75 μm, permitindo o seu uso para fins cartográficos (MATHEWS, 1998). Vários sistemas de lentes podem ser utilizados neste sensor, podendo-se considerar distâncias focais de 1" (25.4mm), 3" (76.2 mm) e 12" (304.8 mm), que correspondem, respectivamente, aos ângulos de abertura aproximados de 115 o, 56 o e 15 o. Para se ter uma idéia da resolução deste sistema, o tamanho do pixel no terreno, considerando imagens tomadas a 2009 122

3000 m e considerando a distância focal igual a 304.8 mm, é da ordem de 9 cm. Uma característica interessante deste sistema é a compensação do movimento de arrastamento durante a aquisição da imagem por meio eletrônico, técnica esta denominada On-Chip IMC (Image Motion Compensation). Já se encontram câmaras de quadro com resoluções de 60 megapixels, como a Hasselblad e câmaras métricas que utilizam sensores com a mesma tecnologia. Outras soluções para aumentar a área de cobertura dos sensores digitais são: os sensores trilineares, compostos de conjuntos de sensores CCD de arranjo linear; a combinação de múltiplas câmaras matriciais. 4.4.1 SCANNER TRILINEAR O scanner trilinear é um sistema baseado no uso de três sensores lineares simultaneamente. Cada um destes sensores imageia uma faixa do terreno, sendo uma faixa na direção nadir, uma para frente e outra para trás. t i t i+1 t i+2 a) b) Figura 4.35. Princípio da aquisição de imagens pelo sensor trilinear. (a) três faixas são adquiridas simultaneamente nas direções (vante, nadir e ré); (b) é mostrada uma faixa única que é imageada em três instantes diferentes (t i, t i+1 e t i+2 ). Com o deslocamento da aeronave e a aquisição contínua, cada porção da superficie é imageada três vezes, o que é importante em termos de recuperação da posição tri-dimensional. A figura 4.35 ilustra o princípio do scanner trilinear. Para cada instante em que as três faixas são adquiridas, a atitude e posição da aeronave são mantidas. No entanto ao se agrupar as faixas 2009 123

imageadas em cada uma das direções pode-se observar deslocamentos em função da mudança de atitude e posição da aeronave. Em função desta instabilidade normalmente se utilizam sensores inerciais (INS - Inertical Navigation Systems) e receptores GPS para estimativa destas orientações e posições, o que facilita o processo de determinação da posição 3D dos pontos do espaço objeto. A figura 4.36 mostra o exemplo de duas imagens obtidas por um sensor desta natureza. Em (a) é mostrada a imagem formada pela junção das faixas adquiridas com o sensor direcionado avante e em (b) com o sensor direcionado para o nadir. Como pode-se ver, os objetos são deformados em função da mudança de atitude de faixa para faixa. a) b) Figura 4.36: Imagens adquiridas com o sensor trilinear. A figura (a) mostra a imagem formada ao agrupar as linhas do canal direcionado para a frente (forward channel) e a figura (b) a imagem obtida pelo canal direcionado para o nadir. (Adaptado de (HAALA et al., 1998) Se os parâmetros de orientação forem conhecidos para cada faixa as imagem podem ser retificadas, eliminando o efeito mostrando na figura 4.36. Na figura 4.37 são apresentandas as imagens da figura 4.36 após a retificação. 2009 124

a) b) Figura 4.37: A imagem (a) é a imagem do canal direcionado a vante e a imagem (b) é a imagem direcionada para o nadir após o processo de retificação. (Adaptado de (HAALA et al., 1998) Uma outra característica interessante deste sistema é a possibilidade de modificar o ângulo entre a direção nadir e as duas outras direções. Isto permite fazer a triangulação em diferentes geometrias, podendo-se escolher ângulos de interseção (ângulos estéreo) diferentes em função da aplicação e da topografia da área a ser mapeada. A Fig. 4.38 ilustra esta idéia mostrando a interseção em duas situações diferentes. t i t i+1 t i+2 t i t i+1 t i+2 αα α` α` Figura 4.38: Esquema mostrando uma mesma área imageada em três instantes diferentes e por diferentes "ângulos estéreo" α, que pode ser modificado em função da topografia da área mapeada e da aplicação. A Câmara trilinear ADS da LH-Systems - DLR Recentemente foi lançada a câmara trilinear da empresa LH- Systems, que possibilita a mesma resolução de uma câmara aérea 2009 125

convencional, mas com a vantagem de coletar também imagens multiespetrais, por meio de 3 CCDs lineares instalados junto ao CCD linear nadiral. O modelo comercial da câmara foi lançado em julho de 2.000, no Congresso da ISPRS em Amsterdan, e possui as seguintes características. 3 CCDs pancromáticos com 24.000 pixels e mais quatro CCD s lineares que capturam informação multi-espectral; módulo INS/GPS integrado; Berço giro-estabilizado; dados pancromáticos em 12 bits (4096 níveis); variando-se a altura de vôo pode-se obter elementos de resolução (pixel) desde 15 cm até 1m ; Figura 4.39 Câmara trilinear ADS da LH-Systems Embora esta câmara permita alta resolução e a aquisição de dados multiespectrais registrados, sua configuração geométrica requer software específico e não há uma imagem em perspectiva central. A precursora deste modelo de câmara foi a HRSC (High Resolution Stereo Camera) desenvolvida pelo DLR alemão (Figura 4.40). O modelo aerotransportado desta câmara tem sido usado extensivamente em mapeamento de áreas urbanas em vários países. A resolução desta câmara é um pouco menor que a da câmara ADS, mas há um conjunto maior de sensores pancromáticos (figura 4.41), que permitem o uso de algoritmos especiais para o estereomatching e para a geração de modelos digitais de terreno e ortoimagens. 2009 126

Figura 4.40 O sensor HRSC-A. Estereo a ré, pancromático Infravermelho Sensor fotométrico de ré, pancromático Verde Nadir, pancromático Azul Sensor fotométrico de vante, pancromático Vermelho Estereo a vante, pancromático Figura 4.41 Configuração dos sensores lineares da câmara HRSC-A Para evitar a abordagem trilinear algumas empresas recorrem a um arranjo matricial de vários sensores, como é o caso da Z/I (Zeiss-Intergraph). 2009 127

O sensor da Z/I imaging A Z/I, para contornar o problema do número de sensores e atingir a resolução necessária para Aerofotogrametria, ao invés de usar sensores lineares, recorreu ao arranjo matricial de vários sensores. Na figura 4.42 mostra-se a concepção de uma câmara deste tipo, com quatro sensores, chamada de DMC (Digital Modular Camera). São coletadas simultaneamente 4 imagens inclinadas, que são retificadas e mosaicadas automaticamente, formando uma única imagem em projeção perspectiva central, com um centro perspectivo virtual. (a) (b) (c) (d) Figura 4.42 A câmara DMC, com arranjo de quatro sensores da Z/I. (a) e (b) mostram o sensor e sua configuração de câmaras; (c) e (d) mostram o mosaico formado pelas quatro imagens digitais. Ultracam Vexcel A Ultracam (Figura 4.43) contém 13 sensores CCD matriciais distribuídos em oito cones óticos de modo a obter um mosaico de imagem digital da cena completa. 2009 128

(a) (b) (c) (d) Figura 4.43 (a) Câmara Ultracam (b) Ilustração do imageamento Syntopic, no qual cada cone é acionado na mesma posição espacial que o anterior, por meio de um pequeno atraso (b) e (c) Iustração dos cones pancromáticos e multiespectrais (VEXCEL, 2006). A Ultracam produz uma imagem pancromática de grande formato por meio de 4 cones óticos separados, de modo a cobrir inteiramente o campo de visada. O cone principal tem 4 CCDs matriciais em cada canto do seu campo de visada. Neste cone principal, os 4 CCDs são montados rigidamente e calibrados simultaneamente para definir o referencial fotogramétrico da imagem. Os outros 3 cones produzem 5 sub-imagens adicionais com 1 ou 2 CCDs por cena. Estas 5 sub-imagens cobrem as lacunas entre os 4 CCDs do cone principal, e são mosaicadas com a imagem principal (Figura 4.44). Mais 4 cones óticos adicionais coletam imagens nos canais R, G, B e NIR (infravermelho próximo). 2009 129

(a) (b) (c) (d) (e) Figura 4.44 (a) Tomada da imagem 1 (Instante: t0); (b) Tomada da imagem 2 (Instante: t1); (c) Tomada da imagem 3, cone principal (Instante: t2); (d) Tomada da imagem 4 (Instante: t3) (e) Imagem final resultante da mosaicagem das anteriores Dos 8 cones, 4 são usados para montar as imagens espectrais, RGB e NIR com dimensões de 4.008 2.672 pixels, e os outros 4 permitem gerar uma imagem pancromática com dimensões de 11.500 7.500 pixels. As imagens pancromáticas são fundidas às multiespectrais gerando imagens multiespectrais com a mesma resolução que as pancromáticas. A UltraCam também se utiliza da tecnologia TDI (Time Delayed Integration) para realizar o FMC ( Forward motion compensation) e minimizar o arrastamento provocado pelo deslocamento da aeronave. A Tabela 4.4 mostra algumas especificações da UltraCam. 2009 130

Tabela 4.4. Especificações técnicas básicas da ULTRACAM D. Pancromática: resolução distância focal abertura das lentes Ângulo de abertura 11.500 7.500 pixels 100 mm (com as alternativas 75 e 125 mm) f =1/5.6 55 37 Multiespectral: Canais 4 (RGB e NIR) resolução 4.008 2.672 pixels distância focal 28 mm abertura das lentes f =1/4.0 Ângulo de abertura 65 46 Taxa de aquisição dos frames 0,75s/imagem (mínimo) Resolução radiométrica 14 bits Tamanho do pixel 9 9 µm Controlado por TDI com capacidade FMC máxima para 50 pixels A abordagem matricial tem algumas vantagens em relação à solução trilinear; geometria da imagem é definida e rígida; eliminação do borramento por arrastamento com a tecnologia TDI (Time Delay Integration); geometria convencional, em perspectiva central; uso imediato nas estações fotogramétricas existentes; formato quadrado; Apesar dos custos altos destas câmaras de alta resolução, em comparação com as convencionais, é certo que os preços serão reduzidos com o tempo e elas substituirão o processo analógico na próxima década. 2009 131

4.5 Sensores ativos Além das tecnologias de imageamento digital passivo, com luz visível, apareceram na última década, sistemas ativos com possibilidades de aplicação em mapeamento, competindo com a Aerofotogrametria convencional: são os sensores de varredura a laser e o radar interferométrico. Sensor de varredura a laser aerotransportado - LIDAR A sigla LIDAR é resultado da composição das palavras LIght Detection And Ranging Os sensores a laser medem a distância entre o sensor o objeto e, através de varredura dinâmica, conseguem determinar centenas de pontos por segundo, com alta precisão. Este tipo de dispositivo é muito útil na geração de Modelos Digitais do Terreno (MDT) com alta confiabilidade e tem sido usado em projetos de engenharia e para gerar MDTs nacionais com alto grau de homogeneidade. Este tipo de equipamento tem origem nos primeiros sistemas para perfilagem aerotransportada. Com o melhoramento da tecnologia laser e o advento do GPS e dos sistemas inerciais, foi possível o desenvolvimento do Lidar com as características atuais. Os componentes fundamentais deste sistema são (figura 4.43): laser; mecanismo de varredura; ótica de projeção; ótica do receptor; GPS; Sistema inercial Os lasers para aplicações topográficas operam na região do infravermelho com comprimentos de onda em torno de 1064nm a 1540nm. As distâncias são medidas enviando pulsos de luz com duração de 10ns, gravando-se o tempo necessário para o retorno de cada pulso. A freqüência dos pulsos varia desde centenas de pulsos por segundo até 10.000 pulsos por segundo. Uma freqüência mais alta permite uma maior cobertura, maior velocidade da aeronave ou uma maior densidade de pontos. Como um pulso pode ter múltiplos retornos, como a reflexão parcial pelas folhagens, é necessário fazer uma análise posterior para identificar qual o pulso de interesse, o que depende da aplicação. Alguns sistemas registram também a intensidade do pulso refletido que pode ser usada para gerar uma imagem de intensidade. 2009 132

Espelho de varredura Detector Laser Ótica para recepção Figura 4.43 Componentes básicos de um sistema de varredura a laser. Figura 4.44 Elementos medidos no sistema de varredura a laser. A seqüência de processamento para o cálculo de um Modelo Digital de Terreno a partir da varredura a laser é aproximadamente a seguinte: 1. Cálculo da posição de cada pulso de retorno. Sabendo-se a posição da aeronave (GPS), a direção do vetor (Inercial + varredura) e a distância, é possível calcular a posição do ponto; 2. Análise de múltiplas respostas para eliminar a vegetação; 2009 133

3. Interpolação de áreas sombreadas; 4. Interpolação de grid regular. Existem várias aplicações do método de varredura a laser, além da geração de modelos digitais de terreno, por exemplo: determinação da estrutura das edificações; planejamento urbano, incluindo a visualização 3D de novas construções no ambiente existente; telecomunicações; simulações de fluxo dos ventos, propagação de ruídos e poluição; simulações de linhas e superfícies de inundação; mapeamento; monitoramento de florestas; Figura 4.45 Modelo realista de uma área urbana gerado a partir de varredura a laser Na figura 4.45 pode ser visto um modelo tridimensional realista, gerado a partir de um Modelo de Terreno obtido por varredura a laser. 2009 134