Aula - Variação de Escala e GSD

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Variação de Escala e GSD
Prof. Me. Rafael A. de Castro 
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Drones e regulamentação
De acordo com a ANAC (2017), o termo “drone” é usado popularmente para descrever qualquer aeronave com alto grau de automatismo, o que inclui: Aeromodelos, RPA ou Aeronaves Não Tripuladas
Drones e regulamentação
Autônomas;
Pelo regulamento da ANAC:
Aeromodelos e RPA são aeronaves não tripuladas utilizadas, respectivamente, para lazer e fins corporativos/comerciais;
Aeronaves Não Tripuladas Autônomas são operadas sem a interferência do piloto e sua utilização continua proibida no Brasil.
As RPA estão divididas em três classes, conforme o peso máximo de decolagem, que deve incluir os pesos do equipamento, bateria, combustível, carga transportada, etc.
Drones e regulamentação
Drones e regulamentação
Fonte: ANAC (2017)
Operação BVLOS – Operação na qual o piloto não consegue manter a RPA dentro de seu alcance visual, mesmo com a ajuda de um observador.
Operação VLOS – Operação na qual o piloto mantém o contato visual direto com a RPA (sem auxílio de lentes ou outros equipamentos).
Operação EVLOS – Operação na qual o piloto remoto só é capaz de manter contato visual direto com a RPA com auxílio de lentes ou de outros equipamentos e de observadores de RPA.
Plano de voo
A primeira e mais importante decisão a ser tomada na etapa do plano de voo é sobre quais produtos serão gerados, suas escalas e acurácias (WOLF e DEWITT, 2000);
Neste	sentido,	a	escala	fotográfica	média,	principal	elemento	do plano de voo, deve ser adotada;
Etapa de Planejamento
Perturbações no voo
Diferença de escala
Distorções
E = f / (h-t)
E= f / H	=>
H = E / f
Etapa de Planejamento
Uma vez que E tenha sido definida ...
Cálculo da altura de voo (H)
Definindo a escala da Foto (Exercício )
Tenho uma fotografia aérea tomada a uma altura de 3825 metros. A camera utiliza uma objetiva grande angular de 153mm.
Escala = distância focal (f)	
Altura do voo (H)
153mm
3825000mm
25000
1
=
=
Um avião que está voando a uma altitude de 7565m para realizar o recobrimento aerofotogramétrico de um determinado território. Este avião está equipado com uma câmera	com distancia focal de 210mm. A cota média do terreno é de 740m. Qual a escala aérea resultante deste voo?
Definindo a Escala da Foto (Exercício 2 )
Definindo a Escala da Foto (Exercício 2
- Resolução)
Altitude = 7565m Objetiva normal = 210mm Cota do Terreno = 740m
Altura (H) = 7565-740=6825m
E = 210/6825000=1/32500
GSD – O GSD (Ground Sampling Distance) é a distância entre os centros de dois pixels consecutivos medidos no solo. Quanto menor o GSD, maior é a resolução espacial e maior é a qualidade de imagem, ou seja, haverá mais detalhes visíveis na imagem. 
Por exemplo, um GSD de 5 cm significa que um pixel representa 5cm no chão (25cm²). Mesmo em um voo com altitude constante, o projeto talvez apresente áreas com GSD diferentes, isso devido ao relevo do terreno mapeado e pequenas variações no ângulo de captura de imagem da câmera. Porém os softwares de processamento de dados compensam essas variantes e aplica um GSD médio de todo o mapeamento. O GSD está diretamente ligado à resolução da câmera utilizada e também altura do voo.
No primeiro momento você deve definir qual a resolução que o seu voo terá, para isto, é necessário que você converse com o seu cliente e analise o problema dele e defina qual GSD será necessário utilizar, geralmente é utilizado 5 ou 10 cm.
Nesse exemplo irei utilizar a seguintes configurações para realizar o planejamento de voo:
Tamanho do pixel: 0,0043 mm è 0,0000043
Distância Focal: 18 mm è 0,018 m
GSD: 10 cm è 0,10 m
Altura de voo: ?
H
Repare na imagem que a disposição dessas variáveis formam dois triângulos, onde podemos aplicar a regra da geometria de “semelhança de triângulo”, no qual podemos relacionar os lados dos mesmos.
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Portanto, para garantir os 10 cm de GSD com a uma lente de 18 mm é necessário sobrevoar a 418 m e é necessário arredondar esse valor para 400 m.
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Ev = Escala de 
Hv = Altura de Vôo
f = Distância Focal
H = Altitude de Vôo 
Hm = Altitude média do terreno da área levantada
l = Comprimento medido na foto
L = Comprimento real em campo 
s = Área gráfica
S = Área Real 
A distância de uma determinada estrada foi mensura em uma foto aérea obtendo-se o valor de 56 mm. A Câmera fotográfica possui uma distancia focal de 123 mm. O vôo para a captura desta foto vertical foi realizado a uma Altitude de 1500m. A altitude média para o terreno equivale a 526,75 metros. Qual a distância da estrada no terreno, ou seja, a sua distância real?
 
 
Etapa de Planejamento
Posicionamento Relativo
RTK convencional/DGPS
RTK em Rede
Fonte: BRASIL (2013)
O conceito de posicionamento pelo RTK e DGPS baseia-se na transmissão instantânea de dados de correções dos sinais de satélites, de um ou mais receptores instalados nos vértices de referência ao receptor que percorre os vértices de interesse (posicionamento preciso em tempor real)
O DGPS tem fundamento análogo ao RTK, porém a observável usada é a pseudodistância a partir do código C/A
Planejamento dos pontos de apoio/checagem
O QUE SÃO?
São pontos foto identificáveis, ou seja, são objetos, alvos, detalhes no terreno e que irão aparecer nas imagens aéreas, são utilizados para fazer a relação entre o sistema de coordenadas da imagem com o sistema de coordenadas do terreno, basicamente são pontos de referência no solo que são utilizados no processamento das imagens aumentando assim a qualidade dos produtos finais gerados.
Na “Fotogrametria clássica” (com aviões tripulados) os pontos de controle tinham uma enorme importância no processamento dos dados, pois os softwares disponíveis não eram capazes de processar as imagens sem uma referência em solo, hoje em dia com o avanço da visão computacional os algoritmos dos softwares mudaram e os pontos de controle já não são mais um pré-requisito para o pós-processamento dos dados, porém a sua utilização influencia diretamente na qualidade dos produtos gerados.
Os pontos de apoio podem ser divididos em dois tipos: os pontos de controle e pontos de verificação.
PONTOS DE CONTROLE
PONTOS DE VERIFICAÇÃO
A função dos pontos de controle é servir de referência para “amarrar” o bloco fotogramétrico ao terreno, em um processo estatístico nós temos os parâmetros de entrada, após o ajustamento das observações, temos os parâmetros de saída, no mapeamento aéreo com drones, os parâmetros iniciais ou de entrada são as informações do GPS embarcado e da IMU (Sistema Inercial), a maioria das aeronaves utiliza um receptor GNSS de navegação no qual apresenta um erro posicional em média de 5 a 10 metros.
Quando utilizamos pontos de controle em solo coletados por um receptor geodésico no processo estatístico, estamos adicionando pontos com precisão milimétrica ou centimétrica, com isso os parâmetros iniciais são corrigidos e os parâmetros finais são ajustados, em resumo as coordenadas que antes tinha uma precisão métrica, após o processo terão uma precisão centimétrica.
Em resumo, ao utilizar pontos de controle você está inserindo dados com maior qualidade no processo estatístico que irão corrigir os dados de entrada resultando em dados de saída com maior qualidade.
Os pontos de verificação são coletados através do mesmo processo dos pontos de controle, a diferença é na aerotriangulação (processamento estatístico), onde os pontos de verificação não são utilizados, a sua utilização como o próprio nome sugere é verificar (atestar) a acurácia (qualidade posicional) dos produtos cartográficos gerados.
Essa verificação funciona da seguinte maneira, você coletou um ponto no terreno com um receptor geodésico, no processamento você mensurou este mesmo ponto na imagem, os pontos de verificação calcula a discrepância entre estes dois pontos (terreno e imagem), essa discrepância é conhecida como RMS (Erro Médio Quadrático) e elaatesta a qualidade posicional dos seus produtos.
Não há como atestar a qualidade dos produtos gerados através do mapeamento aéreo sem utilizar pontos de verificação em solo.
Outro cenário é no caso de áreas rurais, estes terrenos geralmente são homogêneos não apresentando detalhes para serem utilizados como alvos, neste caso são utilizados alvos artificiais que são implantados no terreno e que aparecem nas imagens, este tipo de levantamento é chamado de Voo Pré-sinalizado, geralmente os alvos são espalhados pelo terreno e logo em seguida é feito o voo, já a coleta dos pontos de controle são executados após o voo, nada impede que estes sejam coletados antes, mas é importante garantir que os mesmos estarão no mesmo local na hora do aerolevantamento.
ALVOS NATURAIS
Esse cenário é bem comum em projetos de mapeamento aéreo de zonas urbanas, como neste tipo de projeto há um grande nível de detalhes em solo é possível utilizar estes detalhes que também estarão visíveis na imagem como ponto de controle, por exemplo, pode-se utilizar o canto de uma faixa de pedestre, o canto de uma esquina, intersecções visíveis, neste caso o projeto ganha uma velocidade maior em sua execução, já que é possível iniciar a coleta dos pontos de controle com grande antecedência ao voo ou após a execução do voo, já que estes alvos naturais não serão removidos do solo.
ALVOS ARTIFICIAIS
TIPOS DE RECEPTORES
Os tipos de receptores que temos são: navegação, geodésico e geodésico com RTK. Os receptores de navegação permitem somente fazer o PPS e normalmente conseguem atingir uma acurácia de 5 a 10 metros nas coordenadas.
Os receptores geodésicos podem ter diversas configurações, como por exemplo, coletar dados das constelações GPS, Glonass e outros, ser de simples ou dupla frequência (L1 e L2 no caso do GPS). E os receptores geodésicos com RTK podem ter essas configurações além das antenas de rádio para a comunicação em tempo real.
A acurácia obtida com esses receptores varia de acordo com o método de posicionamento, utilizando o método relativo e usando como referência uma base da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) é possível alcançar uma acurácia milimétrica dos pontos coletados, independente de ser com ou sem RTK. A diferença é que com o sistema RTK o tempo de coleta de cada ponto é menor.
GPS | NAVEGAÇÃO
GPS | GEODÉSICO
GPS | GEODÉSICO + RTK
TIPOS DE COLETA
Na geodésia, ciência que aborda o posicionamento via GNSS, temos diversos métodos de posicionamento com diversas características distintas, mas abordaremos neste e-book somente as mais comuns no mercado e mais interessantes ao mapeamento aéreo com drones.
PÓS-PROCESSADO
O método de coleta pós processado é feito utilizando uma estação ou um ponto de referência com coordenadas conhecidas. O conceito correto seria posicionamento relativo, utilizando receptores geodésicos, sendo que um receptor serve como base e fica fixo em um ponto coletando durante todo o período de coleta dos pontos. Para coletar os outros pontos utiliza-se outro receptor (rover) que ocupará os pontos. Após a coleta, utiliza-se um software para processar esses dados e distribuir as correções encontradas na base para os pontos coletados.
RTK
O método RTK é semelhante ao método pós processado. A grande diferença é que os receptores possuem uma antena de rádio mantendo uma conexão em tempo real da base ao outro receptor, comumente denominado de Rover, que permite a transmissão das correções da base ao Rover, obtendo assim as coordenadas corrigidas dos pontos em poucos minutos e em tempo real, neste método não há a necessidade de
pós-processar os pontos.
PPS
O método PPS, posicionamento por ponto simples é o mais básico possível, onde utiliza-se somente um receptor, sem nenhuma base de referência e as coordenadas são determinadas somente pelas informações coletadas dos satélites, sem nenhuma outra correção.
PPP
O método PPP, posicionamento por ponto preciso é um sistema simples de processamento online disponível pelo IBGE onde a coleta pode ser feita utilizando somente um receptor geodésico em campo sem nenhuma base de referência, neste método é que não há a necessidade de esperar os dados de bases da RBMC, por exemplo. A diferença desse método com o método PPS é que o ponto recebe algumas correções como correções das ionosfera, troposfera, erro de sincronização dos relógios (satélite e receptor), etc, além das efemérides dos satélites melhorando a acurácia.
DISTRIBUIÇÃO
É importante entender que os pontos de apoio não podem ser coletados em locais aleatórios em campo, sem critério algum, isso pode piorar os resultados no processamento ao invés de melhorá-los.
Não existe uma “receita de bolo” se tratando de distribuição dos pontos de apoio em campo, como quantos pontos devemos colocar em um hectare mapeado, pois, o planejamento dos pontos deve ser realizado de acordo com as características do terreno e do planejamento do voo.
O Google Earth é um ótimo software para realizar o planejamento em escritório já que na maioria das vezes não é possível visitar a área a ser mapeada e também percorrer grandes extensões para o reconhecimento.
Abaixo será mostrado 5 critérios importantes na distribuição dos pontos em campo para garantir melhores resultados quanto a acurácia posicional dos produtos que serão gerados no processamento fotogramétrico.
A precisão nas extremidades do bloco fotogramétrico tende a ser menor que na área central, devido à baixa sobreposição das imagens
COLOCAR PONTOS NA EXTREMIDADES DA ÁREA MAPEADA
1
DISTRIBUIÇÃO
COLOCAR PONTOS EM LOCAIS ONDE HÁ GRANDES VARIAÇÕES DE ALTITUDE NO TERRENO
COLOCAR PONTOS NAS SOBREPOSIÇÕES ENTRE OS VOOS, EM CASO DE MÚLTIPLOS VOOS
2
3
Para melhorar a precisão altimétrica, pois se tratando de mapeamento aerofotogramétrico a precisão planimétrica tende a ser maior que a altimétrica.
Isso facilita a junção dos blocos fotogramétricos em casos de processamentos em grupos.
DISTRIBUIÇÃO
DISTRIBUIR OS PONTOS DE FORMA HOMOGÊNEA EM TODA ÁREA MAPEADA
4
5	DISTRIBUIR PONTOS DE VERIFICAÇÃO
A fim de aumentar a quantidade de imagens apoiada e melhorar a orientação exterior do bloco fotogramétrico e determinação dos parâmetros da calibração da câmera.
É necessário distribuir os pontos em toda área mapeada para avaliação da acurácia do processo de aerotriangulação .
P (X,Y,Z)
 	
P (C,L)
CP (X,Y,Z)
Plano imagem
Plano Aeronave
Plano Terreno
5 m
5 cm
 5 m
5 cm
5 cm
5 m
SEM PONTOS DE CONTROLE
 	
COM PONTOS DE CONTROLE
5 cm 	
A imagem abaixo é a continuação da imagem anterior, quando dizemos que um produto tem uma acurácia de 5 metros, um determinado ponto na imagem, no terreno pode estar em qualquer lugar dentro de um raio de 5 metros, portanto, o objetivo de um mapeamento aéreo de qualidade é diminuir esse raio, quanto menor, mais preciso, quando utilizamos pontos de apoio aumentamos a precisão da definição dos parâmetros de orientação interior da câmera e consequentemente aumentamos a precisão dos parâmetros de orientação exterior (P.O.E), com isso temos produtos mais precisos, quando utilizamos pontos de verificação também temos produtos mais acurados, em resumo melhoramos a qualidade posicional.
PONTOS DE APOIO
ACURÁCIA E PRECISÃO
Figura 2 – Tiro ao alvo para ilustrar acurácia e precisão – com e sem tendência.
Analisando a primeira imagem, a média dos resultados do atirador A coincide exatamente com o centro do alvo, assim como o atirador B, porém, o atirador B possui menor dispersão (melhor precisão) que o atirador A. Logo, o atirador B é mais preciso que o atirador A, e também mais acurado, embora ambos tenham tendência nula.
Na segunda imagem temos dois atiradores, um sem tendência (atirador
C) e outro com tendência (atirador D), ambos apresentam nível de precisão semelhante, porém, o atirador C é mais acurado que o atirador D porque como já citado a acurácia levaem consideração os efeitos sistemáticos e aleatórios e, deste modo, a tendência do atirador D deteriora a qualidade dos seus resultados.
A acurácia e precisão são dois termos muito populares na cartografia que geram muitas dúvidas e confusões entre os usuários.
A acurácia envolve tanto os efeitos sistemáticos quanto aleatórios e a precisão envolve apenas os efeitos aleatórios. Se acurácia envolve ambos os efeitos (sistemático e aleatório) e precisão somente os aleatórios, o termo acurácia por si só envolve a medida de precisão. Ou seja, para um conjunto de medidas que não apresentam erros sistemáticos, os valores de acurácia e precisão se confundem.
Essa comparação mesmo esclarecida parece um pouco confusa, portanto, vamos utilizar duas ilustrações visuais como exemplo para ficar mais claro. É muito comum a utilização de tiros ao alvo para apresentar o conceito de acurácia e precisão. Observe os atiradores A, B, C e D nas duas imagens a seguir:
Figura 1 – Tiro ao alvo para ilustrar acurácia e precisão – sem tendência.
O mercado de Drones
Segundo pesquisa da PWC de 2016, o mercado global pode ultrapassar os 127 bilhões de dólares.
Áreas de maior interesse comercial:
Infraestrutura (US$ 45,2 bi),
Agricultura (US$ 32,4 bi),
Transportes (US$ 13 bi),
Segurança (US$ 10,5 bi),
Entretenimento (US$ 8,8 bi),
Seguros (US$ 6,8 bi),
Telecomunicações (US$ 6,3 bi),
Mineração (US$ 4,3 bi).
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Nomenclaturas
Drone = VANT = Aeromodelo = ARP
?
Principais diferenças
Multirotor
Asa Fixa
O que embarcar?
Câmeras e sensores termais Utilizados em inspeções de redes elétricas, identificação de infiltrações, monitoramentos de segurança e etc.
Sensores multiespectrais
Utilizado na agricultura de precisão. Pode identificar diversos problemas como pragas, falhas hídrica, deficiência nutritiva e outros.
Câmeras RGB
Câmeras convencionais coloridas, usadas nos mais diversos tipos de missão, desde simples foto e filmagem a inspeções de estruturas em áreas urbanas.
Sensores Lidar
Utilizados em mapeamentos e reengenharia de estruturas como prédios, pontes, represas e outros.
Sensores de Gás Utilizados para medição da qualidade do ar, detecção de vazamentos em gasodutos e etc.
Vantagens na utilização
Redução do Tempo de operação
Redução de Custo
Minimização de Riscos
Facilidade em Locais de Difícil Acesso
Precisão de Localidade (GPS)
Aproximação Maior (versus Helicóptero)
Menor necessidade de planejamento
Economia com equipamentos de segurança do trabalho
Demais aplicações Inspeção
Inspeções de painéis solares, Instalações Internas e Aeronaves.
Inspeções de chaminés, labaredas, Torres e Caixas d’água.
Drones de Asa Fixa
Maior área mapeada: As aeronaves com asa fixa podem cobrir maiores áreas do que os drones multirotores em um único ciclo de bateria. Isso os torna ideais para o mapeamento de áreas muito grandes ou lineares.
Maior estabilidade: O projeto de aeronaves de asa fixa proporciona maior estabilidade em ventos fortes quando comparados às aeronaves de asa rotativa. Oferecendo uma alternativa para voar em regiões onde ventos mais fortes são esperados ou frequentes.
Maior custo: Atualmente no mercado, as aeronaves de asa fixa tendem a custar mais, quando comparadas aos multirotores.
Dificuldades na pilotagem: Aeronaves de asa fixa são mais difíceis de pilotar, tanto para humanos quanto para pilotos automáticos.
Menos compacta: A vantagem da maior autonomia das aeronaves de asa fixa vem diretamente de sua área de superfície e envergadura, o que significa que elas são mais difíceis de serem guardadas e geralmente requerem tempo de montagem maior antes dos voos.