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1 SENSORIAMENTO REMOTO E VANTS 2 NOSSA HISTÓRIA A nossa história inicia com a realização do sonho de um grupo de empresários, em atender à crescente demanda de alunos para cursos de Graduação e Pós- Graduação. Com isso foi criado a nossa instituição, como entidade oferecendo serviços educacionais em nível superior. A instituição tem por objetivo formar diplomados nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação contínua. Além de promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicação ou outras normas de comunicação. A nossa missão é oferecer qualidade em conhecimento e cultura de forma confiável e eficiente para que o aluno tenha oportunidade de construir uma base profissional e ética. Dessa forma, conquistando o espaço de uma das instituições modelo no país na oferta de cursos, primando sempre pela inovação tecnológica, excelência no atendimento e valor do serviço oferecido. 3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 4 2. CONCEITOS BÁSICOS DE SENSORIAMENTO REMOTO .................................................................... 6 3. CONCEITOS, CLASSES E REGULAMENTAÇÃO DE VANTS NO BRASIL ............................................. 11 3.1. DEFINIÇÃO E ORIGEM DOS VANTS ................................................................................................ 11 4. O PRIMEIRO VANT BRASILEIRO ..................................................................................................... 13 5. REGULAMENTAÇÃO NO BRASIL .................................................................................................... 14 6. BREVE HISTÓRICO DOS VANTS NO SENSORIAMENTO REMOTO .................................................. 16 7. MODELOS E SENSORES .................................................................................................................. 17 8. LIMITAÇÕES E VANTAGENS ........................................................................................................... 19 9. COMPONENTES DE UM VANT ....................................................................................................... 21 10. TIPOS DE VANT .............................................................................................................................. 23 11. MECANISMOS DE COLETA ............................................................................................................. 27 12. REFERÊNCIAS ................................................................................................................................. 32 4 1. INTRODUÇÃO Com relação ao uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs) para sensoriamento, muitas são as possibilidades discutidas por tantos autores – como, Longhitano (2006) Everaerts (2008), Eisenbeiss (2009), Moutinho (2015), Munaretto (2015). Dentre elas, Eisenbeiss (2009) cita cadastro de propriedades, agricultura de precisão, arqueologia e segurança.(colocar mais aplicações) Além das aplicações mencionadas, Cox, Somers e Fratello (2006) também listaram um número considerável de empregos como gestão de reservatórios, gestão de faixas, mapeamentos 3D globais contínuos, detecção de incêndios, missões táticas em fronteiras. No entanto, ainda existem dúvidas quanto aos reais ganhos com o uso dessa plataforma. Limitações com relação ao seu uso, que permeiam desde algumas questões técnicas até as legais, ainda podem ser encontradas. Em alguns países, como a pioneira Austrália e (mais recentemente) os Estados Unidos, já possuem uma legislação referente ao uso comercial de VANTs. Já no Brasil oficialmente até o momento só é permitido voos para fins experimentais de um tipo específico de VANT, as ARPs (Aeronaves Remotamente Pilotadas), no entanto desde 2015 existe um projeto de regulamentação para o uso profissional dessas plataformas aéreas de pilotagem remota, que já foi a consulta pública, mas que ainda não entrou em vigor. Quanto às limitações técnicas, é sabido que estas se dão principalmente em torno do tipo de modelo plataforma aérea usada e suas capacidades, e os tipos de sensores – que muitas vezes podem não parecer ideais para alguns levantamentos, principalmente os que podem requerer uma melhor qualidade posicional do produto desejado. Mesmo com essas aparentes barreiras, estudos como o de Eisenbeiss (2009), Watts et al (2010) e Silva (2013) apontam vantagens no uso desses veículos para Sensoriamento Remoto. Com isso, neste artigo pretende-se avaliar essa nova possibilidade de aquisição remota, a partir de uma revisão de literatura correlacionada e da análise posicional dos produtos gerados em um processamento de imagens obtidas por um VANT, no campus da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro (UTAD). 5 Em suma, procurou-se entender os reais ganhos (até o momento) com o uso destes instrumentos, de tal modo que se possa inspirar futuras pesquisas que busquem também outras aplicações e metodologias. 6 2. CONCEITOS BÁSICOS DE SENSORIAMENTO REMOTO O conceito de Sensoriamento remoto, “Sensor” de sentir, logo é um equipamento apto para localização de sinais e “Remoto” de longe e distante, com isso sensoriamento remoto é a obtenção de dados acerca de fenômenos ou objetos da superfície terrestre, fazendo uso de sensores, não havendo contato diretamente entre eles. No livro de Charles Elachi intitulado “Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing” (ELACHI, 1987) revela que sensoriamento remote nada mais é que “a aquisição de informações sobre um objeto sem que se entre em contato físico com ele” (BATISTA, 2003; NOVO, 2010). Para Novo (2010) sensoriamento remoto pode ser definido como sendo o uso conjunto de sensores, equipamentos de transmissão posicionados juntamente com aeronaves, espaçonaves e em outras plataformas, com a finalidade de compreender fenômenos, eventos e processos que acontecem na superfície do planeta Terra, desde o registro e análise das influências entre a radiação eletromagnética e as substâncias que o compõem em suas mais diversas manifestações. Por meio do sensoriamento remoto é possível alcançar informações atuais, equiparando-se as pesquisas de campo, contudo, existe a viabilidade de exibir áreas com mais agilidade. O distanciamento do sensor em relação à superfície da Terra varia e portanto sua distância é classificada em três níveis de altitude (Figura 1), o primeiro nível é o orbital sendo os sensores a bordo de satélites artificiais, o segundo nível é o aéreo compondo-se dos sensores a bordo de aeronaves e ou dos veículos aéreos não tripulados (VANTs) / drones e o terceiro nível se destaca o campo e laboratório utilizando-se dos sensores implantados em estruturas terrestres (FLORENZANO, 2002; LONGHITANO, 2010). 7 Figura 1: Ilustração dos distintos níveis de escala do Sensoriamento Remoto. Fonte: adaptada de Batista (2003). É chamado de radiação eletromagnética (REM) “ a energia que se move na velocidade da luz, seja de forma de ondas ou de partículas eletromagnéticas, que não necessita de um meio material para se propagar” (ROSA, 2007, p.18). O Sol é considerado um corpo essencial para a emissão dessa energia, sendo utilizado para o sensoriamento remoto óptico. A radiação emitida pelo sol após incidir na superfície terrestre poderá ser absorvida,refletida ou transmitida. No momento em que essa radiação é refletida ou transmitida, a mesma poderá ser detectada imediatamente através dos sensores, normalmente quando absorvida essa energia poderá ser emitida novamente em distintos comprimentos de onda e posteriormente sendo detectadas pelos sensores (BATISTA, 2003; NOVO, 2010). 8 3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Os tipos de dados de sensoriamento remoto a ser adquiridos dependem do tipo de informação necessária, do tamanho e da dinâmica dos objetos ou fenômenos estudados. Conforme já mencionado anteriormente, a aquisição de dados é viabilizada através de instrumentos denominados sensores que diferenciam-se entre si pela forma de funcionamento e por suas “capacidades” (resoluções espacial, espectral e radiométrica). A Figura 2 apresenta um esquema no qual são relacionados alguns tipos de sensores e o papel que têm na aquisição dos diferentes tipos de informação. Figura 2: Diferentes tipos de informações disponíveis em diferentes tipos de sensores (Adaptado de Elachi, 1987). Fonte: http://www.dpi.inpe.br/Miguel/AlunosPG/Jarvis/SR_DPI7.pdf Os dados de sensoriamento remoto podem ser adquiridos no formato de imagens bidimensionais quando são necessárias informações com alta resolução espacial, como é o caso da imagem TM/Landsat da Figura 3. Tais imagens também são importantes quando se deseja informação sinóptica sobre amplas áreas como aquelas fornecidas pelos satélites meteorológicos (Figura 4). As imagens bidimensionais podem ser adquiridas em diferentes regiões do espectro eletromagnético, tais como a região visível, termal, micro-ondas, etc.; com canais de diferentes resoluções espectrais que vão de poucos nanômetros, como é o http://www.dpi.inpe.br/Miguel/AlunosPG/Jarvis/SR_DPI7.pdf 9 caso dos sensores hiperespectrais, até sistemas pancromáticos que integram radiação em todo o espectro visível. Os Espectrômetros são utilizados para detectar e medir o conteúdo espectral de um campo eletromagnético. Este tipo de informação é importante para a identificação da composição química dos objetos. Quando se estuda a atmosfera, os aspectos espaciais são menos críticos do que quando se estuda a superfície terrestre, porquê o gradiente de mudança da composição química é muito menor. Assim sendo, os sensores para o estudo da composição química da atmosfera não precisam ter resolução espacial elevada, mas precisam de excelente resolução espectral. No caso de estudos da superfície terrestre, quando há o interesse de conhecer a composição química das rochas, por exemplo, torna-se essencial uma boa resolução espacial, e neste caso, recomenda-se a aplicação de espectrômetros imageadores. Figura 3: Imagem bidimensional do terreno exemplificada por um subcena de uma imagem do sensor Thematic Mapper a bordo do satélite Landsat-5 Fonte: http://www.dpi.inpe.br/Miguel/AlunosPG/Jarvis/SR_DPI7.pdf Em inúmeras aplicações os aspectos espectrais e espaciais são menos importantes e o que se necessita são medidas precisas da intensidade do campo eletromagnético em uma ampla região espectral. Um exemplo de sensores utilizados com essa finalidade são os radiômetros, dentre os quais o Advanced High Resolution Radiometer que se encontra a bordo do satélite NOAA. O Radiômetro do NOAA foi concebido para fornecer informações precisas sobre a temperatura. Assim sendo, a resolução espectral dos canais termais é de 1000 nm e a resolução espacial no nadir é de 1, 1 km. Mas a resolução radiométrica do sistema, ou seja sua capacidade de medir pequenas variações na intensidade da radiância medida pelo sensor é bastante alta (10 bits). http://www.dpi.inpe.br/Miguel/AlunosPG/Jarvis/SR_DPI7.pdf 10 Figura 4: Imagem sinóptica de um satélite meteorológico. Fonte: http://www.dpi.inpe.br/Miguel/AlunosPG/Jarvis/SR_DPI7.pdf Em numerosas aplicações, a informação necessária é a distribuição tridimensional de uma dada variável. Neste caso, sensores tais como os altímetros (fornecem informações sobre a topografia da superfície) e as sondas (fornecem a distribuição vertical da temperatura na coluna atmosférica) são extremamente úteis. http://www.dpi.inpe.br/Miguel/AlunosPG/Jarvis/SR_DPI7.pdf 11 4. CONCEITOS, CLASSES E REGULAMENTAÇÃO DE VANTS NO BRASIL 4.1 DEFINIÇÃO E ORIGEM DOS VANTS A definição mais adequada para VANTs tem sido atualizada regularmente concomitantemente com sua regulamentação em face dos órgãos oficiais reguladores. A Portaria Normativa n° 606 do Ministério da Defesa, de 11 de junho de 2004, caracteriza-o, através de seu Artigo 4º, como: "Uma plataforma aérea de baixo custo operacional que pode ser operada por controle remoto ou executar perfis de voo de forma autônoma podendo ser utilizada para: a) Transportar cargas úteis convencionais, como sensores diversos e equipamentos de comunicação; b) Servir como alvo aéreo; e c) Levar designador de alvo e cargas letais, sendo nesse caso empregado com fins bélicos." No Brasil a forma mais usual de se referir a uma aeronave que não leva a bordo uma tripulação é definida como sendo, Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT);. A expressão vem do termo em inglês, Unmanned Aerial Vehicles (UAV), esse termo se tornou popular no início dos anos 1990 e foi adotado para substituir o termo Remotely Piloted Vehicle (RPV), usado durante e após a guerra no Vietnã (NEWCOME, 2004). A intenção de desenvolver “máquinas voadoras” foi concebida por volta de 2.500 anos na Grécia e na China, de acordo com Dalamagkidis, Valavanis e Piegl (2012), até então segundo os autores, Pitágoras, Arquimedes e demais pensadores da época estudavam a probabilidade de usar mecanismos autônomos para uma variedade de aplicações. Segundo Dalamagkidis, Valavanis e Piegl (2012), na segunda metade do século XV, o polímata Leonardo da Vinci também arquitetou projetos para desenvolver mecanismos preparados para voar. Apesar disso, registros oficiais da história da aviação mostram que, o padre brasileiro Bartolomeu Lourenço de Gusmão no ano de 1709 realizou o primeiro voo de um mecanismo desenvolvido para esse objetivo, além disso, inventou o primeiro aeróstato operacional ou popularmente conhecido como “a passarola”, apresentando seu mecanismo diante da corte portuguesa, sendo então registrado o primeiro voo de um objeto não tripulado (VISONI e CANLLE, 2009). 12 Figura 5 e 6: Passarola de Pe. Bartolomeu Gusmão e Esboço de Leonardo DaVinci de uma máquina voadora. Fonte: Visoni e Canlle (2009) e Dalamagkidis, Valavanis e Piegl (2012). 13 5. O PRIMEIRO VANT BRASILEIRO Segundo Alves Júnior (2015), o primeiro VANT brasileiro foi fabricado pela extinta CBT (Companhia Brasileira de Tratores), conhecido por CTB BQM-1BR (Figura 7). Desenvolvido no ano de 1982, movido por propulsão a jato, capaz de atingir uma velocidade de até 560 km/h, foi construído em uma estrutura metálica, pesando 92 kg, envergadura de 3,18 m, charuto de 3,89 m e diâmetro de 28 cm, podendo chegar a 6.500 m e autonomia de 45 minutos. Hoje o aeromodelo encontra-se exposto no museu “Asas de um sonho” sendo propriedade da empresa aérea TAM. Figura 7: Primeiro VANT brasileiro CBT BQM-1BR. Fonte: Andre Ferreira 14 6. REGULAMENTAÇÃO NO BRASIL A Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC) aprovou no ano de 2017 o regulamento especial para utilização de aeronaves não tripuladas, popularmente chamadas de drones. As operações feitas pelas aeronaves não tripuladas (de uso corportivo, recreativo, experimental ou comercial) a partir deste ano, devem seguir as novas regras. De acordo com o novoregulamento da ANAC, as aeronaves não tripuladas são divididas em aeromodelos, drones usados para fins recreativos, e aeronaves remotamente pilotadas (RPA), drones empregados em operações corporativas, comerciais ou experimentais. Em conformidade com a regra geral, drones com mais de 250g estão aptos a voar apenas em áreas distantes de terceiros (no mínimo 30 metros horizontais), sendo de responsabilidade do piloto operador. A classificação de VANTS de acordo com as normas da ANAC foram categorizadas em três classes, seguindo o seguinte critério, peso máximo de decolagem do equipamento, esta classificação é apresentada na tabela 1. Tabela 1: Classificação de VANT de acordo com regras da Agência Nacional de Aviação Civil Fonte: Adaptada de ANAC, 2017 Operações BVLOS, são consideradas operações onde o piloto não consegue manter o equipamento dentro de seu alcance visual, mesmo com a ajuda de um 15 observador em campo. Já as operações VLOS, são operações onde o piloto mantém o contato visual direto com o VANT, não havendo necessidade de auxílio de lentes ou outros equipamentos, além dessas duas operações existe também a operação denominada como EVLOS, sendo uma operação na qual o piloto remoto só é capaz de manter contato visual direto com o equipamento com auxílio de lentes ou de outros equipamentos, além disso, necessita de ajuda de um observador. Figura 8: Operações Beyond Visual Line-Of-Sight (BVLOS), Visual Line-Of-Sight (VLOS) e Extended Visual Line-Of-Sight (EVLOS). Fonte: ANAC, 2017 Conforme a Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC, 2017), para pilotar aeromodelos não existe limite de idade mínima, mas para pilotar aeronaves não tripuladas RPA, os observadores e pilotos remotos devem ter no mínimo 18 anos. Os voos com RPA e aeromodelo da Classe 3 não precisam ser registrados, já voos com as demais aeronaves tripuladas das Classes 1 e 2 devem ser registrados. Para pilotos de operações com aeronaves não tripuladas RPA das classes 1, 2 ou 3 que pretendam voar acima de 400 pés, é exigido licença e habilitação emitidas pela ANAC, em contrapartida operadores de aeromodelos e de aeronaves RPA de até 250g e voando até 400 pés, são considerados licenciados, não havendo necessidade de possuir documento emitido pela ANAC. 16 7. BREVE HISTÓRICO DOS VANTS NO SENSORIAMENTO REMOTO Embora o seu boom comercial seja relativamente recente, “a idéia de construção de artefatos voadores não tripulados é antiga e até mesmo anterior aos voos tripulados” (LONGHITANO, 2012, p.8). Puscov (2002) relata que a primeira fotografia aérea em voo não tripulado foi feita por Arthur Batat em 1888, em que foi utilizada uma câmera instalada em uma pipa. No mesmo ano, o primeiro avião não tripulado – o Kettering Aerial Torpedo – foi projetado na França por Charles Kettering. Este veículo era guiado por um sistema de pré-pneumático e controles elétricos. O mesmo autor ainda descreve que 15 mil VANTs foram projetados aproximadamente durante a Segunda Guerra Mundial e que, em 1962, a empresa Ryan Aeronáutica (norte americana) começou a desenvolver plataformas que possuem melhores sistemas envolvendo robótica, funções de hardware e de softwares que garantiam uma autonomia maior. A primeira Aeronave Remotamente Pilotada (ARP) por rádio foi desenvolvida em 1935 por Reginald Denny, chamada RP-1. Em 1970 iniciou-se então a era moderna dos VANTs, Longhitano (2012) menciona que, neste período, designers nos Estados Unidos e em Israel começaram a fazer experimentos com veículos ainda menores e mais acessíveis financeiramente, com pequenas câmeras embarcadas que transmitiam imagens em tempo real. Ainda conforme o autor, os VANTs são empregados principalmente em áreas de inteligência militar e segurança pública. Contudo estes apresentam potenciais de aplicações também na área civil, conforme apontado no documento publicado pela NASA, Earth Observations and the Role of UAVs, de Cox, Somers e Fratello (2006). Neste são destacadas aplicações nas seguintes áreas: missões para ciências da terra, gestão costeira e do uso do solo e segurança pública. Muitos modelos então têm sido cada vez mais projetados e experimentados tanto para uso militar, quanto para civil. 17 8. MODELOS E SENSORES Dois tipos principais de modelos de VANTs são comumente encontrados: os multirotores e os de asa fixa. Ambos são utilizados para levantamentos de dados geoespaciais, cada um com sua capacidade de acordo com sua arquitetura. Figura 9: VANT multirotores e asa fixa. Fonte: Adaptado de Eisenbeiss(2009); Everaerts(2008); Longhitano (2012). Moutinho (2015) comenta que possivelmente o melhor entre esses são os multirotores, pois devido a sua capacidade de planar e levantar voo verticalmente, é útil para decolagem em locais mais apertados e para aplicações em fotogrametria terrestre (principalmente arquitetônica). Entretanto, segundo o mesmo, os de asa fixa também têm suas vantagens, já que com estes é possível conseguir voos mais longos – ideal para levantamentos maiores como de cidades inteiras ou em aplicações como a agricultura de precisão. Não diferentemente dos tipos de plataforma, novos sensores estão sendo desenvolvidos e testados nestas, como comentado por Moutinho (2015). Derivados do Sensoriamento Remoto, vários sensores passivos são adaptados e miniaturizados de modo que possam ser transportados nestes veículos. Sete tipos de sensores, que já são usados nestes veículos, foram apontados por Munaretto (2015): sensores na faixa do visível (RGB) muito usados para monitoramento de obras, agricultura e mineração; sensores infravermelhos (IV), que são capazes de identificar, por exemplo, estresses hídricos e alguns parâmetros envolvidos no cálculo da biomassa; sensores multiespectrais, que conseguem auxiliar na detecção de determinados aspectos das plantas água ou do terreno; sensores 18 hiperespectrais, que podem capturar centenas de imagens da região do visível ao infravermelho de ondas médias; sensores de monitoramento do espectro de frequência, que monitoram e caracterizam sinais emitidos por aeronaves, navios e outros emissores de interesse de uma força armada ou órgão de espionagem; radar, capaz de mapear terrenos, florestas e edifícios emitindo ondas eletromagnéticas e coletando a energia retroespalhada (retornos do solo); e lidar, que permite a aquisição de uma nuvem de pontos mais densa e detalhada. Figura 10: Exemplo de VANT com sensor LIDAR a bordo Fonte: Wallace et a (2012). Dentre estes, os mais empregados nos VANTs são os RGBs, conforme ressaltado pelo autor anterior. Estes instrumentos trabalham na mesma faixa de frequência visível ao olho humano. Na aquisição são usadas desde câmeras comuns até as mais profissionais (que são mais estáveis e tem melhores resoluções). Contudo, de acordo com a capacidade de cada sensor, outros propósitos podem ser atendidos como no caso dos sensores IV; ou dos multiespectrais. 19 9. LIMITAÇÕES E VANTAGENS Eisenbeiss (2009) aponta que as limitações técnicas e operacionais se dão principalmente nos VANTs de menor custo, pois geralmente só conseguem levar a bordo câmeras leves e amadoras. Ele também explica que estes veículos também são menos estáveis e tem motores com potências inferiores, o que faz reduzir a qualidade das imagens e limitar a altitude alcançável de voo. A autonomia de voo também é outra questão que também pode trazer dificuldades e até mesmo pode impossibilitar levantamentos de regiões muito extensas. Outro ponto que deve ser observado com cuidado, diz respeito à legislação local, quando existente, a respeito do uso destes equipamentos para fins profissionais. Em alguns países já existem posições bem definidas com relação aeste assunto, porém outros ainda encontram dificuldades em estabelecer parâmetros e regras (devido a questões de segurança, privacidade, etc.), como é o caso do Brasil – cujas propostas ainda estão em análise, mas espera-se que em breve estejam em vigor. Estes projetos de regulamentação entraram em audiência pública em setembro de 2015, são elas a RBAC-E 94 (Requisitos Gerais para VANT e Aeromodelos) e a RBAC 67 (Requisitos para Concessão de Certificados Médicos Aeronáuticos). Tais propostas foram elaboradas pela ANAC (Agência Nacional de Aviação Civil) e alguns dos pontos mais importantes apresentados foi bem sintetizados por Munaretto (2015), tais quais: os VANT são proibidos de cruzar fronteiras internacionais e os pousos em aeródromos públicos só serão permitidos se autorizados previamente pela ANAC; não serão permitidos voos com VANT autônomos, apenas com ARPs (Aeronaves Remotamente Pilotadas) e o piloto deve ser maior de idade; a distância mínima entre terceiros a ser respeitada é de 30m horizontais, mas havendo autorização das mesmas, pode ser realizado abaixo disso. Apesar de todas essas barreiras, os VANTs apresentam vantagens muito interessantes que podem ser muito bem aproveitas, como a capacidade e habilidade de aquisição de imagens em tempo real e com menor custo – conforme comentam Eisenbeiss (2009) e Watts et al (2010). Outra vantagem, como apontado por Silva (2013), se dá na possibilidade de adquirir dados com grande detalhamento em áreas de difícil acesso ou que possam oferecer riscos – como favelas, por exemplo – além de oferecer uma alta resolução temporal e espacial. 20 Muitos são os exemplos no qual estes instrumentos podem auxiliar potencialmente a aquisição de dados por sensoriamento remoto, como pode ser observado na tabela a seguir, com alguns dos exemplos mencionados no documento Earth Observations and the Role of UAVs: Tabela 2: –Áreas potenciais do emprego de VANTs. Fontes: Adaptado de Cox, Somers e Fratello (2006). 21 10. COMPONENTES DE UM VANT Além da aeronave, o VANT é composto de uma estação de controle em solo, o (Ground Control Station) GCS através da qual é possível planejar a missão a ser executada e acompanhar todo o trabalho realizado remotamente. Em geral possibilita visualizar o mapa do local a ser monitorado, com a referência da posição do VANT. O VANT possui também um (Sistema de Posicionamento Global) GPS acoplado, assim como, uma unidade de navegação inercial. O veículo não aceita comandos de movimento diretamente ligados pelo GPS, devido a grande margem de erro deste, recorrendo a uma unidade de navegação inercial (IMU) garantindo uma melhor precisão da posição. A navegação inercial é utilizada por foguetes, submarinos, navios também para determinar coordenadas. Uma unidade de navegação inercial nada mais é que um sistema de navegação que integra as acelerações em Norte/Sul, Leste/Oeste por meio de sensores inerciais, determinando a posição. Segue abaixo listada algumas vantagens da navegação inercial: • Não necessita de informação exterior; • Não requer emissões ou recepções de sinais; • Imune a interferências. O piloto automático ou Autonomous Flight Control System (AFCS) é um pacote integrado normalmente fornecido pelo fabricante. O AFCS recebe o controle da estação de solo (GCS) através da telemetria de controle do sistema que atua de forma autônoma. Em geral consiste de 5 componentes: • Unidade Inercial (IMU) 3 eixos, em geral com 6 graus de liberdade; • Magnetômetro de 3 eixos; • GPS; • Sistema de rádio com interface de servo e safety pilot ; • Computador de voo. Na Figura 11 podem ser vistos exemplos de CGS. Inclusive algumas já disponíveis para dispositivos móveis como celulares. Segundo Neris (2001), os VANTs têm como componente principal um sistema de controle capaz de manter a aeronave estabilizada e de executar manobras que a conduza através de uma rota e missão selecionada. Atualmente o desenvolvimento 22 de sistemas de controle de voo para esse tipo de aeronave está sendo favorecido e facilitado pelo grande desenvolvimento tecnológico verificado nos últimos anos e principalmente pela redução dos custos dos componentes eletrônicos. Isto permite que um grande número de empresas possam construir VANTs com sistemas de controle, para comercialização. Existem sistemas disponíveis gratuitamente na internete, como o Ardupilot, que pode ser configurado por qualquer pessoa e funciona perfeitamente. Figura 811: Exemplos de GCS Fonte: Embrapa 23 11. TIPOS DE VANT De acordo com Medeiros (2007), “os veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) são pequenas aeronaves, sem qualquer tipo de contato físico direto, capazes de executar diversas tarefas, tais como monitoramento, reconhecimento tático, vigilância e mapeamento entre outras”. Porém, os VANTs têm limitação em termos de capacidade de carga a bordo e condições climáticas. Se equipados com equipamentos de transmissão de dados, são capazes de transmitir, em tempo real os dados recolhidos. Sendo assim, as aeronaves não tripuladas têm sido projetadas para vários tipos de missão, mas o relato que se tem é que a origem desses veículos está ligada à área militar, como alvos aéreos manobráveis, reconhecimento tático, guerra eletrônica, entre outras. Os mísseis antinavios, bombas guiadas propulsadas ou planadas também são classificadas como aeronaves não tripuladas. Na Figura 11 podem ser observadas as áreas de coberturas dos VANTs comparadas com as de satélites e aeronaves tripuladas. Em geral, apesar da cobertura ser menor, se ganha em flexibilidade de uso, tornando muito útil para a agricultura. De uma forma geral os VANTs são classificados segundo sua categoria funcional como alvos, sistemas de reconhecimento ou monitoramento, combate, logística e de P&D. Na Figura 12 pode ser visualizado a diferença de resolução que se consegue com os VANTs comparada com satélites convencionais. A escolha da altitude de voo é feita visando evitar obstáculos, em geral de até 80 metros, e garantindo que o ângulo de distorção mínimo. A escolha de um voo mais alto possibilita menos voos, uma vez que se cobre mais área voando mais alto. O voo mais alto é recomendado em terrenos com muitas variações de relevo. 24 Figura 12: Comparação de VANT com sistemas aéreos e satélites Fonte: Embrapa Quanto ao alcance e altitude os VANTs são classificados como: • De mão, com 600m altitude e alcance 2km; • Curto alcance, com 1500m de altitude e 10km de alcance; • OTAN, de 3000m de altitude e alcance até 50km; • Tático, de 5500m de altitude e alcance de 160km • MALE (altitude média, alcance longo), até 9000m de altitude e alcance de 200km; • HALE (altitude alta, alcance longo), acima de 9100m e altitude e alcance indefinidos; • HIPERSÔNICO, 15200m de altitude e alcance acima de 200km; • ORBITAL em baixa órbita; • CIS, transporte lua-terra. Figura 13: Diferença de resolução entre satélite e imagem de VANT Fonte: Adaptado de apresentação Skydrones no Seminário VANTs promovido pela MundoGEo em 2012 evento Sensoriamento Remoto México 25 Além do alcance e altitude, diferem em asa fixa ou rotativa. O de asa rotativa, pode ser do tipo helicóptero convencional ou multirotor. O veículo aéreo não tripulado do tipo multirotor é uma plataforma aérea com sofisticada eletrônica embarcada que permite transportar diferentes sistemas de captura de imagens. Sua instrumentação aviônica e sistemas de controle permitem voos com alta estabilidade com reduzido tempo de treinamento operacional. Seu tamanho compacto, facilidade de operação, segurança e custo operacional reduzido, tornam esta classe de VANTs a mais interessantepara operação em mercados que tem as seguintes necessidades: • Tempo curto de operação; • Pouca ou nenhuma equipe de apoio; • Pouca ou nenhuma infraestrutura de terra; • Facilidade de transporte; • Distância e áreas de cobertura de pequeno a médio tamanho (ou duração); • Voo assistido por GPS ou totalmente autônomo seguindo dados pré- programados; • Necessidade de imagens com resolução superior às imagens de satélite; • Necessidade de acessar pontos difíceis. Os multirotores oferecem um conjunto de vantagens tecnológicas que otimizam sua performance, tais como: Estabilização autônoma das atitudes em voo da plataforma obtido pelo acionamento direto de quatro ou mais hélices e sistema de controle embarcado; Pouso e decolagem vertical (vtol) permitindo uso em espaço restrito, necessitando apenas 1m2 de área; Possibilidade de programação de voo estacionário ou avanço em alta velocidade até pontos pré-determinados (coordenadas geográficas), por computador; Comando de retorno autônomo para a base operacional; Baixo peso da plataforma e alto potencial de carregamento (sensores e câmeras embarcados); Possibilidade de uso de câmeras especiais, como infravermelho (FLIR) e de alta resolução (HD) de foto e vídeo; Estação Base (em terra) com integração de dados de voo, captura de imagem e cartografia; Alta capacidade de customização para diferentes aplicações. Alta convergência de tecnologias como: TI, robótica, nanotecnologia, materiais compostos, miniaturização de sensores e poder de processamento embarcado. 26 No entanto, em geral usa motores elétricos e cuja bateria não supera os 30 minutos de operação e a capacidade de carga (payload): 800g a 4Kg. Em geral possuem estabilização de atitude para câmeras e sensores. O VANT de pequeno porte como o tipo asa delta também é uma opção interessante para a área agrícola. No entanto são também muito susceptíveis aos ventos fortes. Mas de uma forma geral é o que menos apresenta problemas de operação para usuários novos. Na Figura 14 podem ser vistos os modelos e fabricantes dos principais sistemas presentes hoje no Brasil. Os aspectos que foram citados por Medeiros (2007) foram as condições de campo (área livre para pouso e decolagem), custo (valor para o desenvolvimento do VANT), fatores climáticos (condições meteorológicas), trajetória (capacidade de manter uma rota pré-determinada) e transporte (condições de acomodamento para o transporte). Figura 14: Modelos de VANTs Fonte: ANDRADE, 2013 27 12. MECANISMOS DE COLETA A coleta de dados por meio de VANTs pode ser feita de forma manual e autônoma, sendo esta última a mais empregada, utilizando-se de pilotos automáticos como o MP2028g, UNAV 3500FW, WePilot200 (LINK et al., 2013 e RASI, 2008). Juntamente com o piloto automático, se faz necessário a adoção de um software que permitirá estabelecer o plano de voo e os waypoints, dará as diretrizes para o VANT executar esse plano, e irá ajustar, observar e instruir o piloto automático quanto as ações necessárias a serem realizadas. O software também pode informar ao profissional em terra algumas informações referentes a missão, como o posicionamento da aeronave, altitude, leitura dos sensores, etc. Atualmente no mercado existem alguns softwares disponíveis como o HORIZONmp , utilizado em Link et al. (2013). Também existem trabalhos onde é desenvolvido um software específico, como em Xiang e Tian (2011). A definição de waypoints e do plano de voo difere de software para software. Em Link et al. (2013) o software HORIZONmp decide o plano de voo usando as coordenadas relativas (distância a partir do ponto inicial) para determinar a relevância do waypoint ao decorrer da rota. Em Xiang e Tian (2011), o plano de voo é determinado a partir das áreas de onde se deseja obter dados fotográficos, selecionando-a a partir de um mapa 2-D, gerando automaticamente os waypoints a partir do software desenvolvido. Uma vez que o plano de voo esteja pronto, é necessário realizar a coleta dos dados desejados por meio dos sensores. Os dados coletados são armazenados em diferentes dispositivos durante o voo, como cartões flash compactos (BERNI et al., 2009b; XIANG e TIAN, 2011), em assistentes pessoais digitais (PDAs) (LINK et al., 2013), registradores de dados (dataloggers) (MALHEIROS et al., 2008), discos rígidos (hard disks) (HERWITZ et al., 2004) e memory stick (MEDEIROS, 2007). 28 13. UTILIZAÇÃO DO VANT 13.1 VANT APLICADO À ANÁLISE AMBIENTAL A aplicação do VANT para avaliação ambiental tornou-se uma das ferramentas fundamentais de levantamento e prevenção de riscos eminentes ao meio ambiente. Atualmente sabe-se que esta tecnologia tem sido aplicada em várias áreas como, por exemplo, em grandes obras de engenharia hidráulica, estradas, dutos, áreas de reflorestamento, controle de uso e ocupação do solo, monitoramento de áreas que possuem algum tipo de risco geológico ou de importância arqueológicas, controle de tráfego, rede elétrica e principalmente em estudos ambientais. Uma das mais importantes utilizações deste equipamento foi durante o terremoto ocorrido em 12 de janeiro de 2010 no Haiti, cujo objetivo foi dimensionar o deslocamento da superfície terrestre. Outra ocorrência de proporções imensas foi o acidente com a plataforma de extração de petróleo, da empresa britânica BP, no golfo do México em 20 de abril de 2010 (LONGHITANO, 2010). A utilização mais recente em território nacional ocorreu durante as tragédias naturais da região Serrana do Rio de Janeiro, por meados de janeiro de 2011. Os municípios de Petrópolis, Teresópolis e Nova Friburgo foram atingidos por chuvas torrenciais, que provocaram desmoronamento em trechos, a montante, da serra acarretando perdas de vidas, casas e desconfigurando parte dos três municípios. O apoio da defesa civil veio horas após o ocorrido e teve como ferramenta principal de dimensionamento, da tragédia, um helicóptero não tripulado, fornecendo base para mapeamento das áreas mais afetadas pelo desastre, delimitando e averiguando porções densamente habitadas como critérios de busca as vítimas (Departamento Geral da Defesa Civil, 2012). 29 14. VANTS NA AGRICULTURA Um dos primeiros VANTs que se têm relatos de uso na agricultura foi o helicóptero Yamaha com o sistema RCASS, em 1980, desenvolvido para controle de pragas em plantações de arroz, soja e trigo. Em 1997, foi lançado o modelo RMAX, utilizado em pulverização, semeadura, sensoriamento remoto e na agricultura de precisão (YAMAHA, 2004 apud EINSEENBEISS, 2004 e YAMAHA, 2014). Atualmente os VANTs podem ser utilizados para os mais diversos fins na agricultura, como monitoramento por sensoriamento remoto (RABATEL et al., 2014; TORRESSÁNCHEZ et al., 2014; ZARCO-TEJADA et al., 2013) que possibilita o controle e detecção de pragas e doenças (GARCIA-RUIZ et al., 2013; CALDERÓN et al., 2013; AYLOR et al., 2011), bem como o monitoramento das condições fisiológicas das plantas (ZARCO-TEJADA et al., 2013; SABERIOON et al., 2014); e ainda nos trabalhos de pulverização (RASI, 2008; FAIÇAL et al., 2014) e semeadura (YAMAHA, 2014). Em relação ao monitoramento, destacam-se os diversos trabalhos de Zarco- Tejada et al. e Berni et al., que utilizaram câmeras térmicas, multi e/ou hiperespectrais para obter dados em relação às características fisiológicas das plantas como detecção de estresse hídrico (ZARCO-TEJADA et al., 2012); estimativa do teor de carotenoides das folhas (ZARCOTEJADA et al., 2013); condutância do dossel e índice de estresse hídrico da cultura (BERNI et al., 2009a). Também através dos sensores pode-se obter diversos índices de vegetação (VIs – vegetation indices) como Índice de Área Foliar (LAI) (CÓRCOLES et al., 2013), Índice de Vegetação por DiferençaNormalizada (NDVI), Índice de Vegetação da Diferença Normalizada utilizando a banda verde (GNDVI), índice de vegetação ajustado ao solo (SAVI), infravermelho próximo (NIR) – vermelho (R), R/NIR, verde (G)/R, NIR/R, etc (SANKARAN et al., 2010). Para a identificação de doenças pode-se destacar o trabalho de Calderón et al. (2013), que utilizou imagens térmicas, multiespectrais e hiperespectrais para a detecção precoce da doença Verticillium wilt (VW - Murcha de Verticillium) na oliveira utilizando-se da fluorescência, temperatura e da banda estreita dos índices espectrais. Para isso fez o uso dos respectivos sensores: câmera térmica, câmera multiespectral de 6 bandas e sensor de imagens hiperespectrais, acoplados em dois VANTs. O principal efeito da VW é a redução do fluxo de água o que induz a um estresse hídrico na planta afetada (AYRES, 1978; DEVAY, 1989; VAN ALFEN, 1989 apud CALDERÓN 30 et al., 2013) gerando assim um aumento na temperatura da copa juntamente com uma redução na condutância estomática. Com posse desse conhecimento o uso de índices como o CWSI (Crop Water Stress Index), PRI (Photochemical Reflectance Index) entre outros, se fazem aplicáveis. O CSWI é baseado na normalização da diferença entre a temperatura da copa e do ar e o PRI é sensível a mudanças na pigmentação dos carotenoides e a eficiência fotossintética, sendo um indicador para detectar um possível estresse hídrico. Os resultados obtidos pelo trabalho indicam um potencial para a detecção precoce da infecção e a discriminação de diferentes estágios da mesma, desde inicial até o avançado. Outro trabalho na detecção de doenças que se pode citar é o de Garcia-Ruiz et al. (2013), que compara duas plataformas de sensoriamento aéreo para identificação de Huanglongbing (HLB) em pomares de citros, sendo uma um VANT equipado com uma câmera multiespectral de 6 bandas e a outra um avião convencional equipado com uma câmera hiperespectral AISA EAGLE VNIR. Além das seis bandas espectrais, sete índices de vegetação foram calculados, sendo eles: NDVI, GNDVI, SAVI, NIR, R, R/NIR, G/R, NIR/R. O principal sintoma da HLB é o amarelamento das veias da folha, da folha inteira ou até mesmo do ramo inteiro, por isso índices de vegetação como o NDVI podem ser usados uma vez que são capazes de realizar análises sobre a cobertura vegetal. Ambas as plataformas obtiveram um desempenho satisfatório em identificar a doença nas árvores, porém o VANT obteve melhores resultados em relação ao avião devido ao fato de obter imagens de melhor resolução espacial em altitudes mais baixas, tornando-se assim uma ferramenta confiável para a detecção da doença inclusive com os sintomas em menor escala (i.e., no nível dos ramos). Uma limitação encontrada pelos autores para o VANT foi o tempo de voo de 10-20 minutos (dependendo da carga total). Uma solução apontada pelos autores seria a utilização de um VANT similar como o encontrado em Zarco-Tejada (2011) apud Garcia-Ruiz et al. (2013). Uma vez detectada uma doença ou praga, deve ser aplicado algum produto químico para combater a sua evolução e permanência na cultura. Uma possível alternativa para aplicação de produtos químicos com VANTs seria o processo de pulverização. Rasi (2008) em sua monografia de especialização desenvolveu um VANT para aplicação de pulverização. O trabalho de Faiçal et al. (2014) apresenta um algoritmo responsável por controlar a pulverização e a rota por meio de troca de informações do VANT com uma 31 rede de sensores wireless (WSN – wireless sensor network) disposta sobre o solo. O algoritmo calcula a rota dinamicamente de acordo com as mudanças do vento (direção e intensidade) a fim de evitar desproporções do produto aplicado. Apesar deste método, algumas áreas podem não apresentem a quantidade suficiente do produto, por conta disto o algoritmo também apresenta um mapa que indica a concentração do produto, identificando assim estas áreas e possibilitando uma nova aplicação diretamente nas mesmas. Vale ressaltar que o trabalho está atualmente em fase de simulação sendo um trabalho futuro a implementação de um hardware, bem como um estudo para aperfeiçoar a atual forma de dispersão do produto químico. 32 REFERÊNCIAS COX, T. H. T., SOMERS, I., FRATELLO, S. Earth observations and the role of UAVs: a capabilities assessment. 2006. v. 1.1. Relatório técnico. Civil UAV Team, NASA. DIRETORIA DO SERVIÇO GEOGRÁFICO. Especificação Técnica para a Aquisição de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-ADGV), 2016. Brasília-DF. EISENBEISS, H. UAV Photogrammetry. Doctor of sciences, University of Technology Dresden, Germany, 2009 EVERAERTS, J. et al. The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) for remote sensing and mapping. 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