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ÍNDICE DO CAPÍTULO: CÂMARAS AÉREAS 1 INTRODUÇÃO 2 TIPOS DE CÂMARAS AÉREAS CONVENCIONAIS 3 PARTES MECÂNICAS DA CÂMARA AÉREA 3.1 MAGAZINE 3.2 CORPO 3.3 CONE 3.4 ESTABILIZADORES 4 CALIBRAÇÃO 4.1 CALIBRAÇÃO DE LABORATÓRIO 4.2 AUTO-CALIBRAÇÃO 4.3 MODELO DE AUTO-CALIBRAÇÃO 4.3.1 Excentricidade do ponto principal 4.3.2 Distância focal 4.3.3 Distorção radial 4.3.4 Distorção tangencial 5 INTEGRAÇÃO DAS TECNOLOGIAS CAD, GPS E INERCIAL 6 CÂMARAS DIGITAIS 6.1 CÂMARA DE SENSOR MATRICIAL 6.2 CÂMARA DE SENSOR LINEAR Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan C C 1 E tria, as câmaras fotográficas aéreas tem u m que é com este equipamento que se p s fotográficas são peculiares quando c sões mas também pela alta qualidade g sional do conjunto lente-plano imagem, p u seja, deixar entrar suficiente luz para p ro, pela fiabilidade operacional e pelos o ente a luz. A e fiáveis já que trabalham em situações e tografias por missão, etc.. Os maiores d nestas máquinas têm a ver com o poder d lentes estarem em termos práticos livres d ocado pelos movimentos do avião e a i N c ÂMARAS AÉREAS INTRODUÇÃO ntre os muitos equipamentos usados em fotograme ma importância relativamente grande na medida e rocessa o registo da informação. Estas câmara omparadas com outras, não só pelas suas dimen eométrica da lente, pela grande estabilidade dimen ela abertura das lentes que tem que ser rápida - o ermitir um disparo rápido - pela cadência de dispa bturadores muito eficientes e distribuindo uniformem s câmaras fotográficas aéreas devem ser altament xtremas de temperatura, trepidação, número de fo esenvolvimentos que ocorreram ou estão a ocorrer e resolução que tem vindo a aumentar, o facto das e distorções, a compensação do arrastamento prov âmaras aéreas 1 ntegração de tecnologia GPS e de sistemas inerciais. este capítulo será abordada, primeiro, a câmara aérea convencional e, posteriormente, a âmara aérea digital. 2 TIPOS DE CÂMARAS AÉREAS CONVENCIONAIS Existem quatro tipos de câmaras aerofotogramétricas: a câmara de fotografia simples, a câmara de fotografia múltipla, a de fiada e a panorâmica. A câmara de fotografia múltipla expõe duas ou mais fotografias ao mesmo tempo, através de lentes diferentes. Também se designa por câmara multi-espectral porque cada fotografia é sensível a uma região diferente do espectro electromagnético. A câmara de fiada regista uma fotografia contínua de uma faixa de terreno ao longo do percurso do avião. Isto consegue-se fazendo passar o filme, a uma velocidade relacionada com a velocidade do avião, sobre uma fina ranhura no plano focal. Se a câmara tiver duas lentes, paraFigura 1 - Câmara aérea WILD RC 30 Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan Câmaras aéreas 2 outros tantos filmes, uma apontando na direcção do voo e outra no sentido contrário, pode-se obter fotografia estereoscópica. Por último a câmara panorâmica fotografa uma fiada de terreno mas, neste caso, transversal ao sentido do voo. A câmara de fotografia simples é a mais vulgar e é a única usada para fins cartográficos pelo que só essa será aqui abordada. A totalidade da fotografia é exposta num disparo que dura uma fracção de segundo (por exemplo 1/500 de segundo). O campo angular α de uma câmara relaciona-se com a sua distância focal c e a diagonal d do plano imagem pela seguinte fórmula: α = −2 21tan d c . Estas câmaras dividem-se em quatro tipos, de acordo com o seu campo angular, o qual dado o tamanho fixo do plano imagem (23x23 cm2) está directamente relacionado com a distância focal: super grande angular (ângulo de cobertura maior que 100º), grande angular (ângulo de cobertura entre 75º e 100º), ângulo normal (ângulo de cobertura próximo de 75º) e teleobjectiva (ângulo de cobertura menor que 75º). Existem as seguintes distâncias focais, típicas para cada um dos tipos anteriores de câmaras, respectivamente: 89mm, 153mm, 210mm e 305mm,. De entre elas, a câmara com cone de 153mm é a mais utilizada para empreendimentos cartográficos. 3 PARTES MECÂNICAS DA CÂMARA AÉREA As várias componentes de uma câmara aérea agrupam-se em três partes: o magazine, o corpo e o cone. 3.1 MAGAZINE No magazine encontra-se o rolo de película fotográfica - quer a sua parte exposta, quer a parte por expor - bem como os mecanismos de avanço e planificação do filme. A planificação do filme é, em geral, conseguida por sucção do filme contra um prato que materializa o plano do negativo. O referido prato tem uma série de pequenos orifícios uniformemente distribuídos sobre a sua superfície sendo através deles que a sucção é feita. Existem outras formas de conseguir o mesmo objectivo. 3.2 CORPO O corpo da câmara é a parte que alberga o sistema (motor) que avança o filme para uma zona ainda não exposta. 3.3 CONE O cone da câmara alberga no seu interior o sistema de lentes, o filtro, o obturador e o diafragma. Contém ainda o cone interno a qual é uma estrutura rígida que mantém o sistema de lentes e o plano focal numa posição relativa fixa. Este cone interno é feito de material com baixo índice de dilatação por forma a que a referida posição relativa não sofra alterações significativas. O filtro serve três objectivos principais: reduzir o efeito de uma certa neblina atmosférica, que quase sempre existe provocada pela dispersão na atmosfera dos raios Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan C ultravioleta, proporcionar uma distribuição uniforme da iluminação sobre a totalidade do plano focal e, finalmente, proteger a lente externa quer do pó, quer de riscos. O plano focal é o plano em que as imagens são focadas nas melhores condições. Como, em fotografia aérea, a distância ao objecto é sempre grande, resulta da fórmula das lentes que a distância à imagem é fixa e coincide com a distância focal. Por outro lado as lentes estão focadas para o infinito o que pelo facto de não haver componentes móveis ajuda à estabilidade do sistema câmara-plano focal. O plano focal é enquadrado por um caixilho onde, na sua parte interior, o filme vai ficar ultra plano. Neste caixilho existem as marcas fiduciais (nos cantos, a meio dos lados ou em ambos os lugares). As rectas, que unem cada uma destas marcas às marcas diametralmente opostas, intersectam-se no chamado centro de colimação. Por construção, as marcas fiduciais vão ser localizadas de tal forma que o centro de colimação vai estar tão perto do ponto principal quanto possível. A pequena excentricidade que houver entre o centro de colimação e o ponto principal vai ser determinado por calibração da câmara a qual deve ocorrer à saída da fábrica e periodicamente (por exemplo, cada três anos). O suporte da câmara além de permitir fixar a câmara ao avião vai permitir dar-lhe uma posição não alinhada com a linha de proa-popa do avião para eliminar o efeito da eventual deriva a que o avião esteja sujeito. Este efeito é ilustrado na figura 2. O a v v s q s d a f e 3 D s i 1 2 3 4 Cobertura estereoscópica reduzida 1 2 3 4 Figura 2 - Redução da área estereoscópica por deriva nao compensada do avião âmaras aéreas 3 suporte está concebido para servir também de amortecedor às vibrações do avião. Outros cessórios da câmara são o intervalómetro e o visor, os quais estão integrados. Através do isor o operador vai fazer com que uma referência, por exemplo uma linha, passe à mesma elocidade que as imagens. Seguidamente o operador introduz no equipamento a obreposição desejada e, automaticamente, os mecanismos de disparo vão ser accionados uando a linha se deslocou a referida sobreposição. Hoje em dia é possível a integração de istemas de GPS os quais, determinando coordenadas em tempo real, permitem controlar o isparo da máquina por forma a que o seu posicionamento seja correcto. Existe ainda, coplada à câmara, instrumentação que mede o brilho da cena a fotografare dá indicação, em unção da sensibilidade do filme, da exposição correcta, em termos de abertura e tempo de xposição. .4 ESTABILIZADORES urante o tempo em que o obturador está aberto e o filme é impressionado, o avião deslocou- e não só dada a sua velocidade linear e de acordo com a rota mas também devido à nstabilidade do referido avião, a qual se pode decompor em três componentes angulares. Ao Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan Câmaras aéreas 4 efeito provocado por esses movimentos, linear e angular, dá-se o nome de arrastamento da imagem. O dispositivo designado por FMC (Forward Motion Compensation), a existir, está integrado na câmara e arrasta ligeiramente o filme durante a exposição por forma a compensar o arrastamento provocado pela velocidade do avião. Os efeitos produzidos pelos movimentos angulares podem ser minimizados por via de um acessório no topo do qual se monta a câmara e que se designa giro- estabilizador (Figura 3). A tecnologia subjacente é a de giroscópios os quais detectam movimentos angulares e imediatamente os compensam. 4 CALIBRAÇÃO A geometria da fotografia, e toda a formulação fundamental que lhe está associada, é desenvolvida tendo em conta vários pressupostos que, sendo fáceis de definir, são impossíveis de realizar com absoluto rigor, durante a construção da câmara. Por exemplo: 1. o chamado plano do negativo não é rigorosamente plano; 2. o eixo óptico não é rigorosamente perpendicular ao plano do negativo; 3. o centro de colimação não coincide exactamente com o ponto principal; 4. os raios sofrem desvios ao emergirem das lentes e não mantém o mesmo ângulo com que incidem nelas, são algumas discrepâncias existentes entre o modelo teórico e a realidade. Por isso, se verifica a necessidade de calibrar as câmaras fotogramétricas, isto é determinar essas discrepâncias ou quantificar os seus efeitos, tendo em vista minimizá-los. 4.1 CALIBRAÇÃO DE LABORATÓRIO É possível calibrar em laboratório a câmara métrica. Do relatório que resultar dessa calibração devem constar os seguintes elementos: 1. distância focal equivalente - que é a distância focal efectiva junto do centro da lente, 2. distância focal da câmara - também designada constante da câmara e que é a distância focal que produz uma distribuição média da distorção radial, 3. distorção média radial da lente - distorção radial na posição da imagem ao longo de linhas que irradiam do ponto principal, 4. distorção tangencial da lente - distorção tangencial na posição da imagem ao longo de linhas que irradiam do ponto principal, 5. localização do centro de colimação em relação ao sistema de fotocoordenadas a qual devia ser (0,0), 6. distância entre marcas fiduciais opostas, 7. erro de perpendicularidade das linhas fiduciais (cujo módulo devia ser inferior a 1’), 8. desvios do plano focal em relação a uma superfície rigorosamente plana os quais deviam ser inferiores a +/-0.01mm, 9. parâmetros caracterizando a resolução. Figura 3 - Giro estabilizador para uma câmara ZEISS Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan Câmaras aéreas 5 Os primeiros 8 itens são designados por parâmetros de orientação interna e têm a ver com a fidelidade da câmara em relação à geometria, perfeita, que foi definida anteriormente. 4.2 AUTO-CALIBRAÇÃO É possível acrescentar um modelo de perturbação ao modelo ao modelo teórico representado pelas equações de colinearidade. Isto é, podem-se acrescentar expressões que pretendam modelar as perturbações que a realidade introduz no modelo teórico representado pelas equações de colinearidade. As referidas equações tomarão então o aspecto seguinte, designando por ∆x e ∆y os efeitos em x e em y respectivamente, desses factores perturbadores x x c r X r Y r Z r X r Y r Z y y c r X r Y r Z r X r Y r Z = − + + + + = − + + + + ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ 11 12 13 31 32 33 21 22 23 31 32 33 equação 1. As expressões que modelam ∆x e ∆y podem ser várias, conforme os autores que as produziram, e podem-se classificar entre físicas (se representam os próprios erros), algébricas (se se limitam a, por exemplo através de um polinómio, absorver os referidos erros) e híbridas (se são uma combinação de ambos os tipos anteriores). Como se vai ver seguidamente, a modelação dos erros pode levar à introdução de muitas incógnitas (também designadas por parâmetros) no modelo e provocar o fenómeno designado por sobreparametrização cujo efeito nocivo prático é tornar o sistema de equações mal condicionado. 4.3 MODELO DE AUTO-CALIBRAÇÃO Nos anos 80 foram investigados vários modelos para auto-calibração, por forma a melhorar o desempenho da triangulação fotogramétrica em termos de precisão. A formulação dos erros que seguidamente se apresenta parece ter ganho consenso embora existam outros modelos. 4.3.1 Excentricidade do ponto principal Não sendo possível fazer coincidir o centro de colimação com o ponto principal, as coordenadas lidas por referência às marcas fiduciais (x´ e y´) devem ser corrigidas das componentes (xo e yo) dessa excentricidade. Assim as coordenadas referidas ao ponto principal (x, y) serão dadas por: x x x y y y o o = ′ − = ′ − 4.3.2 Distância focal A existir uma disparidade ∆c, entre a distância focal real e a calibrada, o seu efeito em cada uma das componentes (δx e δy) pode ser expresso pelas seguintes relações: δ δ x x c c y y c c = = ∆ ∆ Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan Câmaras aéreas 6 4.3.3 Distorção radial A distorção radial é usualmente representada por um polinómio δr K r K r K r= + +1 3 2 5 3 7 função da distância radial r = (x2+y2)1/2, a qual é medida a partir do ponto principal. Esta distorção tem que ser representada nas suas componentes δrx e δry em x e y, respectivamente: ( ) ( ) δ δ δ δ r r x x r x K r K r K r r r y y r y K r K r K r x o y o = ′ − = + + = ′ − = + + 1 2 2 4 3 6 1 2 2 4 3 6 4.3.4 Distorção tangencial Este erro é modelado pelas duas expressões seguintes, uma para o eixo dos xx e outra para o eixo dos yy: ( )[ ] ( )( ) ( )[ ] ( )( ) δ δ t P r x x P x x y y t P r y y P x x y y x o o o y o o o = + ′ − + ′ − ′ − = + ′ − + ′ − ′ − 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 De facto, nas expressões para os erros anteriores é irrelevante usar os valores x´-xo ou x. O mesmo se pode dizer para a componente y. Resumindo, a equação 1 pode-se rescrever desta forma x x x r t c r X r Y r Z r X r Y r Z y y y r t c r X r Y r Z r X r Y r Z o x x o y y = − + + + − + + + + = − + + + − + + + + δ δ δ δ δ δ 11 12 13 31 32 33 21 22 23 31 32 33 ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ sendo possível substituir as componentes δx, δy, δrx, δry, δtx e δty pelas respectivas expressões. 5 INTEGRAÇÃO DAS TECNOLOGIAS CAD, GPS E INERCIAL Hoje em dia é possível integrar estas três tecnologias com a câmara aérea. A tecnologia CAD, permitirá ter software para apoiar o planeamento de um vôo fotográfico bem como a própria navegação. Como resultado da utilização de um programa de planeamento da missão fotográfica resultarão, entre outros elementos (rumos e comprimentos das fiadas, etc.) as coordenadas do início e fim dos segmentos de recta que constituem as fiadas bem como as coordenadas das posições das fotografias a ser obtidas. Estes elementos servirão à própria navegação da aeronave e os benefícios da sua utilização serão optimizados se o sistema de navegação integrar um sistema de posicionamento GPS a funcionar em tempo real. Tal sistema permitirá ao piloto ter meios que lhe permitam com suficiente rigor executar o voo fotográfico planeado ou receber alarmes quando tal não esteja a ocorrer. Em termos práticos isto significa que os voos terão menosproblemas de lacunas na sua cobertura estereoscópica do solo e serão executados com maior rapidez do que numa Elementos de Fotogrametria Digital A. Berberan Câmaras aéreas 7 navegação à vista. A tecnologia GPS pode então ser utilizada para, tomando o planeamento anteriormente referido: 1. dar assistência à tripulação na navegação da aeronave (ou seja dando indicações que permitam orientar o avião para uma correcta execução das fiadas previamente planeadas); 2. controlar a própria câmara (no sentido de dispará-la quando, e só se, esta entrar num raio, pré-determinado, em torno do ponto cujas coordenadas resultaram igualmente do planeamento anterior); 3. determinar as coordenadas do ponto de exposição da fotografia, sendo que estas podem ser introduzidas na triangulação fotogramétrica reduzindo substancialmente as necessidades de apoio topográfico. Recentemente (fim da década de 90) comercializaram-se os primeiros sistemas que permitem determinar as componentes angulares Ω, Φ e Κ (em torno respectivamente dos eixos X, Y e Z) do desvio do eixo óptico em relação à vertical. Estes sistemas designam-se INS, Inertial Navigation System. 6 CÂMARAS DIGITAIS Em Julho de 2000 foram apresentadas, comercialmente, as primeiras câmaras aéreas digitais com características apropriadas à recolha de informação para fins métricos. O seu aparecimento tardio, em comparação com o aparecimento de tecnologia digital para aquisição de imagens, deve-se principalmente aos seguintes problemas: 1. a dificuldade de transferência da informação, coligida pela câmara e que pode ser de 1Gb por fotografia, para um qualquer meio de registo em tempo útil (poucos minutos); 2. as grandes quantidades de espaço requerido para armazenamento, em voo, de imagens obtidas numa missão fotográfica; 3. a necessidade de uma forma sistemática e sofisticada de armazenamento e catalogação de terabytes de informação e metainformação; 4. a elevada qualidade da imagem convencional obtida por câmara analógica Estes assuntos não estão ainda totalmente ultrapassados. Por outro lado o custo destas câmaras é ainda muito elevado (da ordem dos 500 000 Euros). De qualquer forma, num futuro próximo estas câmaras digitais substituirão as câmaras convencionais. 6.1 CÂMARA DE SENSOR MATRICIAL A câmara representada na figura 8 é do tipo matricial e composta por módulos que operam de um modo sincronizado na aquisição de diversos tipos de imagem, de acordo com a aplicação que se quer fazer da informação. A imagem pancromática de alta resolução é formada por Figura 8 - Câmara DMC 2001 – Digital Modular Camera da Z/I Imaging Elementos de Fotogrametria Digital C mosaicagem de 4 imagens adquiridas por outr em quadrícula. Três sensores multi-espectra câmara visando a aquisição desse tipo de imag espectral têm a supostamente s avançada, quan 6.2 CÂMARA A câmara de s sensores CCD c para a vante, pa concreta à câm composta por pancromáticos plano focal enc espectrais. Uma rota da aeronav para cada linha de sensores) e não uma única, quadrada e instântanea como no caso da tecnologia de câmaras matriciais. Por essa razão a imagem resulta da concatenação de várias imagens-linha, cada linha resultante de diferentes atitudes e posições espaciais da plataforma que transporta a câmara na altura em que expôs a referida linha. A primeira implicação, desta abordagem à aquisição de imagens, é que estas, sem nenhum processamento, têm o aspecto ilustrado na figura 10. A segunda implicação é que o sensor tem que ter forçosamente um sistema de posicionamento e orientação para poder fazer as necessárias correcções geométricas da imagem para obter uma imagem com a aparência habitual (figura 11). Depois deste processamento a imagem está apta a ser tratada fotogrametricamente por equipamentos e eometria é diferente da tradicional porque não resulta de uma p Figura 9 – Câmara ADS40 – Airborne Digital Sensor da LH Systems F operadores mas a sua g erspectiva central. âmaras aéreas igura 10 – Imagem sem processamento obtida por uma câmara baseada na tecnologia de sensores lineares A. Berberan os tantos conjuntos de sensores CCD dispostos is podem também estar montados na mesma em. Quer a imagem pancromática quer a multi- mesma cobertura do terreno. Os sensores são ubstituíveis por outros de tecnologia mais do os houver. DE SENSOR LINEAR ensores lineares é composta por três linhas de aptando informação pancromática e orientados ra baixo e para a ré da aeronave. Na aplicação ara ADS40 cada uma destas linhas é de facto duas linhas cada uma com 12000 sensores deslocados meio pixel (3,5 µm). Também no ontram-se 3 linhas de 12000 sensores multi- lente com 64º de campo de visão transversal à e permite captar várias imagens lineares (uma 8 Figura 11 – Imagem já corrigida das diferentes posições e atitudes que correspondem à aquisição de cada uma das linhas da imagem original CÂMARAS AÉREAS INTRODUÇÃO TIPOS DE CÂMARAS AÉREAS CONVENCIONAIS PARTES MECÂNICAS DA CÂMARA AÉREA Magazine Corpo Cone Estabilizadores CALIBRAÇÃO Calibração de laboratório Auto-calibração Modelo de auto-calibração Excentricidade do ponto principal Distância focal Distorção radial Distorção tangencial INTEGRAÇÃO DAS TECNOLOGIAS CAD, GPS E INERCIAL CÂMARAS DIGITAIS Câmara de sensor matricial Câmara de sensor linear
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