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Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 36 CAPÍTULO II 2.1. Elementos básicos de uma fotografia Para a realização de qualquer medida por meio de técnica fotogramétrica é necessário os sistemas de coordenadas referenciais sejam devidamente definidos. Tal definição é seguida da correspondente materialização do sistema. 2.1.1. Sistemas referenciais de coordenadas usados em fotogrametria Como descrito anteriormente, o sistema de lentes é um dos principais elementos que compõem uma câmera fotográfica. A Figura 2.1 ilustra o sistema de lentes de uma câmera e os espaços envolvidos nas medidas fotogramétricas. Figura 2.1. (a) Espaço-imagem e espaço-objeto. (b) Sistema de lentes. (a) (b) Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 37 De acordo com a Figura 2.1a, são dois os espaços envolvidos na fotogrametria, isto é, o espaço imagem e o espaço objeto. O espaço objeto compreende todos as feições contidas sobre a superfície física (terreno topográfico), cujos referenciais mais utilizados nas Ciências Geodésicas são o referencial geodésico, o referencial geodésico cartesiano e o referencial cartesiano local. 2.1.1. Referenciais do espaço objeto usados na fotogrametria 2.1.1.1. Sistema de referência geodésico No referencial geodésico (Figura 2.2) a latitude e a longitude são definidas sobre um elipsóide escolhido arbitrariamente como Datum do sistema geodésico (LUGNANI, 1987). Há ainda uma terceira coordenada conhecida como altura geométrica h. Figura 2.2. Referencial geodésico. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 38 A latitude de um ponto P é o ângulo entre a normal ao elipsóide passando por P e sua projeção no equador, variando de 0 a 90 o graus ao norte e de 0 a -90 o graus ao sul. A longitude é o ângulo diedro entre o meridiano origem (Greenwich) e o meridiano do ponto, variando de 0 a 180 o graus a leste e de 0 a -180 o graus a oeste. A altura geométrica h é a distância contada sobre a normal do ponto considerado, a partir deste ponto até a superfície do elipsóide. 2.1.1.2. Sistema de referência geodésico cartesiano O referencial geodésico cartesiano (Figura 2.3) é um sistema tridimensional de coordenadas cartesianas, cuja origem é o centro do elipsóide geodésico. Figura 2.3. Referencial geodésico cartesiano. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 39 Este sistema é definido como segue (LUGNANI, 1987): Origem: centro do elipsóide geodésico; Eixo OZ: coincidente com o eixo de rotação do elipsóide geodésico, sentido positivo para o pólo norte geodésico (PN); Eixo OX: coincidente com a intersecção do plano do meridiano de Greenwich com o plano do Equador, sentido positivo para o meridiano de Greenwich; e Eixo OY: é tal que torna o sistema dextrógiro. 2.1.1.3. Sistema de referência cartesiano local Figura 2.4. Referencial cartesiano local. O referencial cartesiano local, ilustrado na Figura 3.4, é definido na forma que segue (LUGNANI, 1987). Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 40 Origem: é estabelecida sobre a normal ao elipsóide passando pela estação de observação, sendo geralmente tomada sobre o elipsóide, geóide ou nas imediações da superfície física; Eixo Oz: é coincidente com a normal ao elipsóide na origem O', sentido positivo oposto ao centro do elipsóide geodésico (O'); Eixo Oy: mesmo sentido do norte geodésico; e Eixo Ox: ortogonal ao eixo OY no sentido que torne o sistema dextrógiro. A seguir serão vistos os referenciais do espaço-imagem. 2.1.2. Referenciais do espaço imagem Se as observações ou medidas forem feitas no negativo fotográfico, o espaço imagem será a região compreendida entre o ponto nodal posterior até o plano do negativo. Caso as observações sejam feitas no diapositivo (plano positivo), o espaço imagem será delimitado entre o ponto nodal anterior e o plano do diapositivo. O centro perspectivo da câmera (CP) é uma abstração pontual do sistema de lentes, cuja projeção ortogonal no plano da fotografia (negativo ou positivo) define o ponto principal (pp), que será tratado mais adiante. A distância entre o CP da câmera e o plano da fotografia é denominada de distância focal da câmera (f). Para fins de medidas acuradas a distância focal deve ser devidamente calibrada por meio de um processo denominado de calibração de câmeras, cujas definições e técnicas também serão estudadas futuramente. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 41 De acordo com a Figura 2.1, quando utilizado o plano negativo a distância focal é positiva (+f) e quando utilizado o plano positivo, a distância focal é negativa (-f). Os sistemas de coordenadas referenciais do espaço imagem mais usuais na fotogrametria são: Sistema referencial fiducial; Sistema referencial fotográfico; e Sistema referencial digital. 2.1.2.1. Sistema referencial fiducial O sistema referencial fiducial é um sistema cartesiano bidimensional construído a partir da intersecção entre as marcas fiduciais (Fig. 2.5a) opostas de uma fotografia tomada com câmera métrica convencional, que define o centro fiducial (CF) da fotografia (Fig. 2.5b), ou seja, a origem do sistema referencial fiducial. As marcas fiduciais são impressas pelo cone interno da câmera métrica convencional (Fig. 2.5c) no instante da tomada da fotografia. Geralmente, as câmeras métricas possuem de 4 a 8 marcas fiduciais, a partir das quais se materializa o sistema fiducial. A Figura 2.5. mostra os elementos supracitados. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 42 Figura 2.5. (a) Marca fiducial. (b) Sistema de referência fiducial. (c) Cone da câmera métrica convencional. (a) (b) (c) Onde, CF: origem do sistema referencial fiducial, denominado de centro fiducial; eixo CFx’: orientado positivamente para o sentido de voo, sendo paralelo à linha fiducial que melhor se aproxima da linha de voo; eixo CFy’: é orientado a partir do eixo CFx’ com uma rotação anti- horária de 90 o graus (sistema dextrógiro); Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) últimaatualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 43 p’: ponto imagem com coordenadas no sistema referencial fiducial ( '' , pp yx ); e : é o angulo de não ortogonalidade entre os eixos x’ e y’. O ângulo pode ser determinado pela expressão da tangente, dado por ' ' arctan p p x y . 2.1.2.2. Sistema referencial fotogramétrico O referencial fotogramétrico, ou fotográfico, é um sistema cartesiano tridimensional. De acordo com a figura 2.6 a orientação dos eixos CPx e CPy é paralela, respectivamente, aos eixos CFx’ e CFy’ do referencial fiducial. O eixo CPz é coincidente com o eixo óptico da câmera, cujo sentido é tal que torna o sistema dextrógiro. A origem do sistema fotogramétrico é o centro de projeção do sistema de lentes, ou seja, o ponto nodal anterior, caso se esteja trabalhando com o diapositivo ou o ponto nodal posterior se for utilizado o negativo. Como a coordenada z é constante e igual à distância focal da câmera, utiliza-se um referencial plano cuja origem é o ponto principal (pp). Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 44 Figura 2.6. Sistema referencial fotogramétrico. Onde, CP: centro perspectivo da câmera, considerado para fins de simplificação como uma abstração pontual do sistema de lentes; f : distância focal calibrada da câmera; pp: ponto principal definido pelo ponto de intersecção entre a projeção ortogonal do CP da câmera e o plano fotográfico, com coordenadas 0,, pppp yx ; e v : vetor posição no espaço-imagem definido por 'CPpv , ou seja, fyyxxv pppppp ,, '' . 2.1.2.3. Sistema referencial digital Sendo uma imagem digital um conjunto de elementos espacialmente ordenados em um arranjo matricial, cuja posição é dada por (C, L), o sistema referencial digital é usualmente definido na forma que segue: Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 45 Origem (O): a origem do sistema é o canto superior esquerdo; eixo OC: direção horizontal e sentido positivo para a direita; Eixo OL: rotacionado 90 o graus em relação ao eixo OC, sentido horário (sistema levógiro); C, L: coluna e linha, respectivamente. Figura 2.7. Sistema referencial digital. Atualmente, de uma forma geral, a compilação de uma carta topográfica ou mapa por meio de técnicas fotogramétricas se restringe em transformar imagens digitais brutas em arquivos de saída, tais como, ortofotos digitais, MDTs etc. Por isso, é necessário entender as diferenças básicas entre os dados manipulados no processo fotogramétrico. 2.2. Diferença entre imagem e mapa Para entender a geometria básica de uma imagem será retratada as principais diferenças entre imagem e mapa (Figura 2.8). Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 46 Figura 2.8. (a) Diferença entre imagem e mapa. (b) Deslocamento radial. (c) Escala variante ponto-a-ponto. (a) (b) (c) Na Figura 2.8a se verifica que a imagem possui uma projeção perspectiva, pois os pontos A, B, C, D, E convergem para o CP da câmera e seu imageamento ocorre no sentido inverso de sua posição no terreno, enquanto o mapa possui uma projeção ortogonal, pois todos os pontos são alocados no mapa na mesma posição em que se encontram na superfície física mantendo a mesma distância entre eles, caso que não ocorre para os pontos imageados na imagem, pois como pode ser visto na Figura 2.8a, os pontos a, b, c, d, e não possuem a mesma distância que seus correspondentes na superfície física, ou seja, ab é diferente de AB . As informações encontradas em mapas são implícitas e simbólicas, enquanto que na imagem são explícitas e sem nenhum atributo que as definem a Objeto imageado no centro da imagem Objeto imageado afastado do centro da imagem Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 47 priori. A imagem possui uma riqueza de informações superior àquela encontrada em mapas e cartas topográficas, que possibilita a interpretação do usuário com maior facilidade e sem a necessidade de simbologia. O mapa possui escala constante e a imagem possui uma variação de escala ponto-a-ponto, pois quanto mais próximo o objeto na superfície física do CP da câmera, maior será a escala do objeto imageado (ver Figura 2.8c), devido a característica perspectiva da imagem. O deslocamento devido ao relevo e a altura das edificações e da vegetação também são características importantes da imagem. Na Figura 2.8b verifica-se que, no momento da tomada de uma fotografia um edifício se encontra próximo ao centro da imagem (na direção do eixo óptico da câmera) e outro afastado do centro da imagem ou fotografia. Neste caso, para o objeto mais próximo do centro da imagem é possível visualizar o topo e uma pequena porção de sua fachada lateral da edificação, ou seja, a distorção é mínima. Enquanto que para o objeto mais afastado pode ser visualizado o topo e sua fachada lateral, mostrando o deslocamento radial ocorrido devido à altura da edificação e também ao afastamento que se encontra em relação ao centro da imagem. Qualquer medida em relação a estes elementos presentes na imagem não propiciam dados acurados, principalmente quando é utilizada uma única imagem. Um tratamento deve ser realizado de forma apropriada. Tal estudo é baseado no deslocamento devido ao relevo. 2.2.1. Deslocamento devido ao relevo Nesta seção será realizado um estudo teórico sobre os aspectos relativos ao deslocamento devido ao relevo, sombras e ângulo de abertura da câmera, cujos fatores provocam oclusões e obstruções na imagem. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 48 2.2.1.1 Deslocamento Devido ao Relevo Oclusões são os maiores obstáculos para a automação dos processos fotogramétricos. O deslocamento devido ao relevo nas edificações causa um tipo de oclusão, de característica visual, caracterizado pela própria geometria da perspectiva central, ocorrendo radialmente em relação ao nadir. Com isto, o algoritmo de correlação automática não encontra correspondência em alguns pontos nas imagens sobrepostas, tendo então que realizar uma interpolação para todos os pontos que não são correlacionados (pontos críticos), gerando pontos que representam uma área maior que a edificação. A Figura 2.9 ilustra o deslocamento devido ao relevo, enfatizando casos de edificações. Figura 2.9. Deslocamento devido ao relevo. (a) (b) Onde, ra, rb: distância radial na imagem (dada entre o nadir e oponto); Ra, Rb: distância radial no terreno r: é o deslocamento do objeto na imagem; R: é o deslocamento do objeto no terreno; Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 49 H: é a altura da edificação; e Hv: altura de voo. Considerando a relação de triângulos apresentada na figura 3.11, tem-se que o deslocamento devido ao relevo no espaço imagem é dado pela equação abaixo: b v r H H r (2.1) Sendo, rb: 22 bb yx . A correção deve ser feita, teoricamente, da base para o topo, pois a informação de interesse é o topo da edificação. A partir da equação (2.1) pode-se calcular o deslocamento radial da base (a) para que seja aplicada a correção do Modelo gerado, através de: a v r H H r (2.2) Onde, ra: 22 aa yx . Considerando a figura 2.9b, podemos escrever a relação de triângulos, desenvolvendo o seguinte modelo matemático para o cálculo de dx: Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 50 x r dx r a (2.3) x r r dx a (2.4) Onde, dx : relação entre deslocamento do objeto na imagem e a distância radial do nadir à base da edificação na direção x. Uma formulação análoga vale para dy . Assim, pode ser realizada a correção através de: dyyy dxxx at at (2.5) O processo de geração de MDTs já se encontra com um grau avançado de automação, porém não se preocupa com a correção do deslocamento devido ao relevo que gera dados não confiáveis na representação das edificações, pois são ferramentas desenvolvidas para modelar, especificamente, pontos de terreno. 2.2.1.2 Sombras A sombra é um tipo de elemento que também gera oclusões na imagem, sendo considerada um obstáculo no processo automático de medidas de pontos homólogos. As sombras podem ser provocadas por nuvens, feições naturais (vegetação etc) e feições antrópicas (edificações, veículos etc). A Figura 2.10 mostra uma edificação que projeta sombra no terreno. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 51 Figura 2.10. Presença de sombras na tomada de imagens aéreas. (a) Sombra projetada por um veículo. (b) Sombra projetada pela edificação. (c) Sombra projetada pela vegetação. (a) (b) (c) Um caso bastante comum em imagens aéreas é a presença de sombras projetadas por vegetação que cobrem parte das edificações, como pode ser visto na Figura 2.11. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 52 Figura 2.11. Oclusões provocadas pela presença de sombra projetada sobre edificações. (a) Imagem. (b) Esquema gráfico. (a) (b) Atualmente, existem câmera digitais com sensores de 12 bits de resolução radiométrica, capazes de discriminar objetos cobertos pelas sombras (sensor ADS 40 da Leica Helava). A Figura 2.12 mostra imagens com diferentes resoluções radiométricas. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 53 Figura 2.12. (a) Imagem com resolução radiométrica de 1 bit. (b) Imagem com resolução radiométrica de 5 bits. (c) Imagem com resolução radiométrica de 8 bits. (d) Imagem com resolução radiométrica de 11 bits. FONTE: MELO, 2002. (a) (b) (c) (d) 2.2.1.3 Ângulo de abertura da câmera O ângulo de abertura da câmera () é função da distância focal e do tamanho do quadro da câmera. No caso das câmeras métricas convencionais, como o quadro possui dimensão quadrada (23x23 cm), o ângulo de cobertura é função apenas da distância focal. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 54 Figura 2.13. Ângulo de abertura da câmera. Para o cálculo do ângulo de abertura da câmera (), deve-se considerar a diagonal do quadro e a distância focal da câmera, a saber: ) 2 arctan(2 f d (2.6) Onde, 22 2323 d As câmeras fotogramétricas são classificadas como de ângulo pequeno (10º - 20º) que possuem distância focal entre 610 a 915 mm, cuja aplicação é mais usual para espionagem, fotointerpretação e geração de mosaicos. Ângulo normal (50º - 75º) com distância focal variando de 210 à 300 mm, cuja aplicação é mais usual para mapeamento de áreas com grande movimentação do terreno e geração de mosaicos. A grande angular (85º - 95º) é a câmera mais utilizada para mapeamento, com distância focal de aproximadamente 153 mm e a super grande angular (110º - 130º) com distância focal de aproximadamente 88 mm, utilizada para mapeamento de áreas com pequena movimentação do terreno (terrenos planos). O ângulo de abertura da câmera estabelece uma relação muito importante na detecção de oclusões em imagens aéreas, pois quanto maior o ângulo de abertura maior será a oclusão. A Figura 2.14 mostra uma Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 55 oclusão formada com uso de uma câmera com distância focal de 153 mm e 300 mm. Figura 2.14. Ângulo de abertura da câmera. (a) Oclusão formada com uso de uma câmera com distância focal de 153 mm. (b) Oclusão formada com uso de uma câmera com distância focal de 300 mm. (c) e (d) triângulos formados com cobertura fotogramétrica de 60% de sobreposição. (a) (b) (c) (d) Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 56 Na Figura 2.14 verifica-se que, ambas as fotografias foram obtidas na mesma altura de voo. Porém, na Figura 2.14a tem-se uma imagem adquirida com uma câmera grande angular (distância focal de 153 mm) e na Figura 2.14b uma câmera ângulo normal (distância focal de 300 mm). Percebe-se visualmente que a oclusão apresentada na Figura 2.14a é maior que a apresentada na Figura 2.14b, fato explicado devido ao ângulo de abertura característico de cada uma das câmeras utilizadas para o recobrimento aéreo. Umavantagem em utilizar câmeras grande angular em relação ao uso de câmera de ângulo normal é o menor custo do projeto, conseqüência do menor número de fotografias a serem adquiridas para recobrir o terreno, bem como melhor determinação da coordenada altimétrica dos pontos, devido principalmente à possibilidade de formar geometricamente um triângulo eqüilátero em relação à duas fotografias consecutivas (Figura 2.14c). Uma desvantagem do uso de câmeras grande angular é que o tamanho da oclusão obtida é maior que aquelas propiciadas com câmeras ângulo normal (comparar as Figs. 2.14a e 2.14b). Uma desvantagem do uso da câmera ângulo normal está na impossibilidade de formar triângulos eqüiláteros para a determinação de coordenadas altimétricas com melhor precisão. Outros fatores causadores de oclusões são a altura da edificação, ou seja, como pode ser visualizado na figura 2.15a e 2.15b, quanto maior a altura da edificação maior a área de oclusão na imagem, e a altura de voo (Figs. 2.15c, 2.15d). Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 57 Figura 2.15. (a) e (b) Oclusões provocadas pela altura da edificação. (c) e (d) Oclusões provocadas pela altura de voo. (a) (b) (c) (d) O ângulo de abertura da câmera também define a resolução espacial da imagem. A seguir será apresentada a definição de resolução espacial de imagens. 2.2.1.4 Resolução espacial de imagens A resolução espacial de imagem é função do ângulo de abertura e distância focal do sensor (câmera) e refere-se à capacidade do sensor distinguir os objetos contidos na superfície. Para isto, é necessário definir a área do campo de visada do detector, em determinado instante e altitude de voo. O ângulo definido pela projeção geométrica do detector é denominado Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 58 de campo de visada instantânea (Instantaneous Field of View, IFOV), ou seja, o IFOV define a porção do terreno que é focalizada pelo sensor a uma dada altitude de voo. A Figura 2.16 ilustra o IFOV. Figura 2.16. IFOV. Onde, G: porção do terreno focalizada pelo sensor. Em uma imagem com resolução espacial de 20 m apenas objetos maiores que 20 m poderão ser distinguidos na imagem e quanto menor o IFOV melhor será a resolução espacial da imagem. Uma resolução espacial de 5 m é melhor que uma resolução espacial de 20 m, pois objetos com 5 m poderão ser distinguidos na imagem e, consequentemente, produtos com maior nível de detalhes poderão ser gerados. A Figura 2.17 mostra um veículo detectado por sensores com diferentes resoluções espaciais. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 59 Figura 2.17. (a) Imagem com 1,6 m de resolução espacial. (b) Imagem com 0,2 m de resolução espacial. (c) Imagem com 0,1 m de resolução espacial. (a) (b) (c) Na Figura 2.17 pode ser verificado que, quanto melhor a resolução espacial maior o nível de detalhes distinguidos na imagem. Em termos gerais, as imagens adquiridas por câmeras métricas convencionais e por câmeras digitais (ADS 40, por exemplo), bem como as imagens de satélites geradas com informações advindas dos sensores acoplados nos satélites Ikonos II (1 m) e GeoEyes I e II (0,60 e 0,30 m respectivamente) são consideradas imagens de alta resolução espacial. As imagens de satélites geradas com informações oriundas dos sensores acoplados no satélite SPOT (resolução espacial melhor que 10 m) e outros de mesmo nível são imagens de média resolução espacial. E, finalmente, as imagens Landsat (resolução espacial melhor que 30 m) são imagens caracterizadas como de baixa resolução espacial. A Figura 2.18 mostra as imagens consideradas de alta, média e baixa resolução espacial. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 60 Figura 2.18. (a) Imagem de alta resolução espacial. (b) Imagem de média resolução espacial. (c) Imagem de baixa resolução espacial. (a) (b) (c) As principais aplicações para imagens de alta resolução são mapeamentos urbanos e rurais (cadastro, redes, planejamento, telecomunicações, saneamento e transportes), mapeamentos básicos e aplicações gerais em sistemas de informação geográfica, uso da Terra (com ênfase em áreas urbanas), estudo de áreas verdes urbanas, estimativas de colheitas e demarcação de propriedades rurais, laudos periciais em questões ambientais. As principais aplicações para imagens de média resolução são impacto das atividades humanas sobre o meio Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 61 ambiente, monitoramento de fenômenos naturais, acompanhamento do uso agrícola das terras, apoio ao monitoramento de áreas de preservação, atividades energético-mineradoras, cartografia e atualização de mapas, desmatamentos, dinâmica de urbanização, estimativas de fitomassa, monitoramento da cobertura vegetal, secas e inundações, sedimentos em suspensão nos rios e estuários. E as principais aplicações para imagens de baixa resolução são acompanhamento do uso agrícola de terras, apoio ao monitoramento de áreas de preservação, atividades energético- mineradoras, cartografia e atualização de mapas, desmatamentos, detecção de invasões em áreas indígenas, dinâmica de urbanização, estimativas de fitomassa, monitoramento da cobertura vegetal, queimadas secas e inundações, sedimentos em suspensão nos rios e estuários. Na Figura 2.18 podem ser visualizadas imagens aéreas adquiridas por sensores acoplados em plataformas aéreas e orbitais. Os tipos de imagens adquiridas dependem da plataforma, cujo sensor se encontra acoplado. 2.3. Tipos de imagens ou fotografias As imagens são de três tipos basicamente, a saber: Terrestre; Aérea; e Orbital. As imagens do primeiro tipo são tomadas com câmera acopladas em algum tipo de suporte, tal como um tripé, cuja posição (X, Y, Z) e orientação (, , ) da câmera são usualmente conhecidos. O Fototeodolito (Fig. 2.19) é uma combinação de câmera com teodolito montados sobre um tripé, com a finalidade de obter fotografias terrestres. Esses tipos de fotografias possuem aplicações na automação industrial, no reconhecimento de objetos à curta-distância, para restituição arquitetônica, para reconstrução Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009)última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 62 tridimensional de máquinas, navios, barcos, estruturas de grandes construções, entre outras. Figura 2.19. (a) Fototeodolito desenvolvido por Hugershoff. (b) CRC-1. (c) INCA. (a) (b) (c) O teodolito facilita o alinhamento da câmera por meio de um azimute conhecido. Os tipos de aplicações mais comuns são reconstrução tridimensional de objetos industriais, mapeamento móvel terrestre, monitoramento de deformações estruturais etc. A Figura 2.20 apresenta Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 63 uma imagem terrestre tomada com uma câmera digital não métrica de pequeno formato. FIGURA 2.20. Imagem tomada com câmera digital não métrica de pequeno formato acoplada em um teodolito. Outro tipo de câmera terrestre é a chamada câmera balística (exemplo da qual é mostrado na Figura 2.21). Estas são câmeras grandes montadas em terreno selecionado, com a finalidade de adquirir fotografias da órbita de satélites artificiais, de forma que se tenha como apoio de campo, para a orientação da câmera, as estrelas que compõem a abóbada celeste. Esse tipo de câmera é muito utilizado para monitoramento das placas tectônicas, cálculo de trajetória dos satélites, cálculo da dimensão, forma e gravidade da Terra e determinação do movimento dos oceanos. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 64 FIGURA 2.21. (a) Câmera Balística. (b) Processo de uso. (a) (b) A Figura 2.21b ilustra um exemplo de processo de uso da câmera Balística para o cálculo da trajetória de um satélite. Neste caso, a posição das estrelas fixadas na abobada celeste é determinada com uso de um teodolito para serem utilizadas como apoio de campo no processo de orientação das imagens. Várias imagens são adquiridas com a câmera supracitada e, após o processo de orientação e retificação das imagens, é calculada a trajetória do satélite observado. Na década de 70 este tipo de câmera foi utilizado com a finalidade de se estabelecer uma rede de trabalho mundial de pontos de controle e para determinar com precisão a posição relativa dos continentes, ilhas oceânicas remotas etc. Já as fotografias aéreas são usualmente classificadas como vertical, obliqua e convergentes. As fotografias aéreas são consideradas verticais quando o eixo ótico da câmera coincide com o nadir ou zênite do ponto. A Figura 2.22 mostra uma situação ideal. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 65 FIGURA 2.22. Situação ideal na tomada de fotografias ou imagens. Fotografias verticais não são factíveis na prática devido à instabilidade da aeronave (inclinação da câmera, rajada de vento entre outros fatores), impedindo que o eixo da câmera seja coincidente com o nadir. Ou seja, o eixo da câmera não é perfeitamente vertical no momento da tomada da fotografia, de forma que o plano da fotografia não seja paralelo à superfície de referância (por exemplo, o nível médio dos mares). Desta forma, quando o eixo da câmera é levemente inclinado da vertical, as fotografias são denominadas inclinadas. Porém, para fins práticos, fotografias com inclinações ( e ) inferiores à 3º são consideradas verticais. Fotografias com inclinação superior à 3º podem ser denominadas como: Fotografia aérea baixo obliqua; e Fotografia aérea alto obliqua. A fotografia obliqua é tomada com o eixo da câmera inclinado com inclinação angular acima de 3º, onde nos casos em que se encontra o horizonte são denominadas de alto obliqua (Fig. 2.23a) e em casos que não se encontra o horizonte, são denominadas baixo obliqua (Fig. 2.23b). A Figura 2.23 ilustra as orientações do eixo de uma câmera alto obliqua e Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 66 baixo obliqua, bem como um perfil de linhas do terreno para cada situação descrita. FIGURA 2.23. (a) Baixa obliqua. (b) Alta obliqua. (a) (b) As fotografias aéreas convergentes são obtidas por meio de sistemas que integram duas ou mais câmeras, cuja configuração proposta baseia-se na configuração das câmeras de forma convergente, de tal forma que estas registrem áreas subseqüentes da superfície física. O grupo de pesquisa em fotogrametria da UNESP (Universidade Estadual Paulista) implementou um sistema denominado SAAPI (Sistema Aerotransportado de Aquisição e Pós- processamento de Imagens digitais) com as características supracitadas. A Figura 2.24 apresenta o sistema de aquisição do SAAPI. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 67 FIGURA 2.24. Sistema de aquisição do SAAPI. (a) Plataforma de coleta. (b) Disposição das câmeras digitais. (c) Instalação do sistema na aeronave. (d) Geometria das câmeras na plataforma de coleta. (e) Imagem retificada a partir dos dados da plataforma. FONTE: RUY, 2008. (a) (b) (c) (d) Na Figura 2.24a, a plataforma de coleta é formada por duas câmeras digitais de grande formato (Fig. 2.24b, 22 Megapixels), sistema de georreferenciamento direto e unidades físicas de fixação e estabilização dos equipamentos. Na Figura 2.24c é mostrada a instalação do sistema na Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 68 aeronave e na Figura 2.24d a geometria das câmeras na plataforma de coleta, ou seja, a forma como as imagens serão adquiridas. É possível considerar também as fotografias chamadas espaciais, utilizadas para exploração espacial. Estas fotografias são tomadas por câmeras acopladas em aeronaves espaciais e satélites artificiais. O planeta Marte, por exemplo, tem sido grande alvo de pesquisa e mapeamento dos órgãos de mapeamento espacial da Europa e dos Estados Unidos da América. Instrumentos de precisão foram desenvolvidos e fabricados para o tratamento adequado deste tipo de situação sem perda de precisão nas medidas efetuadas. Para a aquisição de imagens ou fotografias é necessário realizar um planejamento de voo minucioso, do qual é necessário estudar diversos fatores, a saber: definir o tipo de aeronave e câmera a serutilizadas; equipamentos para execução do processo fotogramétrico; escala da fotografia; sobreposição longitudinal; sobreposição lateral; movimentação do terreno; comprimento e largura da área a ser recoberta fotogrametricamente; realização de cálculos. A seguir será apresentada apenas uma noção geral do elemento mais importante para o sucesso de um projeto fotogramétrico, isto é, o planejamento de voo. 2.4. Algumas aplicações e produtos fotogramétricos Uma das principais atividades da Fotogrametria é produzir mapas e cartas topográficas. Somente após o inicio da Fotogrametria foi possível a compilação de mapas topográficos em pequenas escalas. Quase todas as fases de projetos, locação, construção e gerenciamento são conduzidos, se não totalmente, em grande parte, pelos fotogrametristas. Para a realização de tais tarefas é necessário utilizar equipamentos apropriados, tais como, Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 69 restituidores analógicos, analíticos ou sistemas fotogramétricos digitais (Fig. 2.25a, 1.25b, 1.25c, respectivamente). Atualmente, existe grande demanda pelo uso de sistemas fotogramétricos digitais devido ao seu baixo custo, rapidez no processamento dos dados, automação dos processos fotogramétricos, fácil interação homem/máquina, entre outros. A Figura 1.25 apresenta os equipamentos supracitados. FIGURA 2.25. (a) Restituidor Analógico. (b) Restituidor Analítico. (c) Sistema fotogramétrico digital. (a) (b) (c) Com o surgimento do sistema laser scanning as empresas de Fotogrametria têm alcançado outras fatias do mercado nacional e internacional, tais como, projetos hidrográficos e rodoviários, ambientais, florestal, linhas de transmissão, gasodutos, oleodutos e outros que requeiram produtos cartográficos e que necessitem de informações tridimensionais com precisão e de rápida atualização. As principais aplicações da Fotogrametria são: planejamento e projetos de autovias; planejamento urbano; cadastro urbano, rural e florestal; atualização de Sistemas de Informação Geográfica (SIG); arqueologia; automação de processos industriais; mapeamento; realidade aumentada; classificação de imagens; robótica; medicina; odontologia; Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 70 acidente e gerenciamento de tráfico; astronomia; extração de curvas de níveis e redes de drenagem; projetos de construção de pontes, túneis, barragens e dimensionamento dos respectivos deslocamentos de terras, e ainda, estudos de impacto ambiental como o cálculo de áreas alagadas na construção de hidroelétricas e o respectivo volume do reservatório; etc. Os produtos gerados pela Fotogrametria são: Fotografias aéreas, terrestres e espaciais; Mosaicos; Carta topográfica; Mapas geológicos, Modelo Digital do Terreno e de Superfície; Ortofotocarta; Entre outros. Alguns produtos supracitados são apresentados na Figura 1.26. FIGURA 2.26. (a) Ortofotocarta Digital. (b) Modelo Digital do Terreno. (a) (b) Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 71 A ortofotocarta e os Modelos Digitais de Terreno (MDT) são os produtos mais requisitados pelos usuários de Cartografia para apoiar tomada de decisões em projetos de Engenharia. Ortofotocarta é um conjunto de fotografias corrigidas da atitude da aeronave (ângulos de rotação da câmera), do deslocamento devido ao relevo e variação de escala, definidas num sistema de projeção cartográfica. O MDT é um conjunto de pontos tridimensionais regularmente ou irregularmente espaçados, geometricamente estruturados que representa numericamente os pontos e elevações contidos em uma área da superfície física. De forma geral, a compilação de ortofotos digitais, retificação de imagens, medidas automáticas de pontos, correspondência de imagens, entre outras tarefas, são realizadas por técnicas fotogramétricas. Por isso, a fotogrametria é uma poderosa ferramenta para tomada de decisão, pois permite o registro da informação de forma rápida e dinâmica por meio de imagens e sem a necessidade do contato direto com o objeto a ser registrado. Vale ressaltar que a resolução geométrica e radiométrica de uma imagem são parâmetros definidores da qualidade dos produtos supracitados. Em termos digitais a resolução geométrica também é chamada de GSD (Ground Sample Distance), que representa o tamanho de um pixel no terreno. A Figura 2.27 mostra quais resoluções espectral e GSD são requeridas para mapeamento topográfico e para demais aplicações (Roser et al., 2000). Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 72 FIGURA 2.27. Resoluções espectral e geométrica requerida para várias aplicações (Adaptado de Roser et al. 2000). Na Figura 2.27 a resolução espectral é mostrada apenas em termos qualitativos. Enquanto a resolução geométrica é uma classificação bruta dos diferentes tipos de imagem e suas respectivas adequações para diversas tarefas, como segue: Imagens pancromáticas são uteis no reconhecimento e registro de estruturas da superfície física da Terra; Imagens multiespectrais são usadas para classificação a priori das propriedades químicas e biológicas da superfície física da Terra; Imagens hiperespectrais são usadas para identificação e reconhecimento refinado das propriedades geológicas, químicas e biofisiológicas da superfície física da Terra. Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 73 Outro parâmetro bastante útil em aplicações que necessitam de monitoramento específico devido as mudanças de características da superfície física é a taxa de atualização. A Figura 2.28 mostra a taxa de atualização necessária para diversas aplicações. FIGURA 2.28. Resolução geométrica e taxa de atualização requerida (Adaptado de Roser et al. 2000). As Figuras 2.27 e 2.28 mostram que para mapeamento topográfico são requeridas resoluções geométricas de 5 cm – 50 m com taxa de atualização de 1 à 10 anos. A escala dos mapas associados para tal aplicação estão entre 1:500 – 1:500.000 (ver tabela 2.1). Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 74 TABELA 2.1. Relação entre GSD e escalas planimétricas. GSD Escala 5 cm 1:500 10 cm 1:1000 25 cm 1:2500 50 cm 1:5000 1 m 1:10.000 2,5 m 1:25.000 5 m 1:50.00010 m 1:100.000 50 m 1:500.000 A resolução angular das câmeras digitais também influencia na precisão dos pontos determinados fotogrametricamente. Quanto maior o ângulo de abertura melhor a resolução da altimetria do ponto, no entanto, maior será o deslocamento radial dos objetos presentes na imagem. A Tabela 2.2 mostra as diferentes resoluções angulares requeridas para diversos tipos de aplicações. TABELA 2.2. Resolução angular da câmera para diferentes aplicações. Aplicação topográfica Resolução angular Terrenos planos e alta precisão altimétrica 30 0 - 60 0 Terrenos movimentados 20 0 - 40 0 Áreas montanhosas 10 0 - 25 0 Recursos naturais 30 0 - 50 0 Áreas suburbanas 20 0 - 40 0 Áreas urbanas 10 0 - 25 0 Capítulo II Fotogrametria I (1ª. Edição 2009) última atualização 2013 Prof. Daniel Rodrigues dos Santos – Departamento de Geomática UFPR 75 5 m 1:50.000 10 m 1:100.000 50 m 1:500.000
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