Trabalho Topografia - Utilização de Drones

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
ENGENHARIA CIVIL
TRABALHO COMPLEMENTAR
JUDSON DA SILVA CINDRA 
E 
JULIO CEZAR DA SILVA CINDRA
A UTILIZAÇÃO DE DRONES NA TOPOGRAFIA
CAMPOS DOS GOYTACAZES, 2018
UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
ENGENHARIA CIVIL
TRABALHO COMPLEMENTAR
JUDSON DA SILVA CINDRA 
E 
JULIO CEZAR DA SILVA CINDRA
A UTILIZAÇÃO DE DRONES NA TOPOGRAFIA
Trabalho Complementar apresentado à disciplina de Topografia, do curso de Engenharia Civil, da Universidade Estácio de Sá. Professora: Izabel de Souza Ramos.
CAMPOS DOS GOYTACAZES, 2018
Introdução
	Durante as últimas décadas, os instrumentos para aquisição de dados em geodésia foram rapidamente modernizados. Os dispositivos se tornaram mais baratos, menores e mais precisos e, por outro lado, capazes de reunir um grande número de dados em um intervalo de tempo muito curto. Além disso, algumas plataformas móveis foram desenvolvidas para transportar diferentes dispositivos, tais como: plataformas de LIDAR (Light Detection and Ranging), plataformas para câmeras, etc. 
	Dentre os novos equipamentos utilizados na topografia, o Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT), também conhecido como Drone (do inglês, zangão), vem ganhando grande destaque no segmento graças a sua rapidez e eficácia em relação a outros métodos de coleta de dados, e também ao seu baixo custo. Sua principal aplicação em geodésia diz respeito ao mapeamento tridimensional do terreno. Esse dispositivo é leve, móvel e completamente automatizado, proporcionando acesso até mesmo a terrenos antes tidos como inacessíveis. Eles são tão simples de usar que além do mapeamento, sua principal aplicação, os Drones também poder ser usados ​​para diversos fins, conceitos e outros tipos de projetos. 
	A seguir, será explicado todo o procedimento de criação de um modelo de terreno digital e de um mapa topográfico com a utilização de Drones e a mínima aplicação de métodos de medição convencionais.
A Topografia 
	Acredito que antes de se tratar de como a topografia pode ser revolucionada com a aplicação dos drones, se faz necessário entendermos o que é a topografia. Para isso, de forma breve e resumida, apresentaremos conceitos fundamentais da topografia, como: definição, finalidade e importância.
	O termo “Topografia”, como descrito por Domingues (1979), é derivado de duas palavras gregas, a saber: “topos” (lugar) e “graphen” (descrever). Assim, de acordo com o termo, podemos chegar a uma definição direta e simples, que é a descrição exata e minuciosa de um lugar. 
	Domingues (1979), ainda nos leva a compreender a finalidade da topografia, a qual se destina a determinar o contorno, dimensão e posição relativa de uma porção limitada da superfície terrestre, do fundo dos mares ou do interior de minas, sempre desconsiderando a curvatura que é resultante do fato da Terra ser esférica. 
	A importância da Topografia é tamanha pois ela é a base de qualquer projeto e obra desenvolvida por engenheiros e arquitetos. Posso citar como exemplo: edifícios, aeroportos, usinas hidrelétricas, sistema de água e esgoto, urbanismo, paisagismo, reflorestamento, etc. A Topografia fornece todo o conhecimento do terreno, através dos seus métodos e instrumentos, que permitirão uma correta implantação da obra ou serviço, com o melhor aproveitamento possível. 
	O levantamento topográfico pode ser dividido em: Planimétrico (representação bidimensional) e Altimétrico (representação tridimensional). E ao conjunto dos métodos abrangidos pelas duas formas de levantamento topográfico dá-se o nome de Topometria (popularmente conhecida como Planialtimetria).
A Aerofotogrametria
	O método utilizado para a obtenção dos dados topográficos através de drones é conhecido como Aerofotogrametria, que é uma derivação da Fotogrametria. Segundo a AMERICAN SOCIETY OF PHOTOGRAMMETRY (1966, p.1220 apud TEMBA, 2000, p.2), a Fotogrametria é “a arte, a ciência e tecnologia de obter informações de confiança sobre objetos e do meio ambiente com o uso de processos de registro, medições e interpretações das imagens fotográficas [...]”. Ela é dividida em duas grandes áreas: a fotogrametria interpretativa, e fotogrametria métrica. 
	A técnica a ser utilizada para a obtenção de dados topográficos será a fotogrametria métrica, que segundo TEMBA (2000), são medições feitas a partir de fotos para se determinar o posicionamento relativo de pontos. E através de técnicas e processos deste método, é possível determinar: distâncias, ângulos, áreas, volumes, elevações e, tamanhos e formas de objetos; além de cartas planimétricas e altimétricas, mosaicos, ortofotos e demais subprodutos das fotografias tomadas. 
	Uma vez entendido o conceito de Fotogrametria, torna-se fácil compreender que a Aerofotogrametria é a tomada de fotografias aéreas, utilizando-se de uma aeronave equipada com câmeras fotográficas, para fins de mapeamento e obtenção de dados cartográficos e topográficos. E é exatamente aqui que se encaixa a utilização de drones, e, ou, VANT’s (Veículo Aéreo Não Tripulado). Um programa do governo utilizando esta técnica, e chamado de LIDAR (Light Detection ad Ranging) tem sido utilizado com sucesso e mostra todo o potencial de tal tecnologia.
O procedimento da aerofotogrametria com VANTs
	De fato, o impacto que as novas tecnologias prometem causar em todas as áreas do conhecimento são enormes. Mas antes de abordar o impacto que os VANTs podem provocar na topografia, é importante entender como se dá a obtenção dos dados topograficos utilizando estes equipamentos. Vale ressaltar que a aerofotogrametria não foi inaugurada pelos VANTs, ela já era realizada com a utilização de aeronaves tripuladas, mas o alto custo, gerado principalmente por conta das despesas com a aeronave, tornaram este método restrito a grandes empreendimentos, como: hidrelétricas, complexos portuários, e obras de grande porte no geral. Geralmente eram utilizadas exclusivamente por grandes empresas e pelo Estado em obras de grande extensão territorial, ou de díficil acesso. 
	Vamos, então, ver como é o procedimento da utilização da aerofotogrametria com drones, para a topografia. CUCOLO (2016), em seu artigo no site MUNDOGEO.COM explica o procedimento, passo a passo, da obtenção dos dados planialtimétricos utilizando drones. O procedimento é dividido em duas grandes etapas, a saber: o trabalho de campo, que é a coleta de dados; e o trabalho no escritório, que é a trabalho realizado com os dados obtidos.
	O trabalho de campo pode ser resumido em duas etapas. Na primeira etapa é realizada a instalação de GCPs (pontos de controle em solo). Nesta etapa é realizada a instalação de uma série de pontos, pré-definidos, distribuídos ao longo de toda a área, com seu número variando de acordo com as condições de relevo e área. Em cada ponto, coordenadas são obtidas utilizando-se GPS RTK, um equipamento capaz de fornecer o posicionamento relativo cinemático em tempo real (Real Time Kinematic). 
Figura 1 - Instalação de GCPs
	E, por fim, a segunda etapa que consiste no planejamento do voo, que é definido antes mesmo de saírem a campo. O objetivo é cobrir toda a área, sendo necessário confirmar um local de pouso e decolagem. Cada voo tem a capacidade de cobrir até 100 hectares, e leva em torno de 20 minutos, fazendo desta parte a mais rápida de todo o processo.
Figura 2 – Decolagem do VANT/Drone
Figura 3 – Plano de voo exibido na tela do software
Terminado o trabalho de campo, e a coleta das imagens, se inicia o trabalho de edição das imagens para se chegar no MDS (Modelo Digital de Superfície) e MDT (Modelo Digital de Terreno). Esta é a parte do trabalho que consome mais tempo, e pode ser divido em três etapas.
Na primeira etapa se obtém a ortorretificação e o mosaico através de um software de processamento de imagens e aerofotogrametria, utilizando as informações dos GCPs que foram levantados em campo comapoio do GPS RTK.
Na segunda etapa se obtém o MDS e o MDT, que é o resultado de uma nuvem de pontos tridimensional formada pelas imagens capturadas pelo drone. É com essas informações que se obtém as curvas de nível.
E por fim, a vetorização. É possível se obter uma ortoimagem com 5 cm GSD e precisão posicional de 10 cm, que é equivalente ao PEC A (Padrão de Exatidão Cartográfica A), sendo possível ainda vetorizar demais elementos existentes na imagem. As vantagens deste método aqui aplicado são enormes, a começar que, para realizar o mapeamento de toda esta área seria necessário em torno de 30 dias, caso fossem utilizados os métodos tradicionais de topografia. Com o uso do drone, foi necessário apenas um dia.
Este método pode ser de 15 a 30 vezes mais eficiente que uma equipe de topografia utilizando o GPS RTK, e pode ter seu custo reduzido em até 70%. Se comparado com o método que utiliza a Estação Total, a diferença pode ser ainda maior. Porém, ser mais eficiente não significa ser melhor, mais adequado, ou ter mais precisão. Vamos ver isso adiante.
Figura 4 - Ortoimagem vetorizada e curvas de nível.
Conclusão
	O impacto que a utilização desta tecnologia em topografia pode causar são muitos. Não é uma tecnologia nova, mas seu uso ainda não é popular, mas promete se tornar, e isso devido a popularização dos drones. Mas esta tecnologia ainda é cercada de muitos mitos, entre as muitas verdades que ela também nos proporciona.
	NETO (2016), faz uma lista dos mitos mais comuns. Um deles é achar que é fácil e simples de fazer. A pessoa não pode cair na besteira de acreditar que só porque tem um drone, e o pilota por hobbie, que ela vai conseguir realizar ta tarefa. Um outro erro comum, é acreditar que pode existir confiabilidade nos dados, sem que haja pontos de apoio no solo para que possam ser obtidos os relatórios de processamento e aerotriangulação, lembrando que o nível de confiança no projeto será dado pela comparação dos pontos de apoio com os pontos de check, para que se possa atestar a discrepância entre eles. Um outro mito, é acreditar que a aerofogrametria é mais precisa que o método topográfico tradicional. Com todos os ajustes a aerofotogrametria pode atingir acurácia centimétrica, enquanto o método topografíco atinge uma acurácia milimétrica.
	É preciso se ter um cuidade também com os dados obtidos. Pois não se pode gerar curvas de nível com o MDS, o Modelo Digital de Superfícia. Neste modelo, qualquer coisa acima do solo não é desconsiderada, assim copas de árvores, casas, e até mesmo, pessoas, podem prejudicar todo o trabalho topográfico. É preciso gerar o MDT, o Modelo Digital do Terreno, que vai fornecer uma amostra apenas do solo, desconsiderando qualquer coisa acima dele. 
	Mas as principais revoluções provocadas por este método, está noa fato de que ele dinamiza o trabalho, reduz os custos, e o tempo de obtenção de dados. A operação em campo pode ser realizada por uma só pessoa, ao invés de toda uma equipe de topografia. Ele chega aonde seria de difícil acesso para equipes chegarem a pé. 
	A aerofotogrametria com drones mostra ser capaz de fornecer mais detalhes que a topografia convencional. Em um teste comparando os dois métodos, foi obtido 628 pontos através da topografia em solo, contra 1.000.000 de pontos gerados pelos drones. Enfim, se trata de uma revolução tecnológica.
Figura 5 - Pontos coletados por topografia em solo
Figura 6 - Pontos coletados por drones
Referências Bibliográficas
BORGES, R. O. et al. Utilização de drones de pequeno porte como alternativa de baixo custo para caracterização topográfica da infraestrutura de transportes no Brasil. Brasil: DNIT. Disponível em: <http://www.cartografia.org.br/cbc/trabalhos/4/635/CT04-138_1506813983.pdf> Acesso em: 19 de out. 2018. 
BRASIL. Divisão de Sensoriamento Remoto, Coordenação-Geral de Observação da Terra. LIDAR. Disponível em: <http://www.dsr.inpe.br/DSR/areas-de-atuacao/sensores-plataformas/lidar> Acesso em: 19 de out. 2018.
CERELLO, Rodrigo Craig. Construção e desenvolvimento de sistema de aeronave remotamente pilotada como ferramenta de sensoriamento remoto para aplicação em perícias de extração mineral. Belo Horizonte, 2014. Disponível em: <http://www.ibram.org.br/sites/1300/1382/00005694.pdf> Acesso em: 19 de out. 2018.
CUCOLO, Fabiano. Topografia de baixo custo com Drones. 2016. Disponível em: <https://mundogeo.com/blog/2016/05/02/artigo-topografia-de-baixo-custo-com-drones/> Acesso em: 18 de out. 2018. 
DOMINGUES, F. A. A. Topografia e astronomia de posição para engenheiros e arquitetos. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1979. 
NETO, Manoel Silva. Topografia com drones: Mitos e Verdades. 2016. Disponível em: < http://blog.droneng.com.br/topografia-com-drones-mitos-e-verdades/> Acesso em: 18 de out. 2018.
TEMBA, Plínio. Fundamentos da Fotogrametria. Belo Horizonte: UFMG, 2000. Disponível em: < http://csr.ufmg.br/geoprocessamento/publicacoes/fotogrametria.pdf> Acesso em: 18 de out. 2018.