LIDAR: Tecnologia de Mapeamento com Laser

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO 
 
Apesar de o laser não ser uma nova tecnologia, sua utilização na aquisição de dados 
geográficos é relativamente recente. Seu uso em sistemas LIDAR (Light Detection and 
Ranging) vem demonstrando uma excelente capacidade para a aquisição de uma grande 
quantidade de informações, em pequeno intervalo de tempo. Ele é utilizado para fazer 
mapeamento das características e formas da Terra. 
A palavra LIDAR é uma abreviatura da do inglês "Light Detection And Ranging" e 
representa os sensores remotos usados na produção cartográfica que empregam como fonte de 
energia um raio laser que opera na região do Espectro Eletromagnético do ultravioleta ao 
infravermelho distante (FRANCO, 2006). 
Esse é um sistema ativo de sensoriamento remoto utilizado para medir a distância 
entre o sensor e a superfície de estudo. Através da velocidade da luz, o tempo armazenado é 
convertido em distância, e quando associado às informações de posicionamento 
(GPS/INERCIAL) obtêm-se as coordenadas 3D. A tecnologia LIDAR pode ser empregada 
em plataformas do tipo móvel ou fixa, de acordo com a finalidade do mapeamento. Seu 
funcionamento baseia-se na utilização de um feixe de laser emitido em direção aos objetos. A 
palavra Laser é uma abreviatura, representando as iniciais da frase "Light Amplification by 
Stimulated Emisson of Radiation" (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação), é 
simplesmente um conversor de energia em que aproveita o processo de estimulação da 
emissão para concentrar certa parte desta energia em radiação de uma só freqüência, 
movendo-se em uma só direção (FRANCO, 2006). 
Esta capacidade de propagação em uma só direção permite gerar linhas retas perfeitas 
para alinhar objetos, determinar paralelismo, nivelar superfícies e controlar deslocamentos, 
entre outras aplicações (FRANCO, 2006). 
À distância (R) do sensor até a superfície é baseado no tempo de viagem do sinal (t) 
para cobrir o percurso com base na velocidade da luz(c) desde sua emissão até seu retorno 
depois de refletido em superfície, R = 1/2ct. Os Sistemas LIDAR, também chamados de 
sistemas de perfilamento a laser, depende basicamente da detecção de luz refletida em uma 
superfície natural ou artificial. Assim, esta reflexão depende das características desta 
superfície. O desvio de feixes de laser emitidos é de 10 a 20% em terrenos arenosos, de 30 a 
50% em vegetação e de 50% a 80% em coberturas metálicas de edifícios (FRANCO, 2006). 
A densidade espacial nominal destes pulsos de laser projetados na terra varia 
dependendo da taxa de pulsos, da altitude de vôo e da velocidade da plataforma, de modo 
geral grandes volumes de dados são coletados. Esses sensores hoje geram e discriminam de 
10.000 a 167.000 pulsos por segundo (FRANCO, 2006). 
Chuva ou nuvens muito densas entre o local perfilado e a aeronave, são consideradas 
interrupções físicas. Os fabricantes argumentam que os mesmos impedimentos para luz 
visível são os impedimentos para o perfilamento a laser, uma vez que se trata de luz dentro do 
espectro visível (FRANCO, 2006). 
O recurso de medição de mais de uma resposta (ecos) do feixe de laser permite num 
processamento posterior que se faça a distinção de objetos acima do solo. A intensidade do 
sinal de retorno é uma importante informação suplementar que pode ser vista como uma 
imagem em uma faixa muito estreita do comprimento de onda (infravermelho próximo), 
podendo contribuir bastante com os algoritmos da classificação, permitindo a separação da 
vegetação e de outros objetos e identificando o tipo de superfície que refletiu o sinal 
(AMGAA, 2003). O ângulo e a freqüência da emissão do feixe laser combinados com a altura 
de vôo e a velocidade da aeronave determinam a densidade e a distribuição dos pontos na 
superfície, a largura da faixa perfilada é proporcional ao ângulo de abertura do sensor e da 
altura de vôo (FRANCO, 2006). 
O sistema dispõe ainda de um receptor de GPS na aeronave que registra sua posição a 
intervalos fixos e outro receptor no solo provê a correção diferencial para a determinação de 
posição mais precisa (FRANCO, 2006). 
Os sensores ativos (sensores de varredura a laser ou radar) apresentaram-se como 
excelentes alternativas na produção de informação cartográfica, permitindo capturar dados em 
áreas onde outros sensores como os da aerofotogrametria apresentam dificuldades de 
visibilidade (FRANCO, 2006). 
A princípio o LIDAR foi usado somente na obtenção de Modelos Digitais de Elevação 
(terreno e superfície), porém sua grande vantagem frente à fotogrametria convencional é o 
mapeamento aéreo em áreas onde a imagem fotográfica não oferece o contraste e textura 
necessária, como por exemplo, regiões costeiras contendo largas faixas de areia. A tecnologia 
LIDAR é baseada nos mesmos princípios utilizados no sistema RADAR, com a diferença de 
que, ao invés do uso de ondas de radio para localizar os objetos de interesse, o sistema LiDAR 
utiliza pulsos laser. A tecnologia LIDAR foi inicialmente previsto para utilização em 
levantamento de dados para elaboração de Modelos Digitais de Elevação (MDE), em que os 
métodos tradicionais não eram suficientes, principalmente em áreas de difícil acesso 
(FRANCO, 2006). 
HISTORICO 
Sensoriamento remoto moderno baseado na tecnologia laser começou em 1970 
com esforços da NASA que trabalham com protótipos no ar para eventual implantação 
do sensor orbital. Estes esforços foram em grande parte destinado a propriedades da 
atmosfera e da água do oceano, dossel da floresta, e das camadas de gelo, e não para o 
mapeamento topográfico de medição. Esses usos científicos de LIDAR continuam 
evoluindo. As investigações científicas na Universidade de Stuttgart provaram a alta 
precisão geométrica de um sistema de perfis a laser, mas naquela época (meados de 
1980) a falta de um GPS / IMU solução comercial confiável para o posicionamento do 
sensor apresentou um obstáculo significativo para o desenvolvimento (THE 
PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY, 2014). 
A demanda por sistemas de GPS / IMU para uso em aerofotogrametria 
impulsionou o rápido desenvolvimento das tecnologias de georreferenciamento direto. 
A gama de satélites GPS que possuem configuração completa fornecem a cobertura 
necessária para as operações generalizadas. Unidades de medição inercial de alta 
precisão tornou-se disponível. Em meados da década de 1990, os fabricantes de scanner 
a laser estavam entregando sensores LIDAR capazes de 2.000 a 25.000 pulsos por 
segundo para clientes comerciais que pretendem utilizá-las exclusivamente para 
aplicações de mapas topográficos. Embora primitivo pelos padrões de hoje, estes 
instrumentos no final da década de 1990 foram robustos o suficiente para validar a 
crescente crença na tecnologia LIDAR como o “caminho do futuro.” Sistemas LIDAR 
daquela época já estava entregando conjuntos de dados extremamente densos, os dados 
que nunca poderiam ser alcançados pelo levantamento terra ou fotogrametria. A 
comunidade de usuários geoespacial tornou-se extremamente interessado em dados 
LIDAR, não só pela sua capacidade de mapear a superfície terra nua, mas também pela 
sua promessa para extração de características (edifícios e estradas), como caracterização 
do dossel da floresta (THE PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY, 2014). 
Quando os dados LIDAR foi apresentado à comunidade o mapeamento, os 
dados do terreno e de recursos de alta resolução geralmente eram produzidos utilizando 
a fotogrametria. O radar, embora muito eficiente para grandes áreas, a única capacidade 
sua é de penetrar a cobertura de nuvens, além de caro para mobilizar ele exige 
conhecimentos especializados para o processamento e interpretação dos dados. O radar 
também possui certas limitações para medir as elevações de terra sob dossel da floresta. 
A cobertura do solo de um sensor LIDAR aerotransportado é muito semelhante ao de 
uma câmera aérea tradicional. O LIDAR tambémé capaz de "ver" entre as árvores em 
áreas florestais, onde os técnicos fotogramétricos têm dificuldade em interpretar a 
elevação do terreno. LIDAR apresentado um método rápido, preciso e direto de geração 
de dados em 3 dimensões, por isso, como o custo de instrumentos e serviços 
estabilizado, tornou-se rapidamente uma solução de mapeamento muito atraente (THE 
PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY, 2014). 
A demanda para os conjuntos de dados caracteristicamente densos do LIDAR 
acelerou rapidamente, no entanto, os software CAD e GIS no início de 2000 não foi 
capaz de processar de forma eficiente tais volumes de dados. O início dos anos 2000 foi 
marcado por rápidas melhorias nos sistemas de processamento de dados e arquitetura de 
TI de apoio necessários para lidar com os terabytes de dados que estão sendo 
produzidos pelo scanner. Este período pode ser caracterizada por: 
 Scanners robustos, estáveis e capazes de coletar mais de 50.000 pulsos 
por segundo. 
 GPS no ar confiável e sistemas de medição inercial para 
georreferenciamento consistentemente preciso. 
 Captura e processamento de intensas medições do LIDAR (reflectância), 
que poderia ser usado para gerar imagens de varredura. 
 Melhoria do manuseio de dados de pontos pelo GIS e CAD. 
 Criação de software específico para processamento dos dados bruto do 
LIDAR. 
 Novas empresas que se especializam na coleta e processamento de dados 
do LIDAR, como o mapeamento de alta precisão da linha de energia. 
 Infraestrutura de TI, incluindo processadores mais rápidos, 
processamento distribuído e maciço, mas acessível, soluções de armazenamento. 
Como a demanda por dados LIDAR cresceu, assim como a necessidade de 
diretrizes, especificações técnicas e padrões de precisão. Entidades governamentais 
norte-americanas, especificamente FEMA , o US Army Corps of Engineers (USACE), 
USGS e o Federal Geographic Data Committee ( FGDC ) desenvolveu normas para a 
garantia da qualidade e precisão de relatórios. As associações profissionais, tais como as 
International and American Societies for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS 
e ASPRS), desde locais para a troca rápida de ciência e pesquisa aplicações baseadas no 
uso de dados LIDAR em muitos domínios de aplicação. Embora não existam normas 
públicas ainda disponíveis para os dados LIDAR ou produtos derivados, o ASPRS 
desenvolveu o Lidar Archive Standard (LAS), para troca de dados binário de dados 
LIDAR, que tem sido amplamente aceito pelos fabricantes de sensores, desenvolvedores 
de software e os usuários finais (THE PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY, 
2014). 
 
O LIDAR vem demonstrando grande potencial em diversas áreas de aplicação, tais 
como planejamento, tais como: planejamento costeiro, avaliação de riscos de inundações, 
telecomunicações e redes de transmissão de energia, florestas, agricultura, petróleo, 
transportes, planejamento urbano, mineração, avaliação de danos após tempestade na praia, 
mapeamento das camadas de gelo da Groelândia, entre outros. 
O LIDAR pode ser utilizado para: obtenção de perfis de superfície da linha costeira e 
dunas com pouco relevo; áreas úmidas e alagadas onde nenhum ponto em terra pode ser 
instalado devido a acesso restrito; áreas da floresta onde a cobertura da vegetação impede a 
visibilidade do solo nas fotografias; no planejamento de estradas e linhas de energia onde o 
mapeamento e feito em corredores estreitos; e operações de abertura de áreas de mineração 
onde os dados finais devem ser coletados dentro de poucas horas (GREEN et al., 1996 apud 
Franco, 2006). 
 
PRINCÍPIOS E COMPONENTES DE FUNCIONAMENTO 
 
O principio de funcionamento do sistema de varredura laser consiste na emissão de um 
pulso laser de uma plataforma (aérea, terrestre ou orbital) com uma elevada frequência de 
repetição. O tempo de retorno dos pulsos laser entre a plataforma e os alvos é medido pelo 
sensor, permitindo a estimativa destas distâncias (Baltsavias, 1999; Wagner et al., 2004 apud 
GIANGO, 2010). 
O sistema LIDAR apresenta sua própria fonte de energia, neste caso, uma fonte de luz, 
o laser, a qual emite radiação eletromagnética em ondas curtas (1-10 µm) sendo sensível as 
perturbações atmosféricas (Andersen et al., 2006 apud GIANGO, 2010) e assim, é 
considerado um método direto na captura de dados e classificado como um sensor ativo. 
Os componentes que integram o sistema de varredura a laser são: 
Plataforma 
Originalmente esses sensores foram empregados em plataformas orbitais, onde se 
dificultava a captura do sinal refletido devido à alta dispersão do mesmo considerando a 
grande distância do sensor. Por este motivo, o sensor a Laser foi empregado para estudar 
outros fenômenos. Nos últimos anos se empregou esta tecnologia a bordo de aeronaves, 
apresentando resultados interessantes do ponto de vista cartográfico, ao poder captar centenas 
de pontos por segundo sobre a superfície em estudo, gerando uma estrutura de dados que 
descrevem o relevo da superfície estudada. 
Essa aeronave tem uma abertura, mesma das aeronaves preparadas para coberturas 
aéreas, no fundo onde o laser é direcionado diretamente para o solo ou embarcado num 
helicóptero. 
A velocidade, altura de vôo e ângulo de abertura são preestabelecidos em programas 
de planejamento inicial do mapeamento, porém, os seus movimentos são descritos e 
posteriormente utilizados no tratamento dos dados. 
O perfilamento é feito no sentido transversal à direção de vôo com um ângulo de 
abertura especificado pelo operador. 
 Sistema de posicionamento - Receptores GPS+IMU 
O IMU é uma abreviação da expressão inglesa “Inertial Measurement Unit”, ou seja, 
Unidade de Medição Inercial. 
Estes são componentes fundamentais na exatidão do produto, pois permitem que o 
sistema execute com precisão o cálculo da posição da plataforma do sensor. 
Esta integração permite manter a autonomia dos sistemas inerciais para navegação 
com as modernas capacidades oferecidas pelo Sistema Global de Posicionamento. 
Os sistemas inerciais apóiam-se no princípio da inércia e na relação existente entre as 
acelerações e a posição. Usam-se acelerômetros e giroscópios para a determinação da 
velocidade e altitude do conjunto de sensores montados a bordo do avião, fornecendo os 
parâmetros de navegação da plataforma do sensor com um alto grau de precisão. 
No caso, no sistema GPS+IMU, a posição calculada dos receptores GPS (a bordo da 
aeronave e a estação Base) é ajustada com os parâmetros de variação detectados pelo sistema 
inercial, melhorando a precisão do posicionamento. O resultado final é um posicionamento 
obtido com uma sólida tecnologia inercial e com a elevada precisão do sistema GPS. 
Porém, no monitoramento da posição aeronave/sensor a orientação do IMU pode ser 
uma fonte de erro para o sistema, se não instalado corretamente. A indústria sugere 
rotineiramente entre 15 e 25 cm RMSE de exatidões resultantes da elevação sobre áreas sem 
florestas (por exemplo, concreto nivelado). 
Todo sensor LIDAR operacional é submetido a testes de desempenho sobre uma 
superfície ideal, tal como um telhado plano de edifício. Este teste ajuda a calibrar o sensor e 
também avaliar a exatidão horizontal e vertical sobre a superfície ideal e fornece uma visão de 
tendência dos dados reais coletados em aplicações rotineiras. 
No caso do GPS, um equipamento bem instalado na aeronave e uma estação no solo 
podem proporcionar uma qualidade na ordem do decímetro. 
 Scanner 
O scanner é responsável por receber a resposta de cada pulso, ou seja, os ecos ao 
serem refletidos pelos objetos presentes na superfície mapeada. 
Ele é composto por um dispositivo óptico de espelhos oscilantes e tem como função 
medir distâncias entre o sensor e os objetos presentes na superfície de estudo ao registrar e 
processar a diferença de tempo entre o sinal (pulso laser) emitido pelo sensor e a sua resposta 
depois de interagir com o alvo.Computador e tela para Visualizar a rota do vôo. 
O sistema dispõe de um computador a bordo da aeronave que lhe permite controlar os 
parâmetros obtidos no planejamento. No caso do sistema ALTM 3100 da empresa Optech 
Inc., o mesmo software de planejamento dispõe de uma variante para empregá-lo em tempo 
real, durante o vôo, observando as mesmas informações efetuadas ao momento do 
planejamento, mas integrando-o aos movimentos e direção da nave. 
Tanto o operador do sistema LIDAR, quanto o piloto da aeronave tem disposto em 
suas telas, dados do vôo segundo o planejamento efetuado, podendo ser alterado em função de 
fatores ambientais. Dentre esses dados, a existência de área sem cobertura de laser, os 
movimento da aeronave de forma que não exceda os valores previamente determinados, 
situação de comunicação dos satélites com o receptor GPS de bordo. 
O computador ainda armazena os dados do receptor DGPS, os relatórios de vôo 
(flightlog) que contém informações como velocidade da aeronave, altura de vôo, tempo de 
perfilamento, observações de tempo, entre outras informações descritas linha por linha de 
vôo. 
 
Difusão do LIDAR no mundo e no Brasil 
Em 2001 foi introduzida a técnica LIDAR em território brasileiro sendo ainda o 
primeiro sistema a ser adquirido na América do sul (Braudalise, 2001 apud FRANCO, 2006). 
De acordo com os dados compilados por Flood (2000) encontram-se em operação no 
mundo, 86 sistemas LIDAR, entre comerciais, de teste e de proprietários, e 83 destes estão 
associados a organizações privadas, governamentais ou de pesquisa. 
Os três maiores fabricantes são: Optech Inc (canadá), Leica Geosystems (Suíça) e a 
Top Eyed AB (Suécia); 
Uma boa parte dos sistemas LIDAR que são denominados sistemas proprietários, ou 
seja, são projetados, construídos e operados pelas próprias organizações comerciais usuárias; 
Dos sistemas em operação, 46 encontram-se na América do Norte (EUA e Canadá), 21 
na Europa, 12 na Ásia e apenas 4 na América do sul, sendo 3 no Brasil. 
 
Os modelos mais recentes no mercado são: 
- ALTM Gemini (Optech Inc.), mais recente lançamento com uma freqüência de 167 
kHz, - Falcon III (TopoSys GmbH), atinge acurácias de 0,10 e 0,20 metros horizontal e 
vertical. 
- ADS40 (LH Systems) lançado em 2006 no XIX congresso ISPRS em Amsterdam, 
Holanda. 
Padrões de classificação LIDAR 
A ASPRS (American Society of Photogrammetry & Remote Sensing) tem subcomitês 
que constantemente estão relatando estudo sobre os sistemas LIDAR, definindo normas 
específicas para calibração e tolerâncias de resultados encontrados, visando assim, contribuir 
para a definição de interpretações únicas para padrões de classificação desse sistema 
(FRANCO, 2006). 
Pesquisas confirmam que os olhos e pele são vulneráveis à radiação laser, sendo que a 
incidência nos olhos é mais grave que na pele e principalmente quando esses focalizam o 
feixe de laser a certa distancia, ou quando o feixe focalizado e refletido por uma superfície 
espelhada (FRANCO, 2006). 
As características que permitem avaliar qual risco estão sujeitos os seres humanos e 
animais expostos à radiação laser são: comprimento de onda, potência, duração e taxa de 
repetição. Porém, um sistema biológico qualquer só sofrerá danos se for capaz de absorver tal 
radiação (FRANCO, 2006). 
 
Aplicações LIDAR em florestas 
A tecnologia LIDAR tem um grande potencial para realizar medidas diretas e 
estimativas de variáveis dendrometrias (NILSON, 1996). As medições diretas obtidas dos 
dados LIDAR são as alturas do dossel da floresta, ou seja, a topografia das copas. 
Outras características estruturais importantes da floresta, como a biomassa da parte 
aérea, área basal e diâmetro podem ser obtidos por técnicas de modelagem e/ou estimadas a 
partir de medições diretas (DUBAYAH et al., 2000 apud GIANGO, 2010). 
A tecnologia LIDAR vem demonstrando ter grande potencial para a estimativa em 
extensas áreas florestais, principalmente em áreas de difícil acesso. 
Países como Canadá, Estados Unidos, Noruega, Finlândia, Suíça e Alemanha vêm 
liberando as pesquisas sobre aplicação de o sensor LIDAR na área florestal. 
 
 
Aplicações na agricultura 
A tecnologia de varredura a laser (LIDAR) pode ser utilizado para a detecção 
antecipada e controle de pragas na lavoura, aplicação seletiva e automática de defensivos 
agrícolas e cálculo de estimativa de produção. 
 
 
 
 
 
 
 
CONCLUSÃO 
O sistema de mapaemento LIDAR tem um alto potencial a ser explorado. É uma nova 
tecnologia com uma grande margem para futuros desenvolvimentos especialmente nos 
algoritmos de geração dos modelos digitais e nos componentes do sistema com maior 
capacidade de varredura permitindo avanços na capacidade de identificação e classificação de 
objetos. 
O método é capaz de alcançar, sem comprometer a precisão do sistema, pontos 
embaixo de árvores, desta forma permitindo a geração de Modelos digitais de terreno com 
bons resultados de precisão e acurácia. 
 
 
REFERÊNCIA 
 
AMGAA, Tsolmon. Wavelet-based analysis for object separation from laser 
altimetry data. Dissertação (Mestrado em Science in GeoInformatics) – ITC 
International Institute for Geo-information Science and Earth Observation, Enschede, 
Holanda, 2003. Disponível em: 
<http://www.itc.nl/library/papers_2003/msc/gfm/amgaa_tsolmon.pdf>. Acesso em: 7 de 
fev. de 2014. 
ENGEMAP. Aerolevantamento Digital e a Laser. Disponível em: 
<http://www.engemap.com.br/index.php/solucoes/aerolevantamento-digital-e-a-laser>. 
Acesso em: 9 de fev. de 2014. 
 
FLOOD, M., Commercial Develop of Airborne Laser Altimetry, ISPRS, USA, 2000. 
 
FRANCO, Tarcisio P. L. Uso do Sistema LiDAR na geração de MDT e sua exatidão 
cartográfica. Monografia (Especialização em Geoprocessamento) – UFMG Instituto de 
Geociências, Belo Horizonte, 2006. Disponível em: 
<http://www.csr.ufmg.br/geoprocessamento/publicacoes/TarcisioPeter.pdf>. Acesso em 
08 de fev. de 2014. 
 
GIANGO, Marcos et al. LiDAR: princípios e aplicações florestais. Pesquisa Florestal 
Brasileira, Colombo, v.30, n.63, p.231-244, ago./out. 2010. Disponível em: 
<http://www.cnpf.embrapa.br/pfb/index.php/pfb/article/viewFile/148/133>. Acesso em 
08 de fev. de 2014. 
 
MACIEL, Ariana de O. Aplicações: Mapeamento Móvel utilizando tecnologia LIDAR. 
In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO – SBSR, 15., 2011, 
Curitiba. Anais... Curitiba: INPE, 2011. p. 5455-5462. Disponível em: 
<http://www.ltid.inpe.br/sbsr2011/files/p0946.pdf>. Acesso em: 7 de fev. de 2014. 
 
NATIONAL GEODETIC SURVEY. Light Detection and Ranging (LIDAR). 
Disponível em: <http://www.ngs.noaa.gov/RESEARCH/RSD/main/lidar/lidar.shtml>. 
Acesso em: 7 de fev. de 2014. 
 
NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION (NOAA) 
COASTAL SERVICES CENTER. Lidar 101: An Introduction to Lidar Technology, 
Data, and Applications. Revised. Charleston, SC: NOAA Coastal Services Center, 
2012. Disponível em: <http://www.csc.noaa.gov/digitalcoast/_/pdf/lidar101.pdf>. 
Acesso em: 7 de fev. de 2014. 
 
THE PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY. History of Lidar Development. 
Disponível em: <https://www.e-education.psu.edu/lidar/l1_p4.html>. Acesso em: 7 de 
fev. de 2014. 
 
Zachary, H.; Waltermire, Robert G. Evaluation of light detection and ranging (lidar) for 
measuring river corridor topography. Journal of the American Water Resources 
Association (JAWRA), [S.I.], v. 38, n. 1, p. 33-41, fev. 2002. Disponível em: < 
http://www.gcmrc.gov/library/reports/GIS/Bowen2002.pdf>. Acesso em: 7 de fev. de 
2014.