EBOOK
AEROFOTOGRAMETRIA
COM DRONES CONCEITOS BÁSICOS
AEROFOTOGRAMETRIA
COM DRONES CONCEITOS BÁSICOS
E B O O K P R O D U Z I D O E D I S T R I B U Í D O P O R H O R U S A E R O N A V E S L T DA DA TODOS OS DIREITOS RESE RVADOS É P R O I B I D A A R E P R O D U Ç Ã O T O TA TA L O U P A R C I A L D E S T E M A T E R I A L S E M A U T O R I Z A Ç Ã O
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INTRODUÇÃO
A aerofotogrametria já é uma velha conhecida da cartografia. Desenvolvida em 1903, até hoje esta técnica auxilia na geração de materiais cartográficos, cujos dados topográficos são obtidos por meio de fotografias aéreas da superfície terrestre. Inicialmente, as imagens eram capturadas com balões. Depois, os aviões e os helicópteros passaram a auxiliar neste processo. Atualmente, o mercado oferece aeronaves tripuladas, satélites e drones equipados com câmeras especiais, capazes de registrar dados para diferentes fins. Este ebook tem como objetivo informar como os drones estão inseridos dentro deste contexto, assim como suas principais vantagens e benefícios. Além disso, também iremos listar os principais pontos que garantem a precisão da coleta de dados, e quais são as
câmeras e sensores que podem ser utilizados durante o mapeamento aéreo . Ao final, você aprenderá como funcionam os drones e como operá-los , o que tornará seu trabalho mais eficiente e seguro.
O conteúdo dos capítulos a seguir destina-se a pesquisadores, engenheiros, topógrafos e todos os profissionais que utilizam a cartografia no seu dia a dia. A partir das tecnologias desenvolvidas pela Horus, nós esperamos otimizar o seu trabalho , uma vez que os drones podem complementar, ou até mesmo substituir o uso de outras ferramentas e tecnologias.
Boa leitura!
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ÍNDICE
1. Como a aerofotogrametria é feita hoje 2. Tipos de drones: escolha o modelo certo para a sua demanda 3. Conceitos de aerofotogrametria aplicados aos drones 4. Garantindo a precisão de dados 5. Entendendo os tipos de câmeras e sensores 6. Como funcionam os drones e como operá-los 6.1 Operando um drone 6.2 Observando as condições climáticas 6.3 Quais medidas de segurança devo tomar? 7. Adquirindo um drone Horus
1 . C O M O A A E R O F O TO G R A M E T R I A É F E I TA H O J E
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Nos primórdios da aerofotogrametria, o registro de imagens terrestres, marítimas ou aéreas de um território era realizada com balões. Mais tarde, este mesmo processo passou a ser executado com aviões e helicópteros, até chegar ao uso de satélites e VANTs. Mas, como funciona, exatamente, cada um destes processos?
No caso das aeronaves tripuladas , o plano de voo, ou seja, a definição da área a ser
mapeada, é criado analisando os recursos disponíveis, como plantas ou mapas da região onde o levantamento fotográfico será realizado. A aeronave, então, percorre linhas de voo paralelas entre si para gerar imagens sequenciais. Geralmente, cada imagem coletada representa horizontalmente 30% a 40% da imagem anterior, e de 60% a 80% no sentido vertical da aeronave. Sendo assim, são necessários vários voos até obter uma imagem de qualidade - e por isso este método é hoje considerado pouco vantajoso em termos financeiros.
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Nós também podemos coletar imagens para fins de fotogrametria a partir de satélites. Porém, para finalidades civis, as imagens capturadas com esta tecnologia nem sempre possuem uma qualidade satisfatória, pois a resolução é baixa (GSD médio de 30 cm/pixel). Outro ponto negativo é o tempo necessário para a coleta: um satélite pode levar meses para sobrevoar uma mesma região, além de depender de condições climáticas favoráveis.
imagem gerada por drone x imagem de satélite
Outra alternativa são os drones, que no Brasil também são conhecidos como VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados) e estão sendo cada vez mais utilizados para a captura de imagens aéreas. Assim como outros veículos e tecnologias móveis, os drones utilizam sistemas de GPS para sobrevoar a região que será mapeada. Há também aqueles que utilizam os sistemas RTK e PPK, responsáveis por corrigir o posicionamento do drone em tempo real ou após o voo e, assim, garantir a precisão dos dados. Em VANTs mais modernos, como é o caso das aeronaves da Horus, estes o sistemas RTK já vêm embutidos na aeronave e funciona automaticamente; enquanto o sistema PPK opera no software, após a coleta das imagens.
COMPARE AS PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE OS SISTEMAS GPS, RTK E PPK
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Para mapear um local com um drone, você fará a programação do voo pelo computador utilizando um software de planejamento. No caso das aeronaves da Horus, a decolagem, o mapeamento e o pouso são efetuados automaticamente. Depois do voo, os dados coletados poderão ser baixados no seu computador e, por fim, analisados na nossa plataforma de processamento de imagens.
O processamento das imagens oferece diversas possibilidades de produto final. A partir de modelos digitais, nuvens de pontos e ortofotos é possível obter informações sobre relevo, distâncias, tamanhos, alturas de objetos e volumes. O software de processamento de imagens disponibiliza diversas ferramentas que, com o seu uso, revelam novas funcionalidades à medida que os usuários identificam novas necessidades e aplicações durante os aerolevantamentos, ou seja, é uma tecnologia em constante evolução.
2 . T I P O S D E D R O N E S : E S C O L H A O M O D E L O C E R T O PA R A A S U A D E M A N D A
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Atualmente existem 2 tipos de drones no mercado: os modelos com asa fixa e os modelos multirotores. Os drones de asa fixa são como pequenos aviões. O sistema de lançamento, em geral, ocorre com o auxílio de uma catapulta, enquanto o pouso pode ocorrer de maneira linear ("de barriga") ou com a ajuda de um paraquedas. Este modelo geralmente oferece um maior tempo de voo, o que nós chamamos de autonomia. Os modelos Maptor RTK, Maptor Agro e Verok, por exemplo, oferecem 60, 80 e 120 minutos de voo, respectivamente. Os VANTs de asa fixa são mais indicados para áreas extensas.
Já os drones multirotores são geralmente utilizados em áreas menores. Funcionam como mini helicópteros: tanto a decolagem quanto o pouso ocorrem na vertical. Esta é a categoria mais popular de VANTs e são amplamente utilizados em produções de cinema, ações publicitárias, inspeções na área civil e até mesmo em atividades recreativas. Apesar disso, imagem ilustrativa da internet
o tempo de voo deste tipo de equipamento é menor: em média 25 minutos.
3. CONCEITOS DE AEROFOTOGRAMETRIA APLICADOS AOS DRONES
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Antes de realizar os seus primeiros voos, é necessário que você esteja a par de alguns termos que são empregados quando o assunto é levantamento de dados com VANTs.
São eles:
Resolução: é a limitação operacional de um sistema de sensoriamento remoto para produzir uma imagem nítida e bem definida. Resolução espacial: é a distância mínima entre dois objetos que um sensor pode distinguir no terreno.
GSD: O GSD (Ground Samplig Distance) é a distância entre os centros de dois pixels consecutivos medidos no solo. Quanto menor o GSD, maior é a resolução espacial e melhor é a qualidade da imagem, ou seja, os detalhes são muito mais ricos. Vamos explanar este conceito com um exemplo: um GSD de 5 cm significa que um pixel representa 5 cm no chão (25cm²). Mesmo em um voo com altitude constante, o projeto talvez apresente áreas com GSD diferentes. Isso ocorre devido ao relevo do terreno mapeado e pequenas variações no ângulo de captura de imagem da câmera. Contudo, os softwares de processamento de dados compensam estas variações e aplicam um GSD médio de todo o mapeamento. Sendo assim, o GSD está diretamente ligado à resolução da câmera utilizada e também à altura do voo.
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Com a câmera multiespectral parrot sequoia, o GSD do drone Maptor Agro é de até 2,7cm/pixel. No drone Maptor RTK, com a câmera RGB 20MP, o GSD é de até 2,3cm por pixel; enquanto no drone Verok, o GSD com a câmera RGB 42MP é de até 1,3 cm/pixel. Então, se você precisa captar imagens aéreas de alta qualidade, já sabe onde encontrar.
GSD: 1,3 cm/pixel
GSD: 4,5 cm/pixel
GSD: 10 cm/pixel
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Precisão: quando falamos em "aerolevantamento" existem dois tipos de precisão - a precisão geográfica e a precisão de medições.
Precisão geográfica/espacial: baseada em coordenadas geográficas de GPS, representa o espaço e os fenômenos que nele ocorrem. A precisão geográfica em VANTs, sem uso de RTK ou pontos de controle, costuma considerar uma margem de 1 a 3 metros de erro de posicionamento - vale ressaltar que utilizando-se de pontos de controle ou de RTK, a precisão se torna centimétrica.
Precisão em medições: essa precisão se refere aos cálculos feitos em cima dos materiais gerados. Por exemplo, dentro de uma ortofoto você pode medir o comprimento de uma pista de pouso. Ao realizar tal medição, a margem de erro é de centímetros, variando conforme o GSD do mapa.
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Sobreposição: as fotografias realizadas durante o aerolevantamento são sequenciais. Dessa forma é possível ajustar o índice de sobreposições dessas imagens, indicando o quanto de uma foto irá incidir, sobrepor a outra. Esse índice de sobreposição influencia na qualidade do mapa gerado, sendo que a porcentagem ideal costuma ser de 70% lateral e 80% frontal. SOBREPOSIÇÃO LATERAL
70%
SOBREPOSIÇÃO LONGITUDINAL
80%
Ortorretificação: tem como finalidade corrigir geometricamente a imagem, pixel por pixel, das distorções decorrentes do relevo, transformando a foto de uma projeção cônica para uma perspectiva ortogonal e, assim, mantendo a constância da escala em toda a imagem ortorretificada.
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Escala: é a característica mais informativa da imagem. Uma vez conhecida a escala de uma fotografia, pode-se descobrir várias outras informações relevantes como, por exemplo, a área total coberta na imagem. Calcular a escala de uma imagem é simples, desde que se saiba a altura do voo durante o registro das fotografias, assim como a distância focal da câmera utilizada. Outra forma de obter a escala de uma fotografia aérea é comparando a distância entre pontos escolhidos na foto - desde que esses pontos possam ser identificados num mapa de escala conhecida.
4. GARANTINDO A PRECISÃO DE DADOS
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Além dos termos apresentados no item anterior, há também conceitos que se referem especificamente à precisão de dados, que garantem a qualidade do material coletado e das análises que serão realizadas posteriormente.
Acurácia: um mapa pode ter alta precisão, mas não ser útil para o cadastramento urbano, pois suas coordenadas de latitude e longitude estão distorcidas do seu real valor. A acurácia, portanto, define o posicionamento geográfico mapa.
Para atingir a acurácia desejada é preciso utilizar métodos mais precisos para o geoposicionamento da aeronave. Em muitos casos, as fotos são georreferenciadas segundo o GPS de navegação do VANT, que possui um erro médio em geral de 3 metros. Desse modo, podemos concluir que um drone com alta precisão pode ter baixa acurácia.
Pontos de controle em solo, ou a adição de
tecnologia RTK dentro das aeronaves são alguns métodos que contribuem para aumentar a acurácia da área processada. Tais métodos estão presentes nos nossos produtos. Escolha aquele que mais se adequar às suas necessidades.
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Pontos de controle: são pontos de referência em solo, definidos com um GPS de alta precisão, que tem como intuito registrar as suas coordenadas exatas. Os pontos de controle devem ser identificáveis e visíveis nas fotografias. Podemos usar como referência alvos naturais ou artificiais, como marca de tinta no chão, por exemplo. Esta ferramenta é utilizada para aumentar a acurácia do mapeamento gerado pela aeronave no momento do voo, podendo diminuir para até três centímetros a margem de erro.
ponto de controle artificial
ponto de controle natural
GPS: funcionam como uma espécie de "mapa", ajudando a encontrar a posição atual do VANT ao calcular a velocidade da aeronave e a direção do deslocamento. Para fazer este cálculo, o GPS troca informações com satélites posicionados ao redor do Globo – e por isso o nome “Global Positioning System”, que significa Sistema Global de Posicionamento.
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RTK: o sistema RTK (Real Time Kinematic) faz correções nos dados coletados pelo GPS da aeronave em tempo real com precisão de centímetros. O RTK usa uma base de solo especial, que contém um GPS geodésico de precisão. Esta base registra o ponto onde ela está posicionada e serve como uma referência geográfica estática para o drone que está em movimento. Durante o voo, o sensor RTK, que está acoplado na aeronave, troca informações com satélites e com a base estática, corrigindo o posicionamento geográfico do VANT. Contudo, o sistema RTK convencional apresenta uma desvantagem: a perda de dados devido a oscilações de telemetria das aeronaves. Durante o voo, o sinal pode sofrer interferências, comprometendo os dados gerados pelo RTK. Até então o operador não tinha como recuperar esses dados, mas isso mudou.
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PPK: o sistema PPK (Post Processed Kinematic) é bastante similar ao RTK, mas não depende do link de telemetria, o que garante que todos os dados geográficos fiquem armazenados no computador de bordo da aeronave. Sendo assim, as informações coletadas podem ser processadas depois do voo. Logo, podemos dizer que o PPK funciona como um sistema redundante, de salvaguarda.
Sistema RTK/PPK: tanto o sistema RTK como o sistema PPK são sistemas de correção. Enquanto um melhora o georreferenciamento em tempo real, o outro realiza a mesma correção após o voo. Os drones da Horus possuem estes dois sistemas embutidos. Como funcionam automaticamente, você não precisa escolher entre um ou outro.
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5. ENTENDENDO OS TIPOS DE CÂMERAS E SENSORES
Ao adquirir um drone, é importante avaliar muito bem quais são as câmeras disponíveis no mercado. Isso porque são elas que fazem o registro da imagem. Cada tipo de câmera possui uma funcionalidade diferente, como veremos a seguir:
CÂMERA RGB: o sistema de cores RGB (red, green and blue / vermelho, verde e azul) está presente em todas as câmeras fotográficas convencionais - inclusive na câmera do seu celular. Estas câmeras geram fotografias como as que estamos acostumados a ver todos os dias, mostrando um objeto ou cena com suas cores reais. Em suma, a câmera RGB reproduz o que se vê a olho nu.
CÂMERA NIR: utiliza sensores que captam imagens com ondas do final do espectro vermelho e início do infravermelho. A partir deste registro é possível verificar o estado nutricional de uma área verde, por exemplo. A clorofila produzida pelas plantas no estado de fotossíntese emite infravermelho próximo. Quanto mais claras as regiões, mais “saudável” é a vegetação. Após o processamento das imagens capturadas pela câmera NIR, você poderá identificar espécies invasoras, assim como acúmulos de água. Estes dados são relevantes tanto para o controle ambiental quanto para o planejamento de cidades. imagem NDVI
imagem RGB
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CÂMERA MULTIESPECTRAL: como o nome já sugere, uma câmera multiespectral conta com múltiplos sensores e filtros de alta qualidade, deste modo, conseguem "ver" o que não é detectável a olho nu. Pode-se dizer que este modelo é similar a uma câmera NIR, porém, como ela possui mais de um sensor, cobre um espectro maior na banda do infravermelho, consegue analisar problemas mais específicos e em estágios menos avançados. Assim como as câmeras NIR, o modelo multiespectral consegue verificar acúmulos de água e espécies invasoras, além de encontrar minerais na superfície de um terreno e detectar melhor zonas térmicas. O sensor multiespectral usualmente trabalha entre 4 e 8 bandas da faixa do espectro, como mostrado na figura 1. Sendo essas faixas com larguras muito maiores do que as faixas dos sensores hiperespectrais. Isso faz com que os resultados de imagens multiespectrais obtenham resultados mais gerais, indicando o estado fenológico da planta, biomassa e deficiências em geral.
multiespectral
hiperespectral
6. COMO FUNCIONAM OS DRONES E COMO OPERÁ-LOS
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Muito bem!
Agora você já está familiarizado com os conceitos básicos de aerofotogrametria
aplicada ao uso de drones , já conhece os termos que se referem a precisão na coleta de dados e os tipos de câmeras que podem ser embarcados na sua aeronave Horus . Mas antes de decolar, é preciso entender como funcionam os drones, como planejar um voo,
como identificar as condições climáticas ideias para realizar o mapeamento e que medidas de segurança você deve adotar.
6.1 OPERANDO UM DRONE
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Os veículos aéreos não tripulados, chamados VANTs, são equipamentos orientados por GPS para fins profissionais, mais especificamente para obtenção de fotografias aéreas. No caso das aeronaves da Horus, nossos drones também possuem o sistema RTK/PPK, apresentados anteriormente neste ebook. Nossos VANTS operam automaticamente, sem a necessidade de um piloto. A programação é feita pelo computador, assim como o download das fotos capturadas. Para utilizar o seu drone, você deverá definir a área que deseja mapear no nosso software de planejamento. Esta informação é armazenada no piloto automático e gera um plano de voo que vai orientar a aeronave durante a operação. Geralmente, o lançamento da aeronave é feito com o auxílio de uma catapulta. Durante o lançamento, o piloto automático assume o controle do VANT e o direciona para o primeiro ponto programado. Ao chegar lá, ele se direciona aos pontos seguintes, até completar a missão e retornar para a área de pouso. Como vimos no item 5, cada drone possui uma câmera embarcada, que durante o voo registra fotografias em alta resolução da área pré-estabelecida para, num segundo momento, após o download e processamento das imagens, gerar mapas e ortofotos. Mas, como planejar o voo?
Ao acessar o software de planejamento, você escolherá e indicará na plataforma a área que deseja mapear. O mais importante nesta etapa é verificar a região com muita atenção e montar as orientações para pouso com extrema cautela. Os problemas com esses equipamentos são raros, mas quando acontecem geralmente são relacionados à má construção do plano de voo e, principalmente, as graduações de descida durante o pouso da aeronave.
6 . 2 O B S E R V A N D O A S C O N D I Ç Õ E S C L I M ÁT I C A S
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Um fator chave para realizar voos com drones e garantir uma boa coleta de imagens, é verificar a previsão do tempo para o local e data do voo. Para saber se as condições climáticas são ideais, verifique a direção e a intensidade do vento, a nebulosidade e a possibilidade de chuva. No dia do voo, confirme as previsões. O principal fator limitante, sem dúvida, é a chuva. Ainda não há um equipamento totalmente a prova d’água que permita a operação nestas condições. Outro fator é a nebulosidade ou a presença de nuvens baixas, já que quando o dia está chuvoso ou com nuvens muito carregadas há pouca iluminação natural,o que certamente compromete as imagens obtidas. Quando houver nuvens baixas, não recomendamos o voo, pois o drone pode entrar numa dessas nuvens e perder comunicação com a base. Também não recomendamos o voo em situações de baixa luminosidade. Em relação ao vento existem algumas controvérsias: os fabricantes costumam indicar nas especificações a velocidade máxima do vento em que o drone consegue operar. Porém, para a captação de imagens é recomendado que o vento não esteja acima de 30 km/h, do contrário, a operação pode ser comprometida. Na realidade, uma aeronave pode voar e resistir a ventos de até 60 km/h, mas nessas condições o voo não é recomendado porque o material coletado não será satisfatório.
6.3 QUAIS MEDIDAS DE SEGURANÇA DEVO TOMAR?
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Como toda nova tecnologia, os drones nos deixam empolgados! Mas, nem por isso devemos deixar a segurança de lado. Os VANTs podem oferecer riscos tanto para quem opera como para quem está próximo à aeronave - o que ocorre em qualquer atividade que envolva equipamentos mecânicos. Os drones exigem cuidados e devem ser utilizados seguindo as recomendações contidas no manual de instruções do fabricante. É de vital importância que o equipamento seja operado em condições climáticas favoráveis. Outro ponto fundamental é a área de pouso e decolagem, que deve ser afastada de edificações, pessoas e obstáculos. Como a maioria dos VANTs funcionam à bateria, os cuidados devem ser ainda maiores. Preste atenção para qualquer variação na textura ou forma e, se isso ocorrer, isole a bateria para observação, pois elas podem oferecer risco de explosão quando apresentam defeitos. Fique atento às regulamentações da ANAC, que garantem a segurança das operações com drones e padronizam os procedimentos.
7. ADQUIRINDO UM DRONE HORUS
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Agora que você já tem uma noção de como operar um drone e os cuidados que este equipamento necessita, você já pode pensar em adquirir o seu. No nosso site, você encontra uma série de materiais sobre nossos produtos e aplicações. Os drones Maptor Agro, Maptor RTK e Verok são os nossos mais novos lançamentos .
Peça mais informações ao nosso setor comercial. A Horus é uma empresa relativamente jovem. Em 2014 nós fundamos a nossa empresa em Florianópolis, Santa Catarina. Os nossos produtos são 100% nacionais e possuem tecnologias próprias, resultado de anos de pesquisa e desenvolvimento. E por falar em desenvolvimento, estamos sempre nos reinventando. Queremos oferecer as melhores soluções para a coleta de dados com drones, queremos lhe ajudar a prosperar. Além das nossas aeronaves, nós também oferecemos serviços integrados, como a plataforma de processamento de imagem, que facilita a experiência de quem já realizou um voo com um VANT, mas teve dificuldades para processar os mapas. Outra opção são os cursos e treinamentos que combinam teoria e prática para garantir que os equipamentos sejam utilizados com segurança. E se você tiver algum problema com o seu Drone? Fique tranquilo! Contamos com uma equipe de assistência técnica, pronta para lhe ajudar sempre que necessário. O nosso perfil inovador fez com que nos tornássemos rapidamente referência no mercado brasileiro de drones. Somos reconhecidos pela qualidade dos nossos produtos, pelo nosso suporte técnico e pelo ótimo relacionamento com nossos clientes. Para ter acesso a mais materiais da Horus, fique de olho no nosso site. Nosso próximo ebook será sobre os índices de vegetação, ajudando os produtores rurais a interpretá-los.
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