Integração entre GPS e INS: um mecanismo poderoso para a coleta de imagens

A recente evolução dos sistemas digitais de aquisição de imagens e dos sensores para a orientação direta da câmara tornou o processo de mapeamento mais ágil e flexível, possibilitando o surgimento de aplicações que demandam "cartografia rápida". O monitoramento do meio ambiente e o gerenciamento de desastres naturais são exemplos de aplicações que requerem informações georreferenciadas com os requisitos de soluções rápidas, uma vez que necessitam de análises periódicas. O imageamento com câmaras digitais tem sido empregado principalmente nas áreas de Visão Computacional e Fotogrametria à curta distância. Em aplicações aéreas, o uso ainda é restrito a algumas aplicações, visto que as câmaras digitais, que equivalem em resolução às convencionais, baseadas em filme, possuem custos elevados e problemas com o gerenciamento da massa de dados. Os sistemas digitais baseados na abordagem tri-linear e na configuração modular de câmaras matriciais são exemplos de sensores de alta resolução, que ultrapassam a um milhão de dólares e possuem complexos softwares para o gerenciamento e o processamento das imagens. Nas câmaras digitais de médio e pequeno formatos há o problema de resolução limitada das imagens quando comparadas às câmaras aéreas baseadas em filme. Esta situação implica no aumento do número de imagens para recobrir uma determinada área no terreno com resolução adequada, aumentando a complexidade dos processos envolvidos, principalmente a determinação dos parâmetros de orientação exterior por aerotriangulação. Há um aumento excessivo do número de pontos de apoio e de passagem, tornando o processo antieconômico. Uma das maneiras de contornar este problema é determinar, de forma direta, os parâmetros de orientação exterior das imagens, integrando sensores de posicionamento por satélites e de navegação inercial durante a coleta.

Georreferenciamento direto da câmara

O georreferenciamento direto, ou orientação direta de imagens, consiste na determinação dos parâmetros de orientação exterior da câmara no instante de cada exposição fotográfica. Isso é possível mediante a integração entre os sistemas de posicionamento por satélites (GPS – "Global Positioning System") e de navegação inercial (INS – "Inertial Navegation System"). Fundamentalmente, o GPS é usado a bordo de aeronaves para a determinação das coordenadas dos CPs (Centros Perspectivos) da câmara durante as exposições fotográficas. O sistema inercial baseia-se em leis físicas para estimar continuamente a posição e atitude (rotação) da câmara durante a coleta de imagens. O sistema inercial é composto fundamentalmente por uma unidade de medida inercial (IMU) e uma unidade de navegação. A primeira é composta por três acelerômetros, três giroscópios (ou giros) e sensores auxiliares de calibração. Os acelerômetros e os giroscópios medem respectivamente as acelerações lineares e as razões angulares sofridas pela IMU em relação a um referencial inercial, definido antes da realização do vôo, quando a plataforma ainda encontra-se estável. Nestas condições, eles são calibrados para a estimação das variações de inclinações e desvios da câmara enquanto está no ar.

A integração entre os sistemas GPS e INS pode ser usada como uma ferramenta poderosa durante a coleta de imagens. O sistema inercial pode complementar o rastreamento do GPS, fornecendo as informações de posição e de velocidade quando há perda de sinal do receptor, ou mesmo quando a visibilidade dos satélites é insuficiente. Da mesma forma, a boa acurácia do posicionamento por GPS pode melhorar o desempenho do sistema de navegação inercial por meio da estimação do comportamento de seus erros intrínsecos ao longo do tempo. Estes erros estão relacionados ao problema da deriva de trajetória, inerente aos sistemas inerciais, e são modelados como desvios nos giroscópios e deslocamentos nos acelerômetros. A partir do método de filtragem Kalman, integrando as informações de posição provenientes do GPS, eles podem ser estimados e minimizados.

A função da integração entre os sensores GPS e INS é a orientação direta das imagens. Esta abordagem tem vantagens claras sobre o método indireto de orientação de imagens, baseado na aerotriangulação. O método convencional (indireto) necessita de uma infra-estrutura para a coleta de pontos de apoio em campo, além de tempo hábil para o processamento destes pontos e para o cálculo da orientação das imagens no processo de aerotriangulação. Além disso, dependendo da área a ser imageada, a coleta de pontos de apoio torna-se inviável.

Um fato importante a ser considerado na orientação direta de imagens é a necessidade de calibração acurada e recente da câmara, visto que o GPS/INS fornece medidas diretas da posição e orientação física da câmara durante a coleta. Conseqüentemente, quaisquer discrepâncias entre o modelo matemático adotado e a realidade física durante a formação da imagem causam erros na determinação de coordenadas de pontos no espaço objeto. Embora os sistemas para a orientação direta das imagens tenham custos elevados para as empresas de mapeamento, o georreferenciamento direto da imagem, durante a coleta pode ser vantajoso por inúmeras razões.

pag29 1 Orientação direta de Sensores Óticos Aerotranportados


Acurácia do georreferenciamento direto

O aprimoramento dos parâmetros de orientação exterior determinados de forma direta depende dos sistemas utilizados, conforme mostram alguns experimentos realizados.

Paralaxe do modelo formado

Considerando a qualidade da determinação dos parâmetros de orientação exterior pelos sensores GPS e INS, é importante salientar que o modelo fotogramétrico formado permanece com um efeito de paralaxe vertical residual. Esta paralaxe prejudica a visualização em estereoscopia da cena, dificultando a medição de pontos no espaço objeto e também os processos automáticos, como a geração de MDT.

Como uma alternativa para contornar o problema apontado, foi desenvolvida uma abordagem baseada no ajustamento dos parâmetros de orientação exterior estimados pelos sensores de orientação direta. A partir destes parâmetros ajustados, as imagens são normalizadas para tornar os eixos óticos das imagens paralelos e as feições homólogas confinadas a uma mesma linha nas imagens. Para verificar o efeito do tratamento dado aos parâmetros de orientação direta, segue um exemplo de como um modelo fotogramétrico coletado pela câmara digital fabricada pela Lockheed Martin Fairchild Semiconductors é apresentado. Na situação "a" o modelo encontra-se nas condições iniciais, ou seja, com os parâmetros de orientação exterior estimados pelos sensores GPS Trimble 4000SSI GPS e inercial Litton LN-100: acurácia de 0,3m para as coordenadas do CP e 1 para os ângulos de atitude da câmara. A situação "b" ilustra o modelo com os parâmetros de orientação exterior ajustados e com as imagens normalizadas.

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Antonio Maria Garcia Tommaselli
Pos-Doutorado na University College London, Gra-Bretanha.
Livre Docencia na Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho (UNESP).
Doutorado em Engenharia Eletrica. Na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).
Mestrado em Ciencias Geodesicas na Universidade Federal do Parana (UFPR).
Graduacao em Engenharia Cartografica.
e-mail: tomaseli@prudente.unesp.br

Roberto da Silva Ruy
Graduacao em Engenharia Cartográfica e Mestrado em Ciencias Cartogra.cas na Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho (UNESP).