Perfilamento a laser: A revolução de modelos digitais

"Nova" tecnologia traz vantagens na área de mapeamento

Sempre queuma nova tecnologia é empregada em substituição ou associada a um processo convencional, muitas perguntas ficam no ar. É justamente o que vem acontecendo com o perfilamento a laser ou, de acordo com a denominação mais abrangente da tecnologia, com o LIDAR.

LIDAR

Podemos começar com o acrônimo LIDAR, que deriva de "Light Detecting And Ranging". Mas qual o seu significado real ? De maneira geral, significa uma tecnologia que usa luz, especificamente uma luz de laser, para medir distâncias.

Trata-se de uma nova tecnologia? Não exatamente. O espectro eletromagnético vem sendo usado como suporte à medição de distâncias há mais de 50 anos em sistemas de medição. A diferença está na obtenção dessas distâncias a partir de plataformas aerotransportadas.

Sistema Inercial

Uma vez que um sistema laser é instalado em uma aeronave, a exatidão posicional instantânea dessa plataforma se torna um fator importante para a qualidade da medida dessa distância.

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Fig. 1 – IMU (Inertial Measurement System)

Antes do GPS, não havia um modo rápido, portátil e seguro de saber exatamente onde um objeto móvel estava em relação a um sistema de referência. A tecnologia inercial com uso de sistemas inerciais (IMU-Inertial Measurement Systems) para determinar a posição absoluta de um objeto é o meio mais apropriado para esse fim.

Esses sistemas consistem essencialmente de um par de giroscópios e acelerômetro. Com esses dispositivos, o sistema inercial registra o quão distante, quão rápido e para que direção um objeto se movimenta em relação a um ponto de referência (atitude). Enquanto a teoria básica é relativamente simples, conseguir que esse conjunto trabalhe com perfeita exatidão é muito mais difícil. Os sistemas inerciais são afetados por duas situações principais: a resolução das medidas angulares de inclinação e aceleração e a quantidade de medidas registrada pelo sistema por unidade de tempo.

Devido aos aspectos de incorporação a outros dispositivos como câmaras aéreas e sistemas laser, os sistemas inerciais são muito compactos e obter medidas aceitáveis das relações angulares exige um grau de qualidade construtivo elevado, o que onera esse dispositivo.

GPS

Resolvido o controle da medição inercial de um sistema, resta o problema posicional. Atualmente, é possível obter a posição submétrica de uma antena GPS instalada em uma aeronave. Se a antena está situada diretamente sobre o centro do emissor laser (ou centro ótico de uma câmara aérea), então é possível fornecer um posicionamento relativamente preciso do conjunto.

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Fig. 2 – Esquema perfilamento laser e GPS

A combinação do rastreio aerotransportado com o uso de uma base terrestre estrategicamente posicionada em relação ao conjunto da aeronave (raio de no máximo 50 km) fornecerá os dados necessários para um pós-processamento diferencial e garantirá a posição do conjunto laser dentro da qualidade de um levantamento GPS diferencial.

Laser

Laser é o acrônimo para "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" que pode ser traduzido operacionalmente numa freqüência específica de luz passando por um prisma para concentrá-la de tal maneira que mesmo uma fonte de luz relativamente fraca possa projetar-se a uma relativa distância com pequena divergência.

O sistema gera um pulso laser que, dependendo da superfície que atinge, é refletido (ou em parte absorvido) e esse retorno da luz refletida é registrado em um sensor. O emissor do pulso (diodo) gera essas pulsações de luz de maneira extremamente rápida (até 33.000 vezes por segundo), mas a velocidade de luz é tal que o sensor do receptor é sensibilizado pelo retorno do pulso antes que a próxima pulsação seja emitida. De uma maneira simplista, o tempo para o pulso emitido ir até a superfície e retornar após a reflexão, multiplicado pela velocidade da luz e dividido por dois, é a distância ao solo ou objeto a partir do sensor.

Porém, naquele instante , somente existe o registro simples de uma distância e sem os outros dois componentes (posição e atitude), isto é pouco significativo. Mas, se a posição instantânea (GPS) e atitude (sistema inercial) do sensor laser são conhecidas, então é possível calcular as coordenadas tri-dimensionais de cada pulso no solo ou na superfície onde o pulso foi refletido.

União dos Componentes

A união desses componentes é um sistema LIDAR aerotransportados que dependendo do seu tipo construtivo e de condições normais de operação, resulta em um dispositivo com qualidade de medição na ordem de centímetros.

Os sistemas inerciais podem diferenciar mudanças de atitude de 0,1º cujo efeito posicional é dependente da altura de vôo. Um receptor GPS aerotransportado instalado corretamente resulta em 5 a 10cm de erro. Agregando estes componentes e presumindo que alguns erros podem minimizar outros, os fabricantes garantem uma qualidade altimétrica de 20 cm (altura de vôo de 1.000m) para a componente vertical e 0,50 a 1,00m para a componente horizontal.

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Fig. 3 – Sistema LASER instalado em aeronave

No caso de necessidade de uma imagem no espectro visível, o acompanhamento de um sensor fotográfico é necessário. A maioria dos sistemas LIDAR usa uma câmara de vídeo digital acoplada ao conjunto, realizando um levantamento conhecido como videografia. Cada frame de vídeo está referenciado uma vez que registra as coordenadas GPS do sistema aerotransportado.

Processamento

Cada fabricante fornece um programa para processamento de dados laser com capacidade e funcionalidade distintos. Normalmente, promovem a remoção de dados irrelevantes para a modelagem de terreno.

Obviamente, se um sistema LIDAR está operando sobre uma mata densa, os pulsos retornados serão produto da reflexão na copa das árvores. No entanto, devido a aspectos construtivos, alguns sistemas diferenciam múltiplos retornos de um pulso. Assim, um pulso que atravessou uma cobertura vegetal e refletiu no solo pode ser diferenciado pelo sistema, estabelecendo uma condição única de identificação do modelo do terreno e da superfície (no caso da cobertura vegetal). Essa é uma vantagem indiscutível sobre os processos fotogramétricos convencionais que usam a correlação de imagem ou a captação de curvas de nível para modelagem de terreno.

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Fig. 4 – Remoção automática de cobertura vegetal

O resultado desse processamento é uma malha de pontos X,Y,Z densa o suficiente para derivar diversos produtos fotogramétricos: curvas de nível, mapas hipsométricos e declividade, modelos digitais do terreno ou de elevação, perfis de terreno e outros produtos altimétricos.

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Fig. 5 – Hipsometria

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Fig. 6 – Modelagem Urbana

Duas vantagens são marcantes em relação aos processos fotogramétricos convencionais. Devido às suas características de operação, o perfilamento a laser é menos influenciado pelas condições atmosféricas adversas como cobertura de nuvens e chuva. Como se trata de luz próxima do espectro visível, interrupções visuais do pulso são os únicos intervenientes no processo. Assim, dias menos ensolarados são até mais propícios para a execução de levantamentos LASER.

Outra vantagem é a rapidez na captação, ou seja, nas operações de campo e pós-levantamento. O processamento dos dados brutos independe de serviços adicionais, uma vez que são exclusivamente numéricos. Nos processos fotogramétricos, o uso de escaner e estações de trabalho são essenciais para a derivação de modelos digitais. No caso do perfilamento a LASER, o processamento dos dados brutos é a única atividade a ser realizada para a obtenção do modelo digital.

Laser e fotogrametria

Para alguns, o sistema laser é considerado com uma solução completa que inclusive substitui a fotogrametria. Exageros à parte, é prudente que os usuários dessa tecnologia interpretem o laser como mais uma ferramenta ou sensor que ajudará na solução de problemas específicos da fotogrametria ou da Engenharia.

Como as imagens de satélite, radar ou fotogrametria, o perfilamento a laser tem sua aplicação apropriada onde é economicamente viável. Pode fornecer resultados muito rápidos e precisos em diversas situações onde os métodos convencionais não se mostram apropriados.

Amauri Brandalise
amauri@esteio.com.br