O principal objetivo deste trabalho, além de apresentar uma tecnologia recente e promissora para a coleta remota de dados geográficos, é a validação de seus produtos quando comparados com observações feitas por estações totais.
As aplicações da interferometria SAR (Radar Interferométrico de Abertura Sintética) são inúmeras, apresentamos aqui exemplos de utilização do Radar Aerotransportado da Empresa Orbisat da Amazônia: o Orbisar-1.
Desenvolvido com tecnologia nacional e disponível no mercado para aquisição, instalação e manutenção. Resultados da validação preliminar dos produtos: Imagens das bandas X e P e de Modelos Digitais de Terreno MDT e de Superfície MDS são também apresentados.
Usuários de Sistemas de Informação Geográfica (SIGs) sabem que embora exista uma enorme quantidade de dados geográficos disponíveis para a maioria das regiões do globo terrestre, estes dados, até certo ponto, podem ser considerados de baixa qualidade com relação a sua precisão e exatidão, resolução: geométrica, radiométrica e temporal e também a integridade de suas informações.
A escassez de dados de alta qualidade, na maioria das vezes está relacionada com a falta de investimentos e com dificuldades naturais, tais como: a existência de intensa e contínua cobertura de nuvens e densas florestas, principalmente nas regiões compreendidas entre os trópicos, por exemplo, a Região Amazônica.
Atualmente, entre os métodos clássicos, nenhum deles é capaz de eliminar estas dificuldades que ocorrem durante a coleta de dados geográficos, necessários às inúmeras aplicações.
Entre as tecnologias mais utilizadas, podemos citar os levantamentos topográficos e geodésicos, a fotogrametria clássica, o LIDAR: Light Detection And Ranging e a mais recente e promissora tecnologia de aquisição de dados terrestres por interferometria (InSAR).
Todos os métodos citados possuem restrições operacionais, porém, cada projeto pode melhor se ajustar a determinada metodologia dependendo das características de cada região e das necessidades específicas de cada aplicação.
A maior razão em se utilizar à metodologia InSAR é a sua capacidade em fornecer uma grande quantidade de informações, em qualquer condição atmosférica, como na presença de nuvens ou mesmo durante a noite.
O curto período de tempo necessário para a coleta de dados, utilizando o imageamento por radar aerotransportado, é uma outra atrativa vantagem de se empregar esta metodologia.
Nas aplicações de engenharia básica apresentadas neste estudo foi possível obter o aval dos usuários do radar aerotransportado Orbisar-1 na validação dos dados gerados por esta tecnologia. Para isso, comparou-se dados dos MDTs gerados pelo Orbisar-1 com levantamentos topográficos de estação total.
A validação dos dados altimétricos do radar foi feita e apresentada preliminarmente pelos seguintes parceiros: Companhia Vale do Rio Doce – CVRD, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, ELETRONORTE e o Exército Brasileiro: Diretoria do Serviço Geográfico – DSG – 4a Divisão de Levantamento.
O Orbisar-1 foi planejado e construído no Brasil em 2002. Desde então, a metodologia interferométrica SAR e o Orbisar-1 tem sido amplamente utilizada em vários projetos científicos.
Atualmente, a Orbisat está aprimorando o funcionamento do Orbisar-1 continuamente e resultados mais precisos e confiáveis estão sempre sendo alcançados.
Interferometria SAR
O termo interferometria é derivado da palavra interferência, que expressa um fenômeno resultante da interação entre ondas de qualquer tipo.
Interferometria SAR é basicamente um método que utiliza um par de imagens SAR no formato complexo, de amplitude e fase, para gerar uma terceira imagem complexa, chamada de imagem interferométrica, cuja fase de cada pixel, dita fase interferométrica, é formada pela diferença de fase entre os pixels correspondentes as duas imagens originais.
A fase de cada pixel da imagem interferométrica, durante o processamento, é relacionada com a elevação do terreno, correspondente a célula de resolução na superfície, possibilitando com isso a geração de um MDT.
Princípios básicos de um Radar de Abertura Sintética
O Radar de Abertura Sintética SAR é um sistema imageador ativo de visada lateral, que trabalha com sinais de radio na faixa de microondas. O princípio básico de imageamento SAR consiste de um radar instalado em uma plataforma aerotransportada (avião), como mostra a figura 01, ou orbital (satélite).
A figura 02 ilustra esquematicamente a cadeia de produção, desde a instalação do equipamento na aeronave até a etapa final de entrega dos produtos gerados, a seus clientes.
Produtos básicos gerados pelo Orbisar-1
Os principais produtos gerados pelo Orbisar-1 são os MDT e MDS e as imagens obtidas por meio das bandas P e X (figura 03). O exemplo abaixo é da região de Puraquequara – AM e representa a área de estudo do projeto da DSG, apresentado neste artigo.
Figura 1: Localização do Orbisar-1 no interior da aeronave e respectiva aeronave
MDS MDT
Imagem Banda X Imagem Banda P
Geração de Curvas de Nível
A geração das curvas de nível consiste no fatiamento do MDT em intervalos regulares, definidos pela escala final da carta. A figura 04 ilustra uma ortoimagem carta SAR com curvas de nível e outras feições cartográficas.
Figura 2: Diagrama da cadeia de produção dos dados de radar
Aplicações do Radar Orbisar-1
O campo de aplicações do radar aerotransportado Orbisar-1 para a coleta de dados geográficos é vasto. A cada dia, a comunidade cartográfica e seus usuários vislumbram a utilização desta metodologia como ferramenta potencial e relativamente viável para execução de seus projetos.
Podemos citar, além dos mapas topográficos (figura 05), os mapas temáticos (figura 06) e as ortoimagens carta de alta resolução. Mas, é a possibilidade de se obter dados de elevação da superfície que faz do MDS da Orbisat, o diferencial da empresa em relação a seus concorrentes.
A “diferença” altimétrica entre o MDT gerado pelas Imagens das bandas X e P e o MDS (Imagem da banda X), fornece informações que permitem calcular a quantidade de biomassa presente na floresta.
Esta informação é fundamental nos projetos que envolvem o monitoramento e a preservação ambiental de uma região (figura 07).
Outras aplicações na área de mineralogia, implantação de gasodutos e definição de áreas de preservação permanente, também estão utilizando a tecnologia InSAR.
O setor de geração e distribuição de energia elétrica também vem utilizando a tecnologia InSAR nos seus projetos de implantação de usinas hidrelétricas bem como nos seus Planos Básicos de Apoio – PBAs.
Figura 3: Principais produtos gerados pelo Orbisar-1
Validação dos produtos gerados pelo Orbisar-1
Resultados preliminares de validação dos dados altimétricos gerados pelo Orbisar-1, comparados com dados topográficos obtidos com estação total, foram cedidos por importantes usuários desta promissora e inovadora tecnologia.
A seguir, apresentaremos os resultados das validações realizadas pelas seguintes empresas e instituições federais, respectivamente: ELETRONORTE, Companhia Vale do Rio Doce CVRD, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE e Exército Brasileiro: DSG: ELETRONORTE: Gerência de Estudos e Projeto Civil em Usinas Hidrelétricas.
Figura 4: Ortoimagem carta colorida de uma região na Venezuela (Projeto Cartosur II)
Figura 5: Carta topográfica da Inglaterra
Projeto: UHE Tucuruí: Mapeamento por Radar nas Bandas X e P – Avaliação da Precisão do Método.
Autor: Habib Sallum.
Execução: agosto de 2004.
Objetivo: estabelecer as especificações dos serviços para elaboração das Curvas Cota x Área e Cota x Volume do reservatório, localizada no Rio Tocantins, com área mapeada de 6.500km², recobrindo todo o reservatório.
Figura 6: Carta de declividade do solo, gerada pela classificação automática de imagem.
Figura 7: Modelo Digital de Superfície – MDS
Etapas:
– Aquisição de dados topográficos a partir do Sistema de Radar Aerotransportado;
– Cálculo da área de cada curva de nível a partir da cota 72 m até a cota mínima visível no interior do reservatório, intervaladas de 1 m. O gráfico da figura 08 mostra a diferença altimétrica encontrada pela Eletronorte comparando o seu perfil topográfico (topografia) com o perfil obtido do MDT (radar).
A linha amarela representa os dados da topografia e a linha azul as altitudes destes pontos fornecidas pelo MDT. A maior diferença encontrada foi menor que 2 m. Na maioria dos pontos, a diferença foi ainda menor e esteve na faixa de 1 m.
A linha verde representa as altitudes encontradas pelo MDS. A informação da diferença altimétrica entre os valores do MDS e MDT pode ser utilizada para o cálculo de biomassa, caso seja pretendida.
Companhia Vale do Rio Doce – CVRD: Departamento de Gestão Ambiental e Territorial – DIAT.
Projeto: Paragominas. Autor: CVRD.
Execução: junho de 2005.
Objetivo: validar o MDT gerado por meio de Interferometria SAR na Imagem da banda P, comparando com dados levantados por Estação Total:
Figura 8: A diferença máxima de altitude (MDT Orbisar-1 x Topografia)
é menor que 2 m, escala 1: 5000. (fonte Eletronorte)
Na figura 09 estão representados os perfis topográficos e o gerado pelo MDT. A linha verde representa o perfil do MDT e os círculos brancos representam os pontos medidos por estação total. A diferença máxima foi de aproximadamente 2 m, em um só ponto, em um total de 23 pontos observados. Na média, esta diferença foi de aproximadamente 1 metro.
Exército Brasileiro: Departamento de Ciência e Tecnologia, Diretoria do Serviço Geográfico – DSG – 4a Divisão de Levantamento.
Projeto: Avaliação dos dados da Banda P na área do CIGS (Centro de Instrução de Guerra na Selva) e vizinhanças.
Autor: Pierre Moura.
Execução: setembro de 2000.
Objetivo: validar o Modelo Digital de Terreno – MDT gerado pelo radar (Imagem da banda P), comparando com dados levantados por Estação Total: Puraquequara – AM.
Figura 9: Gráfico comparativo cedido pela CVRD. (fonte CVRD)
A análise comparativa da diferença altimétrica encontrada entre o perfil topográfico gerado por 36 pontos levantados com estação total e o perfil derivado do MDT. Valores absolutos de 1,4 m para a média das diferenças e de 1,4 m de desvio padrão foram verificados.
A área onde os pontos topográficos foram observados é caracterizada pela cobertura de árvores e arbustos isolados e localizados ao longo de uma rodovia.
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE: Divisão de Processamento de Imagens – DPI.
Projeto: Comparação dos MDTs em área de Eucaliptos (resultados preliminares).
Autor: Fábio Furlan Gama.
Execução: início em 2004 e ainda em fase de testes.
Objetivo: validar o MDT e o MDS gerados pelo radar (Imagens P e X), comparando com dados de Estação Total.
Comparação de modelos
520
525
530
535
540
545
550
555
560
565
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Amostras do perfil
Altitude
DEM – P
DEM – X
Topografia
* Resultados preliminares *
Desvio do DEM-P em relacao à Topografia
-1,50
-1,00
-0,50
0,00
0,501,001,50537,5 538 538,5 539 539,5 540 540,5
Pasto
Eucaliptos
* Resultados preliminares *
Figura 10: Esquema utilizado para apresentar a verificação do MDT
da Orbisat em diferentes coberturas do solo. (fonte INPE)
Foram medidos 29 pontos com estação total e posteriormente comparadas às cotas com o MDT da área, o valor encontrado para os desvios entre as medições não passou de 1,4 m (figura 10).
As maiores diferenças foram encontradas na área de pasto. Na área coberta por eucaliptos a diferença foi menor, máxima de 1 m.
Conclusão
A validação preliminar dos produtos gerados pelo radar aerotransportado Orbisar-1, feito por importantes usuários, por meio de seus resultados comparativos, aponta como viável e promissor a utilização desta tecnologia por se mostrar uma poderosa ferramenta de captura de dados geográficos, em condições atmosféricas adversas e com ausência de luz natural.
Principalmente em aplicações de engenharia básica e em áreas cobertas por densa vegetação, onde se espera uma precisão plani-altimétrica do MDT compatível com as necessidades de cada projeto.
Everton V. Hemerly
Divisão de sensoriamento remoto e controle de qualidade Orbisat da Amazônia Ind. e Aerolevantamento S.A.
everton.valiati@orbisat.com.br
