Fotografias digitais eram algo obtido somente pelos satélites orbitais Landsat e Spot. Hoje em dia fotografias digitais tomadas com câmeras digitais compactas ou SLRs são encontradas em um número cada vez maior de aplicações. Em um levantamento feito nos EUA e Europa em 2008, 27% dos entrevistados informaram que tinham entre 1.000 a 5.000 fotografias digitais e 11% responderam que possuíam mais de 10.000 fotografias digitais.
O georreferenciamento de fotografias digitais também era realizado somente para imagens geoespacias, aquelas obtidas por satélites orbitais ou sistemas aerotransportados. Porém, tem havido uma crescente demanda para georreferenciar fotografias tomadas com câmeras digitais. Em 2008, o popular site de compartilhamento de fotografias digitais flickr (www.flickr.com) relatou que mais de 2,5 milhões de fotografias georreferenciadas eram carregadas no site por mês.
O georreferenciamento de fotografias tomadas com câmeras digitais era um processo trabalhoso até a introdução pela Ricoh da primeira câmera digital com GPS em 2003. Até então, este processo era manual ou semi-automatizado. Nesses processos utilizava-se uma câmera digital mais um dispositivo de GPS. O georreferenciamento era feito manualmente ou através de um software capaz de sincronizar os dados de ambos os equipamentos usando o horário registrado pelos mesmos.
Fotografias digitais georreferenciadas estarão cada vez mais presentes em nossas vidas devido a grande demanda de informação e serviços baseados em localização geográfica. Cada vez mais fabricantes de câmeras digitais estão integrando receptores GPS em suas câmeras para automatizar o processo de georreferenciamento de fotografias digitais utilizando-se somente um equipamento. A Tabela 1 lista o desenvolvimento da integração de câmeras digitais com receptores GPS.
Tabela 1
A partir de 2007 também vemos o lançamento de vários pequenos dispositivos com receptores GPS, conhecidos como geotaggers (etiquetadores geo), que podem ser carregados por fotógrafos para posteriormente registrarem o posicionamento GPS de suas fotografias digitais com processo semi-automatizado como mencionado acima. Adicionalmente, em 2009 já ocorre o lançamento de módulos GPS fabricados por terceiros para algumas câmeras da Canon, Fuji e Nikon.
Assim como os diferentes dispositivos GPS utilizados para mapeamento e navegação tem vários níveis de acurácia de posicionamento (métrico, sub-métrico, etc.), os módulos GPS integrados as câmeras digitais também apresentam diferentes qualidades dos dados de posicionamento GPS. Este trabalho relata os resultados de um estudo para a determinação da acurácia do posicionamento GPS de duas câmeras digitais com receptores GPS integrados.
Câmeras Digitais com GPS
As duas câmeras digitais com GPS utilizadas neste estudo foram a Ricoh Caplio 500SE e a Nikon Coolpix P6000 (Figura 1).
Figura 1: Câmeras Ricoh Caplio 500SE (direita) e Nikon Coolpix P600 (esquerda)
A Tabela 2 abaixo sumariza as principais características das câmeras Ricoh Caplio 500SE e Nikon Coolpix P6000.
Tabela 2
1. SBAS (Satellite Based Augmentation Systems: WAAS, EGNOS ou MSAS): permite melhora dos atributos do sistema de navegação GNSS (Global Navigation Satellite System), como acurácia de posicionamento, confiabilidade e disponibilidade.
2. A recepção do GPS é claramente melhorada através do uso de uma Antena Ativa GPS Externa Auxiliar, particularmente quando o módulo GPS está em um local onde o céu não é totalmente visível ou dentro de veículos com proteção vitrificada.
3. Escrever dados de posicionamento GPS em WGS84/Lat-Lon, WGS84/UTM ou WGS84/MGRS na fotografia quando da tomada da fotografia apertando o botão de disparo. 3
4. Escrever orientação da câmera e atributos na fotografia quando da tomada da fotografia apertando o botão de disparo.
5. Visualização no monitor LCD da câmera simultaneamente com a visão da cena a ser fotografada.
6. Não possibilita visualização das coordenadas GPS no monitor LCD simultaneamente com a visão da cena a ser fotografada.
A Tabela 3 abaixo lista as especificações do GPS e da bússola digital da câmera Ricoh Caplio 500SE. A Nikon não publica as especificações do GPS da câmera Coolpix P6000.
Tabela 3
Metodologia
Acurácia é a proximidade entre o valor obtido experimentalmente e o valor verdadeiro na medição de uma grandeza física (Houaiss 2009). Neste estudo, o valor obtido experimentalmente são os dados de posicionamento obtidos pelo GPS das câmeras junto as estações geodésicas, e o valor verdadeiro são os dados de posicionamento GPS precisos relatados pelo IBGE para cada uma dessas estações geodésicas. A proximidade entre os dois valores, acurácia, é o cálculo da distância geodésica entre esses dois valores dos dados de posicionamento GPS.
A metodologia usada neste trabalho para fazer uma avaliação da acurácia do posicionamento GPS das câmeras foi determinar a distância geodésica pelo método de Vincenty (1975) entre as coordenadas de posicionamento (Latitude e Longitude) obtidas pelo GPS das câmeras junto a 29 estações geodésicas do IBGE (Estações Planimétricas – SAT), e as coordenadas precisas de posicionamento dessas estações relatadas pelo IBGE. A lista das 29 Estações Planimétricas – SAT visitadas durante este trabalho é apresentada abaixo na Tabela 4.
As coordenadas do posicionamento (Latitude e Longitude) obtidas pelos GPS das câmeras são armazenadas no cabeçalho da imagem no formato JPEG como etiquetas no padrão Exif 2.2 (JEITA 2002). A câmera Ricoh 500SE também tem a capacidade de armazenar os dados de altitude e azimute (orientação) da câmera como etiquetas no padrão EXIF 2.2, assim como escrever esses dados no corpo da imagem no ato da tomada da fotografia. Além desses dados, a Ricoh 500SE também pode armazenar até 10 dados de atributos para cada fotografia.
As coordenadas de posicionamento obtidas pelo GPS das câmeras são gravadas em WGS-84 Latitude/Longitude, enquanto as coordenadas de posicionamento GPS das estações geodésicas do IBGE são relatadas em SAD69 e SIRGAS2000 em ambos os sistemas de projeção Latitude/Longitude e Universal Transversa de Mercartor (UTM). Apesar de haver somente uma pequena diferença entre WGS-84 e SIRGAS2000, ambas coordenadas foram transformadas para WGS-84 Lat/Lon utilizando-se o software Geographic Calculator 7.3 da Blue Marble Geographics antes do cálculo da distância geodésica.
As coordenadas precisas do posicionamento GPS das estações geodésicas são relatadas pelo IBGE no relatório de cada estação.
Os dados de posicionamento GPS obtidos pelas câmeras Ricoh 500SE e Nikon Coolpix P6000 foram determinados posicionando as câmeras nas Estações Planimétricas SAT. As câmeras ficaram posicionadas nas estações planimétricas por alguns minutos para ocorrer uma estabilização do rastreamento dos satélites GPS e determinação das coordenadas de posicionamento.
As estações planimétricas visitadas foram materializadas no terreno através de marcos piramidais e pilares de concreto cilíndrico conforme padrões do IBGE (2008). Foi utilizado um tripé para centrar as câmeras nos marcos piramidais. As câmeras foram posicionadas no centro do dispositivo de centragem dos pilares de concreto. A Figura 2 ilustra como as câmeras foram posicionadas no caso de marco piramidal e pilar de concreto cilíndrico.
Figura 2: Posicionamento das câmeras em marco piramidal e pilar de concreto cilíndrico nas estações planimétricas SAT visitadas
Após visita a todas as estações planimétricas, foram extraídas as coordenadas obtidas pelo GPS das câmeras e calculado as distâncias geodésicas dessas coordenadas com as coordenadas das estações geodésicas. Também foi calculado a acurácia média para cada câmera. As operações de extração das coordenadas das câmeras e o cálculo da distância geodésica utilizando o método de Vincenty (1975) foram realizadas através de um software desenvolvido na linguagem C pela GeoDesign Internacional para este estudo.
Estações Planimétricas SAT do IBGE
Segundo o IBGE, o Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) é composto pelas redes altimétrica, planimétrica e gravimétrica. O SGB é formado pelo conjunto de estações materializadas no terreno, cuja posição serve como referência precisa a diversos projetos de engenharia (construção de estradas, pontes, barragens, etc.), mapeamento, geofísica, pesquisas científicas, dentre outros.
As Estações Planimétricas – SAT selecionadas para este estudo estão localizadas nos Estados de Minas Gerais, Rio de Janeiro e São Paulo nas regiões da costa, Vale do Rio Paraíba do Sul e Serra da Mantiqueira, tendo uma variação de altitude entre 4,34 a 1.237,36 metros. As estações estão situadas em planícies, áreas montanhosas e pequenos vales dentro da região de estudo.
A Tabela 4 abaixo lista alguns dados das Estações Geodésicas (Estações Planimétricas – SAT) do IBGE que foram visitadas durante este trabalho. Os relatórios do IBGE detalhando os dados de cada estação estão disponíveis através dos seus hiperlinks. A Figura 3 ilustra a distribuição espacial dessas estações.
Tabela 4: Estações Planimétricas – SAT visitadas
Figura 3: Localização das Estações Planimétricas – SAT do IBGE visitadas
Resultados
Os resultados mostram uma variação da acurácia de posicionamento GPS entre 0,38 a 4,84 metros para a Ricoh 500SE e de 1,26 a 432,41 metros para a Nikon Coolpix P6000. A acurácia média calculada é de 2,53 metros para a Ricoh 500SE e de 24,80 metros para a Nikon Coolpix P6000. A Ricoh 500SE também apresentou uma diferença média na altitude de 5,38 metros. A câmera Nikon Coolpix P6000 não grava os dados de altitude. Os dados obtidos junto às 29 Estações Planimétrica – SAT do IBGE estão listados nas Tabelas 5-7.
Houve falha na recepção do sinal GPS da câmera Nikon Coolpix P6000 em quatro das fotografias tomadas junto às 29 Estações Planimétricas – SAT do IBGE, ou 13,8% de falha. Observa-se também que no decorrer deste trabalho foi tomado um total de 117 fotografias com a Nikon Coolpix P6000 ocorrendo falha na recepção do sinal GPS em 22 situações, o que corresponde a 18,8% de falha.
As Figuras 4-10 ilustram as fotografias tomadas com as câmeras digitais quando posicionadas em algumas das Estações Planimétricas – SAT do IBGE visitadas durante este levantamento.
Tabela 5: Resultados para a Ricoh Caplio 500SE – Distância geodésica
Tabela 6: Resultados para a Nikon Coolpix P6000 – Distância geodésica
Tabela 7: Resultados para a Ricoh Caplio 500SE – Diferença da altitude
Figura 4: Fotografia tomada com a Nikon Coolpix P6000 posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 91894, Usina Nuclear, Angra dos Reis, RJ
Figura 5: Fotografia tomada com a Ricoh 500SE posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 91636, Aeroporto de São José dos Campos – Prof. Urbano Ernesto Stumpf, São José dos Campos, SP
Figura 6: Fotografia tomada com a Ricoh 500SE posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 93652, Bananal, SP
Figura 7: Fotografia tomada com a Nikon Coolpix P6000 posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 91537, INPE, São José dos Campos, SP
Figura 8: Fotografia tomada com a Nikon Coolpix P6000 posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 91742, INPE, Cachoeira Paulista, SP
Figura 9: Fotografia tomada com a Ricoh 500SE posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 91818, Barragem Usina do Funil, Itatiaia, RJ
Figura 10: Fotografia tomada com a Ricoh 500SE posicionada na Estação Planimétrica – SAT No 93954, Escola Técnica LIMASSIS, Fundação Roge, Delfim Moreira, MG
Conclusões e Recomendações
Os resultados da acurácia de ambas as câmeras estão dentro dos valores esperados. A câmera Ricoh 500SE tem um módulo GPS com superiores capacidades do que aquele da Nikon Coolpix P6000 devido a sua melhor acurácia, baixo tempo para aquisição do sinal dos satélites GPS, confiabilidade no rastreamento do posicionamento em tempo real, e registro da altitude e orientação (azimute) da câmera.
As falhas da recepção do sinal GPS da Nikon Coolpix P6000 foram devido às condições ambientais quando da tomada das fotografias, como céu encoberto, obstrução topográfica e cobertura vegetativa.
Ambas as câmeras oferecem excelentes recursos de fotografia e suas imagens são da mais alta qualidade. A Nikon Coolpix P6000 apresenta uma resolução mais alta do que a Ricoh 500SE, 13,5 versus 8,3 Megapixels, respectivamente. Por sua vez, o corpo da câmera Ricoh 500SE é robusto e desenhado para trabalho de campo, sendo emborrachado, impermeável, e a prova de poeira e queda de 1 m em concreto.
A Ricoh 500SE pode ser utilizada em trabalho de campo baixo condições ambientais adversas para integrar fotografias digitais em trabalhos de mapeamento de grandes escalas. Devido ao recurso de escrever os dados de posicionamento GPS, orientação e atributos na imagem da fotografia no ato da tomada da fotografia, a Ricoh 500SE também pode ser utilizada para registro de fotografias para perícia porque esses dados são escritos pelo sistema fechado da câmera no ato da tomada da fotografia e não posteriormente através de softwares.
As fotografias digitais tomadas com a Nikon Coolpix P6000 devem ser empregadas em mapeamento de pequenas escalas e usos gerais nos quais não há necessidade de dados de posicionamento GPS de qualidade, como turismo, aventura, comércio imobiliário, dentre outros.
Reinaldo Escada Chohfi
GeoDesign Internacional
Rua Vila Peralta, 42
12607-040 – Lorena – SP
www.geodesign.com.br
reinaldo@geodesign.com.br
Agradecimentos
O autor deseja agradecer a GeoDesign Internacional (www.geodesign.com.br) e a T Tanaka (www.ttanaka.com.br) pelo fornecimento das câmeras digitais com GPS Ricoh 500SE e Nikon Coolpix P6000, respectivamente, utilizadas neste trabalho. Também gostaria de agradecer as seguintes instituições por terem facilitado o acesso as Estações Planimétricas – SAT do IBGE localizadas dentro de suas instalações:
• DER-RJ, Barra Mansa, RJ
• Escola Técnica LIMASSIS, Fundação Roge, Delfim Moreira, MG
• Estação de Tratamento de Água (ETA-1), Cruzeiro, SP
• Estação de Tratamento de Esgoto (ETE), COPASA, Caxambu, MG
• Estação Experimental de Ubatuba, Instituto Agronômico de Campinas, Ubatuba, SP
• Fazenda São José, Lorena, SP
• Furnas Centrais Elétricas, Barragem da Usina do Funil, Itatiaia, RJ
• Horto Florestal, São José dos Campos, SP
• Hotel Fazenda Bom Retiro, Quatis, RJ
• Infraero, Aeroporto de São José dos Campos – Prof. Urbano Ernesto Stumpf, São José dos Campos, SP
• Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), Cachoeira Paulista e São José dos Campos, SP.
Referências
Blue Marble Geographics 2009 Geographic Calculator 7.3 (http://www.bluemarblegeo.com/products/calculator.php).
Houassis 2009 Dicionário Eletrônico Houassis da Língua Portuguesa.
IBGE – Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) (http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/default_sgb_int.shtm).
IBGE 2008 Padronização de Marcos Geodésicos, Agosto (ftp://geoftp.ibge.gov.br/documentos/geodesia/pdf/Padronizacao_marcos_geodesicos_ago08.pdf).
JEITA 2002 Exchangeable Image File Format for Digital Still Cameras: Exif 2.2, JEITA CP-3451 (http://www.exif.org/Exif2-2.PDF).
Vincenty, T. 1975 Direct and Inverse Solutions of Geodesics on the Ellipsoid with Application of Nested Equations, Survey Review, XXII, 176, April, pp. 88-93 (http://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/inverse.pdf).