A fotogrametria é o processo de medição com imagens. Estas podem ser imagens capturadas com uma ampla gama de dispositivos, incluindo drones, aviões e câmeras, para citar alguns. Estas imagens são usadas para gerar modelos precisos em 2D e 3D. Numerosas indústrias podem tirar proveito dessas reconstruções, desde segurança pública até inspeções industriais e agricultura.
As teorias e conceitos por trás da fotogrametria podem parecer complexas no início, e é por isso que criamos uma lista das 10 principais coisas que achamos que você deve saber para quando usar a fotogrametria. Elas são:
- Geometria
- Radiometria
- Triangulação
- Parâmetros internos e externos
- Parâmetros iniciais e computados
- RTK & PPK
- Sistema de coordenadas
- Pontos de apoio
- Distância de amostragem do solo
- Medição de volume
Com esta lista, você pode compreender as ideias básicas por trás da fotogrametria, entender como funciona a tecnologia e estar pronto para aplicá-la em seu próprio campo!
Geometria
Geometria é um conjunto de características que usamos para definir o tamanho, forma, orientação e posição de algo. Estas informações podem ser reconstruídas e analisadas com software de fotogrametria. Então, como isso funciona? Uma fotografia captura a “colinearidade”. A colinearidade, em um nível básico, significa que pelo menos três pontos aparecem na mesma linha. Com a fotogrametria, consideramos essa linha como um raio de luz. Portanto, três pontos fundamentais estarão sobre este raio de luz, ou linha: um objeto, o ponto em que a câmera focaliza, e a imagem deste objeto no sensor da câmera.
Agora, com o software certo, você pode interpretar como os pontos que interceptam um raio de luz fazem parte de uma cena maior que foi capturada pela câmera. O comprimento e o ângulo da “linha” é afetado pela localização exata da câmera quando as fotos foram tiradas. O software de fotogrametria analisa o comportamento da luz e dos elementos colineares para recriar a geometria da cena. Para simplificar: nosso software de fotogrametria (PIX4Dmapper, PIX4Dfields, PIX4Dmatic, PIX4Dcloud, PIX4Dinspect) utilizará dados da câmera e das próprias fotos para gerar uma reconstrução geometricamente precisa de uma área do projeto.
Radiometria
A radiometria é um método de análise da radiação eletromagnética. É uma forma de medir como a luz interage com diferentes objetos, incluindo comprimentos de onda de energia que não são visíveis ao olho humano. Então, o que isso tem a ver com fotogrametria?
Sempre que você olha para um objeto, você vê luz de cores específicas refletidas de volta para você. Há mais cores do que você pode ver – nós só percebemos o que nossos olhos podem detectar. Por exemplo, quando você olha para as plantas, normalmente você vai ver uma predominância do verde. A luz verde é refletida pelas plantas porque elas não a utilizam quando absorvem a energia do sol. Com a radiometria, você pode medir como as plantas refletem essa luz – assim como as quantidades e variações de luz que não podemos ver a olho nu.
Para usar a radiometria na fotogrametria, você pode usar sensores e câmeras específicas que captam a luz infravermelha próxima, também conhecida como um sensor multiespectral. Estas câmeras analisam a luz de forma diferente de uma câmera padrão RGB (vermelho-verde-azul). Os dados dessas câmeras especializadas podem ser usados para a fotogrametria agrícola. Se você executar esses dados através de fórmulas especializadas, você pode criar um índice de vegetação. Este é um mapa 2D de um cultivo ou campo que analisa como as plantas refletem a luz. A forma como uma planta reflete a luz lhe informará sobre sua saúde, estágio de crescimento e se ela está sob estresse antes que você possa vê-la com seus próprios olhos. Graças a este método de usar drones e sensoriamento remoto, os agricultores podem usar a fotogrametria para aprender mais sobre sua cultura do que é visível para o olho humano.
Triangulação
As fotos coletadas para fotogrametria são 2D, e para muitas saídas – como modelos de superfície digital ou nuvens de pontos – precisamos converter esses dados para que possam ser utilizados em 3D. A triangulação é a técnica para criar medições de pontos em 3D.
A triangulação também é utilizada por nossos olhos. A ideia é que imagens tiradas de diferentes locais podem ser usadas para criar um modelo 3D, comparando as diferenças entre eles. Cada foto representa uma linha de visão diferente, e estas podem ser corroboradas com outras fotos para encontrar interseções entre os pontos. Como vimos com colinearidade e Geometria, é possível usar estes dados para medir distâncias, e adicionando sobreposição entre várias fotos, é possível usar a triangulação para criar um modelo 3D. Como resultado, a equipe de suporte da Pix4D recomenda reunir fotos com a quantidade apropriada de sobreposição para garantir que você tenha dados suficientes para criar um modelo 3D que seja preciso e não tenha lacunas.
Parâmetros internos e externos
Cobrimos a ciência básica por trás de como podemos converter fotos em modelos 2D e 3D. Para aproveitar esta tecnologia, você precisa ter uma ferramenta apropriada de coleta de dados fotogramétricos, como um drone ou uma câmera.
Cada câmera tem certas capacidades dentro de seu projeto. Estas especificações afetam como a câmera funciona – por exemplo, se ela tem ou não um obturador rolante. Os parâmetros incluem:
- Lente interna da câmera
- Posição do centro de projeção da câmera
- A matriz de rotação que define a orientação da câmera
Alguns desses parâmetros são internos à câmera (por exemplo, a lente da câmera) enquanto outros são externos, como a posição da câmera quando as fotos são tiradas. Ao processar as fotos com software de fotogrametria, estes parâmetros precisam ser definidos para garantir que sejam levados em conta durante o processamento. Isto garante a precisão nas saídas, pois o software irá adaptar suas configurações de processamento para corresponder à câmera utilizada.
Parâmetros iniciais e computados
Para garantir que possamos gerar reconstruções precisas, precisamos de algumas informações básicas sobre o equipamento utilizado para reconstruir a cena: a câmera (e, se relevante, o drone). A câmera pode ser definida por dois conjuntos de parâmetros. Em primeiro lugar, os parâmetros internos, têm a ver com a geometria da própria câmera. A forma como a câmera interpreta a luz é específica para a câmera e afeta o processamento de imagens para uma reconstrução 3D. Por outro lado, os parâmetros externos definem a posição e a orientação da câmera quando ela capturou as fotos.
Em um mundo ideal, essa informação estaria disponível a partir do momento em que uma imagem fosse capturada através de metadados, mas nem sempre é precisa. Como resultado, um software de fotogrametria especializado reunirá todos os parâmetros iniciais de um projeto antes do processamento.
O software irá então otimizar esses parâmetros, ou computar um conjunto de parâmetros que representam com mais precisão a geometria, posição e orientação da câmera. Eles são alterados dos parâmetros iniciais para os parâmetros computados. Estas mudanças garantirão a precisão de um projeto. Quanto mais preciso for um projeto, mais aplicações ele pode ser usado. Se um modelo 3D for preciso dentro de poucos centímetros, ele pode atingir os padrões da indústria conforme definidos pelos órgãos de certificação, como o Bureau Veritas, e ser usado para grandes projetos de construção ou levantamento, ou mesmo em investigações legais para acidentes e reconstrução de cenas de crime.
RTK & PPK
Já mencionamos “precisão” algumas vezes. A precisão é uma das maiores preocupações da fotogrametria: como você garante que o modelo 3D que você criou é fiel à realidade? Existem vários métodos para isso, e eles se baseiam na geolocalização precisa – ser capaz de apontar exatamente onde você está na terra.
RTK (cinemática em tempo real) e PPK (cinemática pós-processamento) são métodos para medir e registrar dados geoespaciais. Ambos são tecnologias de correção GPS que coletam dados de localização, identificam erros e fazem correções durante ou após o levantamento.
O RTK tem lugar durante uma pesquisa ou voo com drone. Um drone ou ferramenta de coleta de dados, como o viDoc RTK Rover, terá um receptor GNSS RTK que reúne dados de satélites e se conecta a uma estação base local ou rede para reunir informações geoespaciais durante a captura de imagens. Estes dados são etiquetados nas fotos. As posições das câmeras são calculadas em tempo real com referência a uma estação base local. Os cálculos são usados para corrigir a posição da câmera se ela não for gravada com precisão, o que ajuda a trazer a precisão para dentro de dois ou três centímetros horizontalmente e verticalmente.
O PPK funciona sendo completado após a coleta de dados e pode ser usado na ausência de hardware com capacidades RTK. O drone escreve geocoordenadas em cada imagem com base no receptor GNSS do drone a bordo. Ao mesmo tempo, uma unidade base (como uma rede CORS ou uma estação base GNSS) também registrará informações posicionais. Estes dados são usados para determinar pontos de geolocalização e referências. O PPK pode ser usado se RTK não for uma opção ou se não houver pontos de ligação disponíveis, como em missões de mapeamento rápido ou missões de drone para resposta a desastres.
Ambas estas técnicas servem ao propósito comum de garantir a precisão de um projeto, mantendo-o preciso dentro de centímetros (se feito corretamente). Há algum debate sobre se o PPK ou RTK é melhor, e normalmente depende do projeto. Qualquer que seja o que você use, estas técnicas o ajudarão a criar resultados profissionais que podem ser usados para aplicações do mundo real, tais como topografia ou monitoramento de terrenos.
Sistemas de coordenadas
Um sistema de coordenadas é uma forma de organizar linhas ou curvas de referência para definir locais no espaço. Existem diferentes sistemas de coordenadas utilizadas em todo o mundo, já que alguns países têm o seu próprio sistema.
Uma pessoa usando um software de processamento de fotogrametria precisa definir qual sistema de coordenadas está usando antes de processar seus dados. Caso contrário, o software poderia interpretar os dados de geolocalização de forma incorreta e tornar as medições imprecisas ou mesmo distorcer as saídas finais.
Sistemas de coordenadas diferentes produzirão resultados ligeiramente diferentes após o processamento devido a variações entre sistemas. É por isso que é importante saber qual sistema de coordenadas você está usando ao coletar dados para que eles possam ser definidos no software durante o processamento e lhe dar resultados que mostrem corretamente onde você está – ao invés de confundir o local de seu projeto com algum lugar completamente diferente!
Pontos de apoio
Um ponto de apoio é um ponto comum a várias imagens que podem ser usados para conectá-las. Eles são pontos de ancoragem – um local onde a posição geográfica é absoluta. Há vários nomes para pontos de ancoragem (por exemplo, Pontos de Controle de Solo ou pontos de verificação).
Pontos de Controle de Solo, ou GCPs, são pontos com coordenadas conhecidas. São medidos com precisão com um receptor RTK ou PPK GNSS – ou um equipamento similar conhecido como estação total. Os GCPs são usados para localizar com precisão um projeto para dar-lhe uma reconstrução que seja fiel à realidade.
Os pontos de verificação são como os GCPs, mas não georreferenciam um projeto. Ao invés disso, são usados para avaliar a precisão geométrica do projeto.
Com GCPs e pontos de verificação, um agrimensor pode ter certeza de que suas saídas fotogramétricas são geolocalizadas corretamente e as medições feitas a partir do modelo 2D ou 3D serão precisas.
Distância de Amostragem do Solo
No tema contínuo da precisão vem a distância de amostragem terrestre, ou GSD na sigla em inglês. GSD é a distância entre dois centros de pixel adjacentes medidos no solo. É a forma como relacionamos as distâncias na tela com as distâncias na realidade.
Quanto maior o valor de GSD, menor é a resolução espacial da imagem. Isto significa que você tem menos detalhes.
Isto é bom se você estiver pesquisando uma paisagem enorme e quiser ter uma visão geral de uma área. Entretanto, se você estiver procurando elementos mais finos para uma investigação de colisão ou topografia detalhada, você pode querer um GSD menor para poder pesquisar no modelo de forma mais abrangente.
O GSD é determinado pela altura de voo e pelas especificações da câmera, incluindo a largura da imagem, a largura do sensor e a distância focal. Um GSD de 5 cm significa que um pixel na imagem representa 5 cm no chão de forma linear (o que significa que ele mostra 25 centímetros quadrados). Um GSD de 30 cm significa que um pixel é igual a 900 centímetros quadrados (ou 30 x 30 cm). A diferença é enorme. Um GSD menor pode ser alcançado voando mais perto do solo – mas resultará em um conjunto de dados maior e tempos de processamento mais longos. Os fotogrametristas profissionais adaptarão sua coleta de dados de acordo com o GSD que desejam.
Medidas de volume
Este pode ser um conceito familiar, ao contrário de alguns dos outros que listamos! Também pode ser um dos mais simples. Os volumes podem ser medidos de acordo com a base de um objeto em relação à sua altura ou profundidade. Eles podem ser medidos com PIX4Durvey, PIX4Dcloud, e PIX4Dmapper. Os dados podem ser coletados para medir volumes com o viDoc RTK rover ou com um drone. As medições de volume podem ser feitas com precisão com o software de fotogrametria.
A medição de volumes com fotogrametria é utilizada por profissionais da construção civil que trabalham em projetos que envolvem gerenciamento de estoques, bem como agrimensores ou operadores de segurança pública que precisam analisar o terreno. O uso da fotogrametria para medir estoques ou volumes economizará tempo e melhorará a segurança, pois poupa o agrimensor de ter que caminhar sobre uma pilha para medir o perfil do material. Ele elimina a necessidade de equipamentos manuais e pesados e pode até ser completado com voos com drones automatizados e uploads automáticos de dados para PIX4Dcloud. Todo o processo resulta em economia de tempo e dinheiro, trazendo um retorno direto sobre o investimento com o uso da fotogrametria.
Aprendendo mais sobre a ciência por trás da fotogrametria
Parabéns pela leitura até aqui! Alguns dos tópicos abordados neste post são altamente técnicos e podem não ser conhecidos se você é novo no setor. A fotogrametria é um dos métodos mais interessantes de medição e análise de dados. A boa notícia é que há ajuda se você precisar dela – nossa base de conhecimento Pix4D em nosso site de suporte está cheia de informações que informaram este artigo, e nossos instrutores especializados também podem fornecer lições para pessoas novas em fotogrametria e trabalhando com Pix4D.
Se você estiver interessado em aprender mais sobre fotogrametria e suas aplicações, confira o blog Pix4D para saber mais e siga-nos no Linkedin para ver as últimas notícias e casos de uso.
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