Baixe Fotogrametria áerea e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity!
FOTOGRAMETRIA AÉREA
Professora Doutora Paula Redweik Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e Energia Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa 2007
Introdução Dado ser o principal campo de aplicação da Fotogrametria Aérea a produção cartográfica, os capítulos que se seguem focam em especial esta actividade, nomeadamente na fase de aquisição de dados primários, a qual é realizada primordialmente por meios fotogramétricos. Serão analisadas todas as fases da cadeia de produção cartográfica, desde as operações preliminares até à restituição da informação, passando pela análise das câmaras fotográficas aéreas e digitais. Serão ainda focados vários métodos de aquisição de dados primários para a elaboração de Modelos Digitais do Terreno e de Superfície.
de entrada (fotografia, imagem digitalizada) vai condicionar a precisão do produto fotogramétrico final.
1.3. Operações fotogramétricas preliminares
A base de todas as técnicas fotogramétricas para produção de cartas é composta por duas grandes fases que são o voo fotográfico e a determinação de pontos de apoio. Só após estas operações é que se pode passar à restituição do pormenor, por rectificação ou por estereorrestituição.
O esquema geral das operações preliminares é o seguinte:
VOO FOTOGRÁFICO
DETERMINAÇÃO DO
APOIO
1.4. Voo fotográfico
1.4.1.Definição do trabalho
Neste passo há que pôr em problema fotogramétrico a tarefa proposta (pelo cliente, pelo plano, etc.) Em especial interessa saber:
- área a levantar (localização e dimensões)
- disposição espacial da área,( região extensa bidimensionalmente ou uma tira ao longo de um eixo ainda que de orientação variável)
- tipo de representação que se pretende (carta gráfica, carta numérica, ortofoto digital ou em papel, modelo tridimensional do terreno, etc.)
- escala da representação (condiciona a escala da foto inicial e o tipo de pormenor a representar)
- precisão pretendida (planimétrica e altimétrica, determina métodos a utilizar, escala da foto e número de pontos de apoio)
- prazo de execução
- restrições ao voo (época do ano, vegetação, luminosidade, dimensão das sombras, zonas interditas.)
- outros aspectos relevantes para a restituição
1.4.2.Plano de voo
No planeamento do voo fotográfico há que decidir e considerar os aspectos seguintes:
Escala da fotografia – A escala deve ser escolhida ponderando dois aspectos opostos:
. o aspecto técnico, segundo o qual, para produzir uma carta a uma determinada escala, quanto maior for a escala da fotografia aérea melhor se identificam os pormenores do terreno e maior será a precisão das medições a efectuar. . o aspecto económico, segundo o qual, quanto menor for a escala da foto, mais terreno será abrangido por cada foto e serão necessárias menos fotos para cobrir a mesma área, o que significa economia de restituições e de pontos de apoio necessários.
Empiricamente estabeleceu-se a seguinte regra para determinar a escala da foto em função da escala da carta pretendida (von Gruber):
onde mf é o módulo da escala da foto, mc o módulo da escala da carta e c a constante da câmara utilizada em [mm]. A tabela seguinte mostra o módulo das escalas de foto em função do módulo das escalas de carta mais usuais para uma constante de 153mm. Na prática, devido ao facto de a atmosfera terrestre não ser totalmente transparente, e de a escalas menores corresponder uma maior altura da plataforma onde se encontra
mf = c mc
A sobreposição mede-se em percentagem da dimensão da fotografia quer na direcção de voo (sobreposição longitudinal ℓ ) quer na direcção perpendicular à do voo (sobreposição lateral q). É comum descrever a sobreposição longitudinal como a sobreposição entre fotos sucessivas e a lateral como a sobreposição entre fiadas sucessivas. O objectivo da sobreposição longitudinal é permitir a visualização tridimensional e a restituição estereoscópica, enquanto a sobreposição lateral tem principalmente a função de ser uma margem de segurança para evitar lacunas entre fiadas. Para efeitos de estereorrestituição é exigida normalmente uma sobreposição longitudinal de 60 % da dimensão da foto na direcção do voo e uma sobreposição lateral de 20 a 30 % da dimensão da foto na direcção transversal à do voo. Para efeitos de aerotriangulação para medições de alta precisão, voa-se com ℓ = 60% e q = 60% e fazem-se ainda fiadas na direcção perpendicular à principal com o objectivo de cada ponto do objecto poder ser medido num grande número de fotografias (até 18). Para cartografia sistemática, as direcções de voo preferenciais para as fiadas são Norte-Sul e Este-Oeste, mas qualquer outra direcção é restituível. Para efeitos de rectificação fotográfica, embora em teoria não seja necessária qualquer sobreposição longitudinal pois não se pretende usufruir da estereoscopia, os voos são geralmente feitos com sobreposições superiores a 70% para se aproveitarem para o produto final apenas as zonas centrais das fotos onde as distorções radiais devidas ao relevo e à altura dos objectos são menores. Normalmente são exigidas para este caso iguais sobreposições longitudinal e lateral.
Figura 1.4.2.2. Mosaico de ortofotos de quadrados centrais de fotografias
O valor da sobreposição longitudinal depende, ainda neste caso, da dimensão do lado do quadrado central da foto, lq, que se pretende aproveitar para a ortofoto. A base aérea toma-se, então, igual à dimensão do lado do quadrado central no terreno:
B = lq x mf
A dimensão do quadrado central depende da distorção radial admissível na orto, a qual por sua vez, depende directamente da variabilidade (amplitude) do relevo na zona coberta pela fotografia aérea (para zonas pouco acidentadas pode ser maior do que para zonas muito acidentadas ou com objectos elevados)
h cm
r h h
r r f
0
l q = r 2
r = distancia radial máxima do quadrado central ( = semi diagonal do quadrado) Δr = distorção radial máxima admissível na ortofoto (≈ erro de graficismo 0,2 mm no produto impresso) Δh = variação máxima de cota dentro do quadrado central ho = altura de voo sobre o ponto médio da foto. ℓq = lado do quadrado central
Existem vários critérios para a escolha da objectiva certa. Há tendência para usar distâncias focais maiores (cone de menor abertura -> menores distorções perspectivas) quando o objectivo da missão é: -fotointerpretação -cartas fotográficas -cartografar terreno com altas montanhas e vales profundos -cartografar cidades com prédios muito altos.
A tendência é para usar distâncias focais menores quando o objectivo é:
-aerotriangulação -reduzir custos de voo -voos panorâmicos -aumentar a precisão altimétrica (aumentando a relação base-altura)
As objectivas mais usuais na Fotogrametria são as seguintes:
objectiva abertura [grados] constante [cm] ang. estreito 33 60 ang. normal 62 30 ang. intermédio 85 21 grande angular 100 15 super grande angular 140 9
Tabela 1.4.2.2 - Constantes e aberturas de objectivas de câmaras analógicas - formato de fotografia 23cm x 23cm
Nas câmaras digitais não existe a possibilidade de alterar a constante da câmara, visto a imagem final distribuída ao utilizador ser uma construção analítica das imagens originais captadas pela câmara, à qual está associada um determinado valor de constante de câmara fictício. O formato da imagem final não é quadrado (rectangular ou em faixa) pelo que os ângulos de abertura da objectiva são diferentes na direcção do voo e na direcção perpendicular à do voo. As constantes e aberturas das câmaras digitais equivalentes às analógicas actualmente mais implantadas no mercado estão indicadas na tabela abaixo.
Câmara Digital c Abertura longitudinal
Abertura lateral ADS 40 62,5mm - 69 grad DMC 120mm 49 grad 78 grad UltraCam D 10mm 41 grad 61 grad
Tabela 1.4.2.3 – Constantes e aberturas de câmaras digitais
- Traçado de voo - O traçado de voo que vai determinar a rota a seguir pelo avião, depende directamente da forma do terreno a levantar fotogramétricamente. O objectivo é, sempre que possível obter fiadas rectilíneas de fotografias com determinada sobreposição entre si. Tanto o eixo da fiada como as margens superior e inferior das fotografias devem ser projectáveis como rectas no terreno.
-Se o terreno a levantar for uma área extensa aproximadamente rectangular, o avião deverá sobrevoá-lo em traçados paralelos, varrendo toda a área como ilustrado na figura.
Figura 1.4.2.5. - Traçado de voo em área de terreno rectangular
- Se a área a levantar apresentar um formato irregular, normalmente é subdividida em vários rectângulos de diversas dimensões e orientações, de modo a que o conjunto de todas as sub-áreas cubra toda a área pretendida. Dentro de cada rectangulo planeia-se o traçado de voo como no caso anterior.
-Se a área a levantar for apenas uma faixa estreita coberta em largura por apenas uma fiada de fotografias, por ex. ao longo de um rio, estrada, caminho de ferro ou faixa onde virá a ser implantada uma estrada ou caminho de ferro, o voo terá de ser constituído por vários troços rectilíneos mas de direcções variáveis, como ilustra a figura.
Figura 1.4.2.6. -Traçado de voo em faixa estreita de terreno
- Material fotográfico – O material que se deve utilizar para captação das imagens depende do objectivo a que se destinam as fotos e das condições em que deverá ser feito o voo. Nomeadamente a época do ano e a altura de voo terão influência na escolha da sensibilidade do filme e na utilização de filtros para a objectiva, a fim de compensar a luz celeste em voos muito altos, que piora o contraste das fotografias ( utilização de filtro amarelo). Interessa também definir se será utilizado filme pancromático ou colorido, de negativos ou diapositivos. Em geral, o filme pancromático proporciona imagens de melhor resolução geométrica e o filme colorido apresenta informação radiométrica mais diferenciada, o que facilita a interpretação do pormenor. Para as câmaras digitais não se pôe o problema de escolher a sensibilidade do material fotográfico, visto a captação de imagens ser realizada pelos sensores CCD que as integram, sendo a sensibilidade e a resolução geométrica possível características da câmara (sensor) e não do filme. É possível, no entanto, escolher entre a aquisição de imagens finais em tons de cinzento, a cores ou a infra-vermelho. As propriedades das imagens pancromáticas relativamente às coloridas são equivalentes às das imagens das câmaras analógicas.
Figura 1.4.2.7. Tipos de filme utilizados em Fotogrametria aérea
- Avião fotogramétrico- O avião a utilizar, caso haja hipótese de escolha, deve ser um aparelho que apresente poucas vibrações durante o voo. Em princípio qualquer avião onde seja possível perfurar a fuselagem inferior para montar uma câmara aérea pode ser transformado num avião fotogramétrico. Geralmente as firmas optam por aviões de pequeno porte que são mais económicos na manutenção. A considerar na escolha, se a velocidade mínima, a altura máxima de voo (tecto), o alcance máximo e a autonomia de voo satisfazem os requisitos do projecto.
Marca/modelo Num.Lugares Capacidade p/ combustível
Altitude máxima operacional
Velocidade horizontal
Alcance Autonomia de voo
Beach/King air 6-10 1170 ℓ 7800m 320km/h 2125km 6:10h De Havilland/ Twin Otter
22 1150 ℓ 8150m 258km/h 1200km 4:50h
Cessna 402 8 ~500 ℓ 7980m 180- 300km/h
640km 6:30h
Cessna 404 8 ~500 ℓ 7980m 200- 340km/h
1000km 10:00h
Tabela 1.4.2.4. Características de alguns aviões fotogramétricos
Figura 1.4.2.8. Exemplos de aviões fotogramétricos
Figura 1.4.2.10. Exemplo de mapa de voo (Cavaca e Sequeira, Relatório de Estágio)
- Orçamento -Ao plano de voo está normalmente associado um orçamento dos custos. Para efeitos de planeamento e de cálculo do orçamento considera-se o caso geral da cobertura de uma extensa área rectangular ( dimensões L x Q ) por fiadas paralelas, assumindo ainda o terreno plano e as fotografias rigorosamente verticais. Vejamos então como calcular as variáveis que nos permitem elaborar o mapa de voo e o orçamento.
Figura 1.4.2.11. Esquema do plano de voo
A- distância entre eixos de fiada B- base real:distância entre pontos de tomada de foto c- constante da câmara s1- lado da fotografia na direcção do voo (sem informações marginais) s2- lado da fotografia na direcção perpendicular à do voo h- altura acima do solo Z- cota do terreno Zo- altura absoluta do avião v- velocidade média do avião (durante a sessão fotográfica) L- comprimento de uma faixa ou do bloco Q- largura do bloco
1.4.3.Sinalização de Pfs no terreno
A sinalização aqui referida realiza-se antes do vôo pelo que é também conhecida por pré-sinalização. Trata-se da marcação no terreno de uma forma que se veja bem na fotografia aérea, de marcas cujos centros virão a ser coordenados no terreno pelo topógrafo. O objectivo dos PFs pré-sinalizados é proporcionar medições mais precisas de coordenadas foto pelo facto de ser inequivocamente identificável na foto o ponto cujas coordenadas terreno foram determinadas pelo topógrafo. Uma correspondência precisa entre ponto imagem e ponto objecto nos Pfs é essencial para a precisão da determinação da orientação externa da foto ou da orientação absoluta do modelo estereoscópico. A operação de pré-sinalização deve ter em conta os seguintes aspectos:
- localização das marcas
- forma das marcas
- dimensão das marcas
- material de marcação
- cor utilizada
Localização - a localização das marcas deverá ser planeada com base no mapa de voo da zona a levantar e deve satisfazer os requisitos para a distribuição geral e localização estratégica de PFs num bloco, a qual depende do objectivo a que o bloco se destina (tipo de aerotriangulação a utilizar, orientação par a par, orientação individual, etc). Cada marca deverá localizar-se em terreno plano, com boa visibilidade para cima e longe de objectos altos (edifícios, árvores, aterros) de modo a garantir a sua mensurabilidade em várias fotografias ( quanto maior o número de fotos onde um mesmo ponto é medido mais fiáveis serão as coordenadas terreno calculadas). Locais privilegiados para as marcas de PFs pré- sinalizados são as faixas de socorro de auto-estradas, passeios largos, parques de estacionamento, clareiras em florestas e prados.
Forma – As marcas são constituídas por:
- uma figura geométrica regular cujo centro geométrico constitui o ponto fotogramétrico própriamente dito (círculo, quadrado, triângulo equilátero)
- de uma a quatro faixas rectangulares irradiando da marca central cujo objectivo é facilitar a localização das marcas na fotografia aérea não as confundindo com qualquer outro objecto.
Figura 1.4.3.1. Marcas de pré-sinalização
Apenas o espaço disponível no terreno para a sinalização de cada marca é determinante para a utilização de uma ou de mais faixas identificadoras. Os Pfs sinalizados com três e quatro faixas identificam-se mais facilmente. Quanto à marca central, a experiência dita que o círculo proporciona leituras mais precisas de coordenadas na foto, pois em geral as distorções geométricas que o afectam permitem ainda assim uma identificação precisa do centro (o ponto coordenado), o mesmo já não acontecendo ao quadrado e ao triângulo. Estes últimos só deverão ser usados em voos de grande escala.
Figura 1.4.3.2. Marcação de PF pré-sinalizado (Cavaca e Sequeira, Relatório de Estágio)
Dimensões - As dimensões das marcas dependem da escala da cobertura fotográfica que será realizada. Em teoria, a resolução da imagem sobre a qual serão medidas as coordenadas foto é um critério de partida para determinar a dimensão da marca pré-sinalizada. Considerando d igual ao diâmetro do círculo central (ao lado do quadrado ou ao lado do triângulo respectivamente) como o único parâmetro variável em função do qual se constroi toda a marca, dever-se-á tomar d igual a um múltiplo ímpar da dimensão do pixel no terreno (normalmente de 3 a 5 vezes). O esquema seguinte sugere as restantes dimensões da marca de centro circular, que se podem adaptar às de centro quadradro ou triangular. Não só a resolução da imagem, como também o contraste local, a luminosidade e as próprias condições atmosféricas na altura em que é realizado o voo são fortemente determinantes para a boa visualização dos PFs pré-sinalizados na fotografia aérea e consequentemente para a precisão da sua medição.
