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1. INTRODUÇÃO À
FOTOGRAMETRIA DIGITAL
1.1 FOTOGRAMETRIA – CONCEITO INICIAL
Para um leigo no assunto, fica difícil expressar com segurança o que vem a ser fotogrametria. Etimologicamente, a palavra “fotogrametria” vem a ser “ photon - luz, graphos – escrita, metron – medições”, ou medições executadas através de fotografias. Muitas abordagens e discussões para o tema foram desenvolvidas ao longo do último século, tornando tal assunto confuso para aqueles que estão tomando um primeiro contato com o mesmo. Entretanto, o consenso geral define tal termo, a grosso modo, como a ciência e tecnologia de se obter informação confiável , através de imagens adquiridas por sensores.
Ciência – pois utiliza-se de métodos científicos para o estudo do funcionamento dos processos de captação da energia eletromagnética e análise dos registros advindos dos mesmos. Tecnologia – uma vez que lança mão do estado da arte da tecnologia para tornar tais processos mais rápidos e eficazes para os usuários. Informação confiável – seja ela sob a forma de um mapa, lista de coordenadas, modelo tridimensional ou qualquer outro modo de representação geometricamente classificado dentro de tolerâncias de precisão e acurácia desejáveis. Esses requintes variam de aplicação para aplicação, como por exemplo, a identificação do desvio de uma viga de
sustentação em uma usina nuclear, que tolera erros de ordem de milímetros ou menos ou a confecção de uma carta em escala 1:250000, onde são tolerados erros da ordem de metros. Imagens – Imagens ópticas podem ser definidas como “a reprodução aparente de um objeto, formado por um sistema de lentes ou espelhos, a partir de ondas luminosas refletidas, refratadas ou difratadas” ( Encyclopædia Britannica, 2001 ). Tal conceito, pôde, durante anos, cobrir a definição para “imagem” utilizada pela fotogrametria, pois os processos fotogramétricos concentravam-se somente nas imagens fotográficas, cobrindo a faixa do visível (ou seja, ondas eletromagnéticas de 0,4 a 0, μm). Hoje em dia, no entanto, diversos sensores são capazes de imagear nas diversas regiões do espectro eletromagnético, gerando uma profusão de informação nunca antes imaginada. Assim, pode-se definir como “imagens utilizadas pela fotogrametria” as representações das interações eletromagnéticas entre um ou mais objetos captadas por um dado sensor, em um dado momento. Sensores Remotos – Segundo (Novo, 1992), um sensor é “qualquer equipamento capaz de transformar alguma forma de energia em um sinal passível de ser convertido em informação sobre o ambiente, sem contato físico entre este sensor e os alvos de interesse”. Como citado anteriormente, a energia utilizada neste caso é a eletromagnética. Um exemplo simples de sensor comumente utilizado é a câmara fotográfica, que utiliza a sensibilização química no filme para gerar suas imagens. Diversos tipos de câmaras digitais e sensores de varredura (utilizando CCD's – charge coupled devices , detectores que convertem energia eletromagnética em corrente elétrica) também encaixam-se nesta categoria.
Basicamente esta definição tem um alto grau de correlação com as inúmeras outras encontradas em livros e textos científicos sobre o tema. Entretanto, ela não se extingue neste ponto, uma vez que o texto ainda é muito vago, deixando a um leitor neófito a nítida impressão de nada ter acrescentado aos seus conhecimentos. Por isso, surgiram inúmeras interpretações, que serão melhor discutidas no tópico seguinte.
Figura 1.1 – Dissensão inicial e errônea entre fotogrametria (plataformas aéreas, fotografias e produtos cartográficos) e sensoriamento remoto (plataformas orbitais, imagens digitais e vários tipos de produtos, como mapas geológicos ou florestais)
Assim, a princípio, houve informalmente uma dicotomia entre fotogrametria e sensoriamento remoto (figura 1.1). Curiosamente, as associações que congregavam os profissionais de fotogrametria não seguiram esta divergência, abraçando também o estudo das imagens de sensores remotos. Um caso notório foi a troca do nome de ASP ( American Society of Photogrammetry – Sociedade Americana de Fotogrametria) para ASPRS ( American Society for Photogrammetry and Remote Sensing – Sociedade Americana de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto). Com a ISPRS ( International Society for Photogrammetry and Remote Sensing ), acontecimento similar também ocorreu. É óbvio que tais decisões não foram tomadas de maneira
impensada. Tais especialistas verificaram que não era coerente a divisão informal que estava acontecendo, uma vez que o que estava sendo (informalmente) chamado de sensoriamento remoto (imagens digitais e orbitais) era uma ciência irmã do que se chamava (informalmente) de fotogrametria (imagens fotográficas e aéreas). Como cabe a uma sociedade deste escopo, definições foram estabelecidas de modo a orientar os profissionais, estudantes e leigos quanto à abrangência e funções de cada uma. Daí surgiram algumas interessantes contradições: Segundo a ASPRS, fotogrametria é “a arte, ciência, e tecnologia de se obter informação confiável sobre objetos físicos e o meio-ambiente, através de processos de gravação, medição e interpretação de imagens e padrões de energia eletromagnética radiante e outros fenômenos”, ao passo que sensoriamento remoto não recebe nenhuma definição. A única referência que a associação faz é que “técnicas de sensoriamento remoto são usadas para adquirir e processar informação sobre um objeto sem contato físico direto (entre o sensor e o alvo de interesse)”. Um dos presidentes que a mesma ASPRS teve, Thomas Lillesand, no livro do qual é co-autor, define sensoriamento remoto como “a ciência e arte de se obter informação sobre um objeto, área ou fenômeno através da análise dos dados adquiridos por um aparelho que não está em contato com o objeto, área ou fenômeno sob investigação” (Lillesand et al., 2000). Como fotogrametria, o mesmo livro descreve sendo “a ciência e tecnologia de se obter medições e outros produtos geometricamente confiáveis a partir de fotografias”. A ISPRS, por sua vez, enuncia que “fotogrametria e sensoriamento remoto é a arte, ciência e tecnologia de se obter informação confiável de imagens de sensores imageadores e outros, sobre a Terra e seu meio- ambiente, e outros objetos físicos e processos através de gravação, medição, análise e representação”. Convém ressaltar o “é”, no singular, que destaca a idéia de junção de ambos em um só conceito. Uma leitura aprofundada das definições deixa muitas dúvidas no ar. Primeiramente, nenhuma delas coincide completamente com as outras, embora haja o reforço de que a fotogrametria tem um enfoque na
a partir de imagens bidimensionais , chamadas de espaço imagem. Trata-se, então, de uma transformação entre sistemas. Um sistema bidimensional, chamado sistema fotográfico e um sistema tridimensional, que representa o próprio espaço objeto. Normalmente, utiliza-se um sistema bidimensional próprio de cada câmara, com origem aproximadamente no centro de seu quadro, e de coordenadas determinadas por calibração da câmara em laboratório, antes de sua utilização. O sistema tridimensional, no caso mais comum, representa o sistema de coordenadas do terreno sobre o qual obtém-se as imagens, o qual pode estar sendo representado em coordenadas geodésicas (latitude, longitude e altura ou altitude), planialtimétricas (E, N e altitude) ou cartesianas (X, Y, Z). Para outros tipos de alvos, como monumentos ou objetos pequenos, pode-se criar um sistema de referência próprio, de origem arbitrária. Para que a transformação seja implementada, também é necessário um conjunto de pontos de controle (ou de campo), que são expressos no espaço-objeto. Uma vez locados no espaço imagem, tem-se os parâmetros de entrada para a dedução da função que mapeia um sistema no outro. Quanto maior o número de pontos de controle, melhores são os resultados finais, porém, convém também verificar até onde é economicamente viável a obtenção de tantos pontos de controle. Devido a isso, alguns processos (aerotriangulação, por exemplo) foram desenvolvidos, de modo que, a partir de apenas alguns pontos de controle, possa ser gerada uma infinidade de outros, a precisões aceitáveis para que sejam utilizados como se controle fossem. Em resumo, crê-se na possibilidade de se estabelecer uma área de abrangência da fotogrametria, respondendo às perguntas propostas no tópico anterior, da seguinte maneira: “Fotogrametria é a ciência e tecnologia de se reconstruir o espaço tridimensional, ou parte do mesmo (espaço objeto) a partir de imagens bidimensionais, advindas da gravação de padrões de ondas eletromagnéticas (espaço imagem), sem contato físico direto com o objeto ou alvo de interesse.”
Figura 1.2 – Representação esquemática da fotogrametria
Por espaço objeto, entende-se qualquer elemento, ou conjunto de elementos tridimensionais a serem imageados. Desse modo, o sensor pode estar localizado em qualquer plataforma (figura 1.3). Convencionou- se usar a classificação de fotogrametria terrestre, fotogrametria aérea (ou aerofotogrametria) e fotogrametria orbital para, a grosso modo, expressar estes diferentes modos de posicionar-se o sensor. A aerofotogrametria é, tradicionalmente, a mais envolvida com a geomática. A fotogrametria terrestre encontra uma gama de aplicações variadas, como arquitetura, controle industrial, engenharia civil e artes plásticas. A fotogrametria orbital é uma tendência para o futuro, já sendo empregada nos dias de hoje em escala crescente.
Figura 1.4 – Tomada de imagens com região de adjacência a partir de fotos aéreas
1.4 BREVE HISTÓRICO DA FOTOGRAMETRIA
1.4.1 FOTOGRAMETRIA PIONEIRA (1840-1900)
Poucos anos após a descoberta da fotografia (graças aos trabalhos pioneiros de Nicéphore Nièpce, em 1826 e Louis-Jacques Daguerre, em 1839), surgiram propostas, como a do francês Argo, em 1840, com o objetivo de aproveitá-la para os dispendiosos levantamentos topográficos. Infelizmente, mais alguns anos se passaram sem nada de concreto sobre o tema. Em 1851, Aimé Laussedat desenvolve os primeiros princípios e técnicas fotogramétricos, sendo seguido por trabalhos importantes de documentação de edifícios, e prédios históricos, como os de Meydenbauer e Ernst Mach. A então nascente Ciência recebeu seu primeiro livro
teórico em 1889, o Manual de Fotogrametria, de autoria do alemão C. Koppe. Algumas fotografias aéreas foram inclusive tiradas, sendo as mais notórias a de Nadar, ou Gaspard Félix Tournachon, sobre a cidade de Bièvre, na França, em 1858 (que infelizmente foi perdida com o passar dos anos) e a de James Wallace Black, em 1860, sobre a cidade de Boston, nos Estados Unidos. No entanto, somente com a invenção do avião, tal situação viria a mudar sensivelmente
1.4.2 FOTOGRAMETRIA ANALÓGICA (1901-1950)
A invenção do aparelho “estereocomparador”, por Pullfrich, marca a primeira revolução da fotogrametria, através da qual foi possível facilitar surpreendentemente o trabalho dos usuários, graças à substituição dos inúmeros cálculos matemáticos por aparelhos óptico-mecânicos. Em 1911, o austríaco Theodore Scheimpflug cria um método bem- sucedido de retificação de fotografias aéreas, iniciando todo um processo de utilização de tais fotografias para mapeamento de extensas superfícies. Os retificadores analógicos passam a ser utilizados largamente, sendo posteriormente substituídos pelos famosos restituidores analógicos, que permitiam visão estereoscópica, através da utilização de um par estereoscópico (ou seja, um par de fotografias com áreas de superposição). Inúmeros aparelhos, sobretudo os suíços e alemães, como os restituidores Wild (figura 1.5), Zeiss e Kern possibilitavam a obtenção de cartas topográficas a precisões surpreendentes. Obviamente, tal trabalho passou a ser altamente específico, tornando fundamental a figura do técnico em fotogrametria, uma vez que tais aparelhos necessitavam de treinamento específico e aprofundado. O trabalho de campo também foi enormemente facilitado, com a introdução do processo da aerotriangulação analógica, que permitia o adensamento em laboratório dos pontos de campo. Paralelamente a estes desenvolvimentos, surgiram câmaras cada
Estados Unidos. Neste estudo, foram estabelecidas as bases da fotogrametria analítica, incluindo-se o tratamento matricial, as soluções por mínimos quadrados (um tipo de método estatístico), a solução simultânea utilizando múltiplas imagens e uma análise completa de propagação de erros. Em 1957, o finlandês Uki Helava desenvolve o conceito de restituidor analítico, utilizando servo-mecanismos para medir as coordenadas das marcas fiduciais nas imagens. Computadores realizavam todos os demais cálculos, simplificando bastante o processo final. Os primeiros restituidores analíticos foram apresentados no congresso da ISP (atual ISPRS) em 1976. A partir daí, tais aparelhos revolucionaram o conceito de fotogrametria, permitindo a aerotriangulação de blocos (conjuntos de fotos) cada vez maiores e a utilização de câmaras comuns (não-métricas).
1.4.4 FOTOGRAMETRIA DIGITAL (1990 - DIAS DE HOJE)
A fotogrametria digital teve o seu surgimento nos anos 80, tendo como grande inovação a utilização de imagens digitais como fonte primária de dados. A imagem digital pode ser adquirida diretamente de uma câmara digital, ou mesmo através da digitalização matricial de uma imagem analógica (submetendo-a a um scanner ). Nos anos 90, este ramo da fotogrametria realmente pôde ser usado de maneira extensiva, graças ao desenvolvimento de computadores com capacidade suficiente para o processamento interativo de imagens digitais, gerando elevados volumes de dados. O restante do processamento se dá de maneira semelhante à fotogrametria analítica, sendo possível, hoje em dia, a elaboração de produtos digitais (além das cartas digitais) que necessitam de processamento computacional extremamente elaborado, como as ortoimagens ou imagens ortorretificadas (imagens em perspectiva ortogonal) e mosaicos digitais, que consistem na junção de várias
imagens. Esses mosaicos são considerados sendo não-controlados se não houver tratamento sobre as imagens e controlado, caso as imagens já tiverem sido ortorretificadas. Os aparelhos atualmente empregados também mudaram, sendo chamados de estações fotogramétricas digitais, ou seja, estações de trabalho inteiramente voltadas para a fotogrametria. Computadores comuns também podem ser aproveitados para este fim, sendo chamados de computadores repotencializados, por receberem hardware e software específicos. Um comentário que se faz necessário neste ponto é quanto à diferença de fotogrametria digital e fotogrametria apoiada por computador (ou simplesmente, fotogrametria com uso de computadores). Com o objetivo de não perder a experiência de anos de trabalho de operadores habilidosos e também de aumentar a expectativa de vida dos ainda eficazes aviógrafos analógicos e analíticos, computadores foram ligados aos mesmos, possibilitando uma saída de dados digital, ou seja, um arquivo de computador (em geral um formato compatível com os inúmeros programas de CAD – Computer Aided Design existentes). Mesmo assim, estes aparelhos não podem ser relacionados à fotogrametria digital, uma vez que a entrada de dados ainda se dá de modo analógico (fotografia impressa em filme). Mesmo o restituidor analítico, que realiza todo o restante do processamento de forma computacional, ainda as considera como dado de entrada. Somente na fotogrametria digital tem-se uma análise computacional completa de todo o processo. Tal assunto ainda pode estar a causar muitas dúvidas. Para lançar alguma luz sobre o assunto, apresenta-se a tabela 1.1:
1.5 OBJETIVO DA FOTOGRAMETRIA DIGITAL
A fotogrametria digital tem como seu objetivo principal a reconstrução automática do espaço tridimensional (espaço objeto), a partir de imagens bidimensionais (espaço imagem).
torna praticamente impossível seu mapeamento automático. Surgem então várias condições de contorno para sua solução, exigindo a interação do homem em vários processos. Hoje em dia, pode-se dizer que o estado da arte em fotogrametria digital é o mapeamento semi- automático, ou seja, os processos implementados tentam ser automáticos, porém, ainda exigem a supervisão, e eventual intervenção humana nos mesmos.
Figura 1.6 – Processo da ortorretificação, que transforma uma imagem em perspectiva central em outra em perspectiva ortogonal. Graças à fotogrametria digital, processos matematicamente complexos como este puderam ser implementados e popularizados. Hoje, ortoimagens têm alcançado níveis de popularidade próximos aos das cartas convencionais e essa situação tende a continuar.
1.6 A ESTAÇÃO FOTOGRAMÉTRICA DIGITAL
Como já mencionado anteriormente, o estado da arte da fotogrametria encontra-se no desenvolvimento de estações
fotogramétricas digitais. Um sistema como este, em geral, é composto de:
**- Monitor(es) de vídeo
- Dispositivo de visão estereoscópica** – Óculos, monitores especiais, etc. **- CPU gráfica, ou placa de vídeo especial
- CPU geral
- Periféricos de Entrada/Saída** – Teclado, mouse , scanner , mesa digitalizadora, plotter e/ou impressora. - Dispositivo de medição estereoscópica – Trackball , topo- mouse , etc. - Módulos de software dedicado às operações fotogramétricas, tais como: Orientação interior, orientação relativa e orientação absoluta, ou orientação exterior (relativa + absoluta simultaneamente), aerotriangulação (medição e cálculo), restituição, retificação e reamostragem de imagens (geometria epipolar), extração de modelos digitais do terreno, geração de orto-imagens, integração com sistemas de informação geográfica, etc.
O padrão atual de monitores de vídeo para este tipo de aplicação encontra-se entre 19 e 21 polegadas. Algumas estações apresentam monitores de vídeo próprios de dimensões diferentes das usuais, de modo a maximizar a visualização estereoscópica. Quanto às máquinas utilizadas, há modelos de vários fabricantes. Estações Unix e Silicon Graphics já foram utilizadas amplamente, porém, a tendência hoje em dia é de serem usados PC's com o sistema operacional Windows NT. Os sistemas de visão estereoscópica apresentam soluções ainda mais variadas. Há quatro tipos principais diferentes:
- Separação espacial – a tela do monitor exibe o par lado a lado e utiliza- se um estereoscópio de espelhos para visualizá-las estereoscopicamente; - Anaglifo – ambas as imagens são exibidas uma sobre a outra, porém em cores diferentes, necessitando de um óculos especial com uma lente
tradicional Carl Zeiss, Oberkochen (Alemanha) e a Intergraph (Estados Unidos). Enquanto a primeira consagrou-se no desenvolvimento de câmaras, restituidores analógicos, analíticos e estações fotogramétricas digitais ao longo do último século, a última foi destaque no desenvolvimento das famosas estações ImageStation, muitíssimo aceitas e populares. Com a criação do joint venture entre as duas, a linha de estações fotogramétricas digitais da Zeiss foi descontinuada, deixando espaço para a concentração de todos os esforços na área para a linha ImageStation. O modelo mais recente de ImageStation (2001), na verdade, é um computador extremamente sofisticado, com várias soluções únicas desenvolvidas pela Z/I. Compõe-se, ao todo de:
- Mesa especial , com altura da área de digitalização e área de suporte dos monitores eletricamente controlada; - Controle hand-held para digitalização à mão livre e seleção de menus na ponta dos dedos; - Gabinete (localizado na parte inferior) onde fica localizado o computador e um espaço livre para que o usuário coloque seu material; - O computador é um Pentium III dual , com 512 MB de RDRAM, drive para o sistema de 36,7 GB, dois drives de dados de 73,4 GB e placa de vídeo com acelerador gráfico WildCat 5110 AGP, de 64 MB; - Um ou dois monitores de 21” ou 24”; - Dispositivo de visão estereoscópica combinando polarização ativa e temporal nos óculos; - Programas funcionando sob Windows 2000 , com a possibilidade de leitura de imagens JPEG; Uma solução mais modesta oferecida pela Z/I chama-se SSK ( Stereo Softcopy Kit ) (figura 1.8). É formado pelo hardware e software necessário à emulação de uma estação ImageStation: óculos de visualização estereoscópica, mouse de precisão, placa de vídeo e programas fotogramétricos. A título de curiosidade, a Z/I também vende uma versão do restituidor analítico Zeiss Planicomp, o Z/I Planicomp P3 (ou P33) (figura 1.9). Justifica-se a fabricação de tal aparelho devido à sua grande
popularidade ainda nos dias de hoje.
Figura 1.7 – Estação fotogramétrica ImageStation 2001 (fonte: ImageStation factsheet )
Figura 1.8 – SSK (fonte: ImageStation factsheet )
Figura 1.9 – Planicomp P3 (fonte: Z/I Imaging)
O fato de tais máquinas estarem sendo fabricadas serve como prova cabal da aplicação ainda hoje de restituidores analíticos e analógicos repotencializados.
