perfilamento a laser : comparação com métodos fotogramétricos

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Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos Comissão Técnica : Fotogrametria Amauri Alfredo Brandalize ESTEIO Engenharia e Aerolevantamentos S.A. Rua Reinaldo Machado, 1151 80215-010 Curitiba – Paraná – Brasil fone +55 332-4299 – fax +55 332-3273 http://www.esteio.com.br – e-mail : [email protected] RESUMO Uma das atividades que mais consomem tempo na Fotogrametria é a obtenção de Modelos Digitais de Elevação ou do Terreno (MDE ou MDT). Este subproduto cartográfico normalmente é utilizado para a retificação diferencial de ortofotos ou para obtenção automática de curvas de nível. O Perfilamento a LASER é uma tecnologia que está revolucionando esta metodologia, permitindo a obtenção do MDE de maneira mais direta, evitando processos fotogramétricos ou levantamentos com outras técnicas como o GPS. Este trabalho apresenta uma comparação de resultados na obtenção de MDT derivados de Correlação de Imagem, Curvas de Nível e Perfilamento a LASER. Também são enfocados os aspectos de remoção automática de camada vegetal no MDT, uma das características principais deste sistema. ABSTRACT One of the most consuming-time activities in Photogrammetry is to get a Digital Elevation Model (DEM) or Digital Terrain Model (DTM). This cartographic derived product is commonly used for differential rectification of orthophotos or to obtain contour lines. LASER profiling is a technology that is revolutionizing this methodology, allowing the obtaining of MDE in a more direct way, avoiding photogrammetric process or another kind of survey like GPS. This work presents a comparison of results in the obtaining of a MDT derived from image correlation, contour lines and LASER profiling. The aspects of automatic removal of vegetation layer are also focused in a MDT, one of the main characteristics of this system. 1 UMA NOVA TECNOLOGIA ? O Sistema de Perfilamento a LASER (ALS - Airborne LASER Scanning) ou Sistema para Mapeamento do Terreno por LASER Aerotransportado (ALTM - Airborne LASER Terrain Mapper) é um sistema que adquire dados digitais de elevação do terreno com precisão equivalente ao GPS, mas de forma muito mais eficaz, pois o sensor principal do sistema está localizado em uma aeronave cujo deslocamento, sobre uma área de interesse, é extremamente rápido quando comparado com os levantamentos convencionais. O Perfilamento a LASER desenvolveu-se a partir da necessidade de usuários de modelos digitais de elevação (DEM - Digital Elevation Model) em casos onde os métodos tradicionais não eram suficientes. As experiências iniciais com esta metodologia datam de 1993, realizadas por um grupo de pesquisa alemão da Deustche Forschungsgemeinsschaft que mais tarde, levaram à criação da TopScan GmbH. Em conjunto com a empresa canadense Optech Inc., a TopScan GmbH desenvolveu um método de Perfilamento a LASER considerado como o primeiro projeto demonstrativo da técnica. (WEVER et al., 1999) Até a metade dos anos 90, havia apenas uma empresa comercializando sistemas de Perfilagem a LASER e as empresas especializadas nesta tecnologia eram poucas. Em um dos últimos levantamentos de mercado realizados no ano 2000, constatou-se mais de 5 fabricantes de sistemas de Perfilamento a LASER que produzem sistemas completos ou os componentes principais deste conjunto. Neste mesmo levantamento de mercado, foram enumeradas mais de 25 empresas que adquiriram tais sistemas e 10 empresas trabalhando em regime de locação, além dos 5 sistemas de testes e demonstração das empresas fabricantes. Assim, são cerca de 40 os sistemas de Perfilamento a LASER, concentrados principalmente na Europa, Estados Unidos, Canadá, Japão, Austrália, África do Sul (BALTSAVIAS, 1999a) e mais recentemente, no Brasil. 2 COMPONENTES DO SISTEMA INTRODUÇÃO Os Sistemas de Perfilamento a LASER comercializados atualmente são produtos resultantes da integração de componentes essenciais para o seu funcionamento. O grande desafio destes integradores é a

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Page 1: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos FotogramétricosComissão Técnica : Fotogrametria

Amauri Alfredo BrandalizeESTEIO Engenharia e Aerolevantamentos S.A.

Rua Reinaldo Machado, 115180215-010 Curitiba – Paraná – Brasil

fone +55 332-4299 – fax +55 332-3273http://www.esteio.com.br – e-mail : [email protected]

RESUMO

Uma das atividades que mais consomem tempo na Fotogrametria é a obtenção de Modelos Digitais deElevação ou do Terreno (MDE ou MDT). Este subproduto cartográfico normalmente é utilizado para a retificaçãodiferencial de ortofotos ou para obtenção automática de curvas de nível. O Perfilamento a LASER é uma tecnologia queestá revolucionando esta metodologia, permitindo a obtenção do MDE de maneira mais direta, evitando processosfotogramétricos ou levantamentos com outras técnicas como o GPS. Este trabalho apresenta uma comparação deresultados na obtenção de MDT derivados de Correlação de Imagem, Curvas de Nível e Perfilamento a LASER.Também são enfocados os aspectos de remoção automática de camada vegetal no MDT, uma das característicasprincipais deste sistema.

ABSTRACT

One of the most consuming-time activities in Photogrammetry is to get a Digital Elevation Model (DEM) orDigital Terrain Model (DTM). This cartographic derived product is commonly used for differential rectification oforthophotos or to obtain contour lines. LASER profiling is a technology that is revolutionizing this methodology,allowing the obtaining of MDE in a more direct way, avoiding photogrammetric process or another kind of survey likeGPS. This work presents a comparison of results in the obtaining of a MDT derived from image correlation, contourlines and LASER profiling. The aspects of automatic removal of vegetation layer are also focused in a MDT, one of themain characteristics of this system.

1 UMA NOVA TECNOLOGIA ?

O Sistema de Perfilamento a LASER (ALS -Airborne LASER Scanning) ou Sistema paraMapeamento do Terreno por LASER Aerotransportado(ALTM - Airborne LASER Terrain Mapper) é umsistema que adquire dados digitais de elevação doterreno com precisão equivalente ao GPS, mas de formamuito mais eficaz, pois o sensor principal do sistemaestá localizado em uma aeronave cujo deslocamento,sobre uma área de interesse, é extremamente rápidoquando comparado com os levantamentosconvencionais.

O Perfilamento a LASER desenvolveu-se a partir danecessidade de usuários de modelos digitais de elevação(DEM - Digital Elevation Model) em casos onde osmétodos tradicionais não eram suficientes. Asexperiências iniciais com esta metodologia datam de1993, realizadas por um grupo de pesquisa alemão daDeustche Forschungsgemeinsschaft que mais tarde,levaram à criação da TopScan GmbH. Em conjunto coma empresa canadense Optech Inc., a TopScan GmbHdesenvolveu um método de Perfilamento a LASERconsiderado como o primeiro projeto demonstrativo datécnica. (WEVER et al., 1999)

Até a metade dos anos 90, havia apenas umaempresa comercializando sistemas de Perfilagem aLASER e as empresas especializadas nesta tecnologiaeram poucas. Em um dos últimos levantamentos demercado realizados no ano 2000, constatou-se mais de 5fabricantes de sistemas de Perfilamento a LASER queproduzem sistemas completos ou os componentesprincipais deste conjunto.

Neste mesmo levantamento de mercado, foramenumeradas mais de 25 empresas que adquiriram taissistemas e 10 empresas trabalhando em regime delocação, além dos 5 sistemas de testes e demonstraçãodas empresas fabricantes. Assim, são cerca de 40 ossistemas de Perfilamento a LASER, concentradosprincipalmente na Europa, Estados Unidos, Canadá,Japão, Austrália, África do Sul (BALTSAVIAS, 1999a)e mais recentemente, no Brasil.

2 COMPONENTES DO SISTEMA

INTRODUÇÃO

Os Sistemas de Perfilamento a LASERcomercializados atualmente são produtos resultantes daintegração de componentes essenciais para o seufuncionamento. O grande desafio destes integradores é a

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funcionalidade do sistema de modo que estescomponentes, oriundos de diversos fabricantes, operemem harmonia permitindo a aquisição dos dadosnecessários e relacionados ao fim a que se destinam.

Os equipamentos e programas que formam umSistema de Perfilamento a LASER são distintos emcomponentes que estão a bordo de uma aeronave eaqueles que estão no terreno em tempo real de execuçãodo levantamento ou para pós-processamento.

Os componentes principais que se encontram abordo de uma aeronave, preparada para este tipo deserviço, são os seguintes :

• Sensor LASER (LRF-LASER Range Finder)composto pelo gerador do pulso LASER, óticade transmissão e recepção do raio, detetor desinal, amplificador e outros componenteseletrônicos;

• Sistema de Medição Inercial (SMI);• Receptor GPS e seus respectivos componentes;• Computador de bordo e respectivos programas

para controlar a aquisição dos dados;• Unidades de armazenamento dos dados brutos do

LASER, do GPS e da Navegação Inercial;• Receptor GPS para navegação da aeronave.

No solo e em tempo real, o componente principal éo receptor GPS de base cujo rastreio será usado nacorreção diferencial dos pontos medidos pelo LASER.De acordo com as características de extensão e forma dasuperfície que está sendo trabalhada, é necessário maisde uma estação GPS de base.

Completando o sistema estão os programas paradescarga dos dados brutos do LASER, do GPS e daMedição Inercial e os programas de pós-processamentodestes dados para obtenção de produtos derivados dolevantamento como, por exemplo, MDE, MDT oucurvas de nível.

Muitas das características operacionais descritas eparâmetros apresentados neste trabalho são específicosdo sistema ALTM 2025 da empresa Optech Inc.,Ontario-Canadá. Esta empresa possui mais de 25 anosde experiência com Perfilamento LASER e seussistemas (quase 40 unidades comercializadas até 2001)vêm sendo utilizados em mais de 20 tipos de aeronaves.No entanto, os conceitos gerais de funcionamento eoperação de um Sistema de Perfilamento LASERpodem ser aplicados à maioria dos modelos comerciaisexistentes.

3 SENSOR LASER

O sensor LASER é formado principalmente pelogerador do pulso LASER, ótica de transmissão erecepção do raio e outros componentes eletrônicos (fig.01).

FIG. 01 - DIAGRAMA DO SENSOR LASER

No ALTM 2025, o gerador do pulso LASER é umcristal sintético (Nd:YAG - Neodimium: YttriumAluminum Garnet) excitado por um diodo semicondutorque provê a energia necessária para a emissão de umraio LASER de alta energia (50 a 250µJ). Apesar dopulso ser de alta energia, ele não excede os limitesimpostos para a operação segura com LASER (FLOOD,2001).

FREQÜÊNCIA DE OPERAÇÃO E DIVERGÊNCIA

A freqüência de repetição deste pulso (PRF PulseRepetition Frequency) ou freqüência de operação foper

varia de 10 a 33 kHz, sendo que alguns sistemas operama 83 kHz.

A divergência do raio constitui uma característicafísica do pulso LASER de divergir a medida que sepropaga. Tal divergência é relativamente baixa,resultando em um ponto projetado de tamanho pequenoem relação às altitudes de operação (fig. 02).

FIG. 02 - DIÂMETRO DO PONTO PROJETADO NOSOLO EM FUNÇÃO DA ALTURA DE VÔO

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O ângulo de divergência pode ser ajustado por meiode elementos óticos apropriados do transmissor para umponto projetado de dimensões controladas, de acordocom a superfície levantada. Uma divergência menor énecessária para levantamentos de detecção de cabos delinhas de transmissão e para melhor penetração navegetação.

Um pulso LASER com média a alta divergênciapossui um ângulo α da ordem de 1,0 mrad. Já um pulsoLASER com baixa divergência possui um ângulo α daordem de 0,2 mrad. Os sistemas LASER atualmentecomercializados possuem variação de Divergência de0,2 mrad a 5 mrad.

O diâmetro do ponto projetado no solo (eq. 01) éfunção da altura de vôo (H em m) e da divergência doraio LASER (α em radianos) :

HD ×= α (01)

Para uma altura de vôo de 1.200 m, o diâmetro doponto projetado para um pulso de alta divergência seriade 1,20 m e para um pulso de baixa divergência seria deapenas 0,24 m.

SEGURANÇA OPERACIONAL DO LASER

O sensor LASER emite luz que corresponde àporção infra-vermelha do espectro e que é invisível parao olho humano, mas quando direcionada direta ouindiretamente para os olhos, pode causar danosirreversíveis.

A divergência do pulso LASER, a sua intensidade,a freqüência de operação e a velocidade da aeronave sãovalores relacionados diretamente com a operação segurado sistema de Perfilamento a LASER.

Para garantir esta operação segura, o sistema dePerfilamento a LASER é programado para interrompero seu funcionamento abaixo de uma certa altura de vôo,que depende dos fatores enumerados acima.

A tabela 01 apresenta alguns valores de alturamínima de operação, assumindo-se que a energia dopulso é de 120µJ (1.064ηm) e a freqüência de operaçãoé de 25 kHz.

TABELA 01 - ALTURA MÍNIMA PARA OPERAÇÃOSEGURA

Velocidade

AltaDivergência

1,4 mrad

BaixaDivergência

0,5 mrad

100 km/h 125 m 350 m

200 km/h 100 m 300 m

CONJUNTO ÓTICO, EMISSOR E RECEPTOR

Neste sistema, um conjunto ótico (lentes e espelhos)orienta o pulso LASER emitido pelo gerador de pulso edevolve a reflexão deste LASER ao receptor.

Do gerador de pulso LASER, o raio é dirigido paraa chamada cavidade óptica até um espelho móvel naparte final do sensor. O sinal de retorno é dirigido àparte eletrônica de recepção do sensor que transforma osinal analógico em sinal digital.

A radiação refletida é tratada primeiramente em umfiltro de interferência (Controlador de Ruído) ondesomente um comprimento de onda específico (1.064ηm) atinge o receptor. O receptor gera, então, um pulsode corrente proporcional à intensidade da radiaçãoincidente.

MEDIDOR DE INTERVALO DE TEMPO (TIM)

O Medidor de Intervalo de Tempo (Time IntervalMeter - TIM) é o módulo responsável pela medida dotempo transcorrido entre a emissão do pulso LASER e oseu retorno ao sistema (fig. 03). Essencialmente, ele éum contador que inicia quando o pulso LASER édisparado e pára quando o último pulso correspondenteretorna.

FIG. 03 - INTERVALO DE TEMPO ENTRETRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE UM PULSO LASER

A reflexão dos pulsos LASER é detectada pela óticado sistema e registrada pelo TIM. Conhecendo-se ascondições atmosféricas e a velocidade de propagação dopulso LASER, a distância entre o sistema e o ponto dereflexão pode ser calculada. O tempo transcorrido entrea emissão e a recepção do pulso LASER é dado pela eq.02, onde H é a altura de vôo, ou seja, a distância entre oconjunto emissor-receptor e a superfície de reflexão e cé a velocidade da luz.

c

Ht ×=∆ 2 (02)

Uma das características principais do módulo TIM éo registro de diferentes reflexões de um mesmo pulso eque caracterizam a penetração em objetos, sendo esta

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condição, extremamente útil para a identificação decobertura vegetal e de cabos em Linhas de Transmissão.

Todo o processo é controlado por uma UnidadeCentral de Controle (UCC) que também gerencia osdispositivos externos de Navegação Inercial, de GPS ede armazenamento dos dados coletados. Maioresdetalhes sobre a teoria de propagação de pulsos LASERe sobre a medição baseada em reflexão podem serencontrados em WEHR, 1999.

4 SISTEMA DE MEDIÇÃO INERCIAL (IMU -INERTIAL MEASUREMENT SYSTEM)

O objetivo do SMI (Sistema de Medição Inercial) éobter a posição e atitude do sensor LASER em relação aum sistema de referência de alta precisão e a taxas detransferência também altas sem a necessidade de uso deuma base terrestre (fig. 04).

FIG. 04 - SISTEMA DE MEDIÇÃO INERCIAL E SEUSCOMPONENTES

O SMI é basicamente composto de uma unidade demedição inercial propriamente dita, um receptor GPS dedupla freqüência, um computador e um programa parapós-processamento.

UNIDADE DE MEDIÇÃO INERCIAL

A Unidade de Medição Inercial é formada por umconjunto de giroscópios, acelerômetros e uma unidadede controle responsável pelas condições dos sinaisemitidos por estes componentes. Geralmente, estaunidade é leve, compacta e instalada o mais próximopossível do ponto de referência do sensor garantindo amaior precisão possível.

Os requisitos básicos para o bom funcionamentodos giroscópios no sistema são as suas dimensões e suasensibilidade ao movimento e "ruído" (interferências nosinal).

Os dados dos giroscópios e dos acelerômetros(velocidade incremental e movimentos angulares) sãoenviados ao computador com taxas de 200 a 1.000 Hz(5 ms a 1 ms).

RECEPTOR GPS DO SMI E ARMAZENADOR DE MASSA

O receptor GPS do SMI é um receptor de duplafreqüência interno de baixo "ruído", que permite orastreio do tipo RTK (Real Time Kinematic), necessáriopara a definição do posicionamento.

O computador do SMI possui um sistema dearmazenamento de massa (Flash Card) para o registrodas medidas de posição e desvios em torno dos eixosposicionais (roll, pitch e heading) de um sensoraerotransportado. Além disso, o computador integra oGPS com a tecnologia inercial para fornecer solução emtempo real para o posicionamento, usada em sistemas denavegação aérea ou em plataformas giro-estabilizadascomo as utilizadas pelas modernas câmaras aéreas.

Os dados de saída de um SMI são geralmentedata/hora, latitude & longitude, velocidade, valores dascomponentes posicionais e outras informações dosistema. Para informações mais detalhadas sobre ofuncionamento de um SMI, ver MOSTAFA et al, 2001.

5 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

INTRODUÇÃO

O princípio básico de funcionamento deste sistemaé a obtenção de registros contínuos de coordenadasespaciais, as quais constituem os elementos primáriospara modelagem do terreno e geração de um mapatopográfico derivado destas informações.

O pulso LASER de alta precisão é direcionado parao solo por uma abertura no bojo de uma aeronave ou porum conjunto de sustentação aplicado à lateral de umhelicóptero. No caso das aeronaves, esta abertura podeser a mesma utilizada para a operação de câmaras aéreasna execução de coberturas aerofotogramétricas.

Durante o levantamento, o sistema emite pulsosLASER em determinada freqüência que são dirigidospara o solo por meio de um conjunto ótico móvel. Osistema faz uma varredura da superfície do terrenoabaixo da aeronave e registra a distância até o solo paracada um dos pulsos emitidos, sendo registrada tambéma posição inercial do conjunto, de modo a conhecer ainclinação de cada feixe em relação à vertical do lugar.

LARGURA DE FAIXA DE PERFILAMENTO

A varredura é feita no sentido transversal à direçãoda linha de vôo com um ângulo de abertura configurávelpelo sistema. Este ângulo de abertura permite adeterminação da largura da faixa abrangida peloPerfilamento a LASER, enquanto o movimento daaeronave permite a cobertura na direção de vôo.

A largura da faixa abrangida pela varredura podeser determinada pela eq. 03:

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βtan2 ××= HL (03)

L representa a largura da faixa varrida pelo LASER,em m e é função da altura de vôo (H em m) e do ângulode abertura β (fig. 05).

FIG. 05 - LARGURA DA FAIXA

Por exemplo, para um ângulo de abertura β de 20° epara uma altura de vôo de 1.200m, a largura da faixaseria :

mL 50,87320tan12002 =°××=

Sem a atuação do conjunto ótico móvel, o pulsoLASER é dirigido em uma linha reta perpendicular àlinha de vôo em direção ao solo (Nadir). Com omovimento da aeronave, este modo de operação permitea obtenção de um perfil da superfície levantada.

FREQÜÊNCIA DE PERFILAMENTO

Quando o conjunto ótico móvel é programado paraexecutar movimentos laterais combinado com odeslocamento da aeronave, o mesmo produz um feixede pulsos perpendicular à direção de vôo. A oscilaçãodo conjunto ótico em torno do eixo (freqüência deperfilamento) em combinação com o movimento daaeronave, cria um padrão de varredura do tipo "dente deserra" (fig. 06).

FIG. 06 - PADRÃO DO ESCANER

O ângulo de abertura β e a freqüência deperfilamento fperfil , combinados com a altura de vôo H ecom a velocidade da aeronave, determinam a densidadee distribuição dos pontos LASER na superfície doterreno.

Com freqüências de perfilamento baixas são obtidosperfis transversais à linha de vôo muito densos.Supondo que a freqüência de perfilamento seja de 1 Hz(2 perfis transversais), seriam obtidos cerca de 12.500pulsos LASER em cada um dos perfis a uma freqüênciade operação do sistema de 25 kHz (foper). Para umalargura de faixa de 800 m (L), correspondente a umaaltura de vôo de 1.100 m, o espaçamento entre os pontosLASER (Εperfil) ao longo dos perfis seria de 6,5 cm (eq.04).

oper

perfil

perfil f

Lf ××=Ε

2 (04)

Nestas condições, o diâmetro do ponto projetado D(eq. 01) seria de 30 cm, ou seja, cinco vezes superior aoespaçamento em questão. Isto demonstra a redundânciade observação e fica clara a necessidade de aumentar afreqüência do perfilamento para uma melhordistribuição dos pulsos LASER.

Supondo que a aeronave esteja a uma velocidade de200 km/h (55 m/s), tem-se um padrão "dente de serra"com alta densidade de pontos no sentido transversal egrande espaçamento no sentido da linha de vôo - Xesp =27,5m (fig. 07).

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FIG. 07 - FREQÜÊNCIA DE PERFILAMENTO BAIXA

Para uma freqüência de perfilamento fperfil de 30kHz, o espaçamento entre os pontos LASER (Εperfil) aolongo dos perfis seria de 1,90m. Cada perfil transversalestaria espaçado de 0,92 m ao longo da linha de vôo(fig. 08).

FIG. 08 - FREQÜÊNCIA DE PERFILAMENTO ALTA

A tabela 02 ilustra uma combinação de freqüênciasde perfilamento fperfil com algumas alturas de vôo, tendocomo resultante a densidade de pontos por m2. Paracomposição da tabela, estabeleceu-se a velocidade daaeronave em 230 km/h, equipamento com freqüênciaoperacional foper de 33 kHz e ângulo de abertura de 40°(±20°).

TABELA 02 - PARÂMETROS DEPENDENTES DAALTURA DE VÔO

Altura 500 m 1.000 m 2.000 m

FreqüênciaPerfilamento

29 Hz 27 Hz 19 Hz

Largura de faixa 360 m 720 m 1440 m

de Perfilamento

Espaçamento dosPontos - eixo X

1,11 m 1,19 m 1,69 m

Espaçamento dosPontos - eixo Y

0,63 m 1,18 m 1,66 m

Pontos / m2 1,40 0,70 0,40

Os sistemas podem operar de 500 m a 3.000 macima do nível do solo (com dispositivos opcionais, aaltura pode chegar a 6.000 m) para sistemas compatíveiscom aeronaves. Para helicópteros, os valores típicos daaltura de vôo variam de 150 a 300 m.

REFLEXÃO

As pulsações ópticas refletidas no solo sãocoletadas pelo receptor e são convertidas de sinal óticopara eletrônico. O tempo gasto para o feixe sair doreceptor e refletir no solo é medido e, baseado navelocidade conhecida da luz, pode ser determinada adistância do sensor até o solo.

Os sistemas de Perfilamento a LASER dependembasicamente da detecção de luz refletida em umasuperfície natural ou artificial. Esta detecção é feita porum componente do receptor chamado de Fotodiodo ouAPD (Avalanche Photo Diode). A sensibilidade desteFotodiodo é de relativa importância para a capacidadede captação do sinal refletido. Assim, esta reflexãodepende basicamente da sensibilidade a determinadoscomprimentos de onda do Fotodiodo (800ηm a1.600ηm) e das características desta superfície.

Outro fator determinante é o desvio dos pulsosLASER emitidos. Este desvio é da ordem de 10 a 20%em terrenos arenosos, de 30 a 50% em vegetação e de50% a 80% em coberturas metálicas de edifícios. Emresumo, quanto mais reflexiva for a superfície, maiorserá o desvio dos pulsos emitidos e menor será o retornodos pulsos ao sistema. (WEVER et al., 1999)

A tabela 03 apresenta percentuais de reflexão paraum comprimento de onda de 900ηm. Nesta tabela,quanto maior o percentual, melhor a capacidade deretorno do pulso ao sistema (WEHR, 1999).

TABELA 03 - REFLEXÃO EM MATERIAIS DIFUSOS

Material Reflexão (%)Madeira clara, seca elimpa

94

Neve 80-90

Pedras claras 85

Calcário, Argila Até 75

Vegetação mista Média 60

Coníferas Média 50

Areia seca 57

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Areia molhada 41

Areia de praia Média 50

Madeira bruta (rugosa) 25

Concreto 24

Asfalto 17

Borracha sintética 5

PRIMEIRO E ÚLTIMO PULSO LASER

Outra característica marcante dos sistemas dePerfilagem a LASER é a medição da primeira e daúltima reflexão de cada pulso LASER (fig. 09), além dadetecção de reflexões múltiplas oriundas de objetospequenos como fios e cabos suspensos acima do solo.

Esta capacidade de distinção de várias reflexões deum pulso LASER permite a identificação de objetos queprojetam-se acima do solo como, por exemplo, avegetação (fig. 10). Com a correta interpretação dospontos processados é possível a operação chamada deRemoção Virtual da Camada de Vegetação.

FIG. 09 - PRIMEIRO E ÚLTIMA REFLEXÃO DOPULSO LASER

A relação entre o número de pulsos refletidos pelosolo e o número total de pulsos emitidos pelo sistema échamada de Taxa de Penetração. Alguns estudosempíricos demonstram que este valor é de 30% paravegetação do tipo Conífera e de 65% para vegetaçãomista.

FIG. 10 - DETECÇÃO DE CABOS E VEGETAÇÃO(imagem de propriedade da OPTEN Ltd.)

GPS - CORREÇÃO DIFERENCIAL

A posição da aeronave em relação a um sistemainercial é registrada por meio de sistema de referênciainercial (IMU - Inertial Measurement Unit) durante olevantamento. Estes dados são utilizados no pós-processamento para determinar com precisão ascoordenadas dos pontos LASER medidos.

Além da posição e dos movimentos instantâneosregistrados pelo SMI, um receptor GPS baseado no soloprovê o rastreio simultâneo, possibilitando a correçãodiferencial, o que resultará em maior precisão nadeterminação da posição dos pontos LASER.

HORÁRIO DE OPERAÇÃO

Praticamente, os sistemas de Perfilamento a LASERoperam em qualquer horário, diurno ou noturno. Asúnicas obstruções para o levantamento são físicas, comochuva ou nuvens muito densas entre o local perfilado e aaeronave.

Os fabricantes argumentam que os mesmosimpedimentos para a luz visível são os mesmos para oPerfilamento a LASER, uma vez que se trata de uma luzpróxima à faixa visível do espectro (LIDAR - LightDetection and Ranging).

6 ESTAÇÕES DE BASE GPS

Em um Perfilamento a LASER, um receptor GPSlocalizado no SMI registra a posição da aeronave aintervalos fixos. Outro receptor baseado no solo provê acorreção diferencial para uma determinação de posiçãomais precisa. O DGPS (GPS Diferencial) é um métodode refinamento dos dados posicionais derivados dorastreio GPS por meio da correção de erros inerentes aoprocesso.

Refere-se como linha base, o uso de dois aparelhosGPS que coletam informações da constelação GPS aomesmo tempo. Neste contexto, a linha base é a distânciaentre o aparelho localizado no solo e o aparelhoaerotransportado.

Recomenda-se que a distância entre os aparelhosnão seja superior a 50 km. Por conseguinte, as bases desolo também devem estar espaçadas de no máximo 50km para garantia da precisão planimétrica dos pontosLASER, conforme indicado pelo fabricante do sistema.Sempre que tal condição não puder ser estabelecida, ouso de um conjunto de bases terrestres é requerido.

Além da necessidade de bases terrestrescorretamente espaçadas, existem outros fatores quecontribuem para a deterioração da qualidade do sinalGPS. Muitos são fatores externos que independem daação do operador, como anomalias eletromagnéticas

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(tempestades elétricas) e condições atmosféricasadversas (nuvens densas, chuva ...). No entanto, a perdado sinal GPS no aparelho aerotransportado, ocasionadopela execução de manobras bruscas da aeronave, é umfator que deve ser considerado.

7 PÓS-PROCESSAMENTO

DADOS E EQUIPAMENTO PARA O PROCESSAMENTO

O pós-processamento é realizado por um conjuntode programas e equipamentos necessários paraprocessar os dados coletados durante o Perfilamento aLASER.

Os dados coletados, chamados Dados Brutos (RawData), são as medidas LASER com seus respectivosatributos, dados do GPS aerotransportado e dados danavegação inercial. Além dos dados do levantamentopropriamente dito, no instante do processamento, sãoincorporados os dados de calibração do sistema eparâmetros como :

• Excentricidade da antena GPS em relação aosensor LASER;

• Ângulos de montagem da plataforma do sensorLASER quando a aeronave está nivelada no solo;

• Posição do sensor LASER em relação ao SMI.

Os equipamentos utilizados no pós-processamentoconsistem de computadores do tipo PC com boacapacidade de processamento. São requisitosimportantes e que têm influência no processo, avelocidade do processador (recomenda-se o uso deduplo processador), a quantidade de memória e ainterface de disco rígido do tipo SCSI. Como os dadosbrutos são armazenados em fitas 8 mm do tipo Exabyte,uma unidade de leitura e gravação é necessária.

ETAPAS

Nas etapas do pós-processamento (fig. 11) utilizam-se programas específicos que podem ser categorizadosda seguinte forma:

• Extração dos Dados Brutos gravados durante olevantamento;

• Separação dos Dados Brutos em dados GPS,Dados POS (inerciais) e Dados LASER;

• Refinamento dos Dados separados;• Integração dos Dados separados com os Dados

GPS das bases terrestres;• Processamento Final com uso de polígono de

corte;• Processamento Específico para Remoção de

Camada Vegetal ou Mapeamento de Cabos.

FIG. 11 - FLUXOGRAMA DE PROCESSAMENTO

TAMANHO DOS ARQUIVOS

O volume de dados é dependente da duração do vôoe do tempo em que o sensor LASER está ligado ecoletando informações.

Em geral, são necessários 300 MBytes para cadahora de Dados Brutos coletados, relativamente a umaparelho com freqüência de operação de 25 kHz, e 2,5GBytes por hora de vôo após o refinamento epreparação dos dados, relativamente a processamentosespecíficos como a remoção de vegetação.

Os arquivos de dados GPS normalmente nãorepresentam problema de armazenamento, pois cadahora de rastreio eqüivale a cerca de 10 MBytes a umataxa de 1 segundo.

RESULTADOS FINAIS

Com os dados referentes à Calibração e àmontagem do sistema, ao posicionamento inercial e àmedição propriamente dita, é possível o cálculo de umconjunto de pontos perfilados referenciados ao sistemaWGS-84.

O conjunto de pontos pode ser transformado para osistema de coordenadas local utilizando as fórmulas detransformação de Datum usualmente empregadas (porexemplo, fórmulas de Molodensky).

Normalmente, o conjunto de pontos apresenta-secomo uma "nuvem" cuja distribuição depende do padrãode varredura utilizado. Estes pontos podem serclassificados de acordo com a elevação, comidentificação de pontos sobre o terreno e pontos sobrevegetação ou edificações. Nesta etapa, utilizam-sealgoritmos de filtragem, que se encontram em contínuodesenvolvimento.

Page 9: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

Estes algoritmos podem ser aplicados tanto à"nuvem" de pontos quanto a um conjunto de pontosespaçados regularmente. No segundo caso, existe apossibilidade da influência da interpolação necessáriapara estabelecer a regularidade do espaçamento noresultado final. Alguns algoritmos para tratamento dosdados em base regular foram desenvolvidos porque emmuitos casos de distribuição irregular, os pontos estãoconcentrados ou dispersos (áreas com vegetação densa)de maneira que o processo de filtragem ficacomprometido.

Uma vez que a quantidade de pontos resultante doprocessamento é muito grande, geralmente este númeroé reduzido para atender a capacidade de processamentodas aplicações comerciais. Neste tipo de aplicação éfeita a visualização dos dados e a edição manual, senecessária.

8 CALIBRAÇÃO E ERROS POSICIONAIS

Como em outras metodologias, os erros encontradosem um sistema de Perfilamento a LASER são derivadosdos erros de seus componentes, como o próprio emissordo feixe de LASER, a solução GPS e a orientação doSMI (BALTSAVIAS, 1999b).

OBJETIVO

O objetivo da Calibração é confirmar que o sistemaestá operando de acordo com as suas especificações etolerâncias de precisão, além de permitir a obtenção deparâmetros de correção de possíveis desvios. Osparâmetros chamados estáticos, que correspondem àCalibração de Laboratório, não serão discutidos nestetrabalho. Somente serão tratados os procedimentos deCalibração Dinâmicos, que reproduzem característicasde operação normal do sistema.

ALVO

O primeiro passo para a Calibração é a escolha edeterminação de um alvo terrestre. Este alvonormalmente é um edifício retangular de grandedimensão com teto plano e não reflexivo. Caso o teto doedifício não seja apropriado, um estacionamento oupátio pode substituir a condição da superfície plana doteto (fig. 12).

Este alvo deve estar bem posicionadoespacialmente, permitindo a sua medição por meio deprocessos convencionais como GPS ou estação total.

FIG. 12 - EXEMPLO DE ALVO DE CALIBRAÇÃO

ERROS POSICIONAIS

O alvo escolhido para Calibração é perfilado emvárias direções controladas, com altura de vôo constantee parâmetros de perfilagem conhecidos.

Anulando os prováveis erros do GPS (perfilamentoem direção oposta), os erros posicionais podem seratribuídos principalmente aos efeitos de roll, pitch eheading. Os vários padrões de vôos de Calibraçãopermitem conhecer e isolar estes erros.

PITCH E ROLL

Os erros de roll & pitch são função da sensibilidadedos acelerômetros e causam uma aparente aceleraçãohorizontal que provoca erros de posição. No entanto,este erro dos acelerômetros possui uma espécie decomportamento ("assinatura") que pode ser canceladocom o uso de filtros de processamento (Kalman filter).

Os efeitos de roll, pitch e heading, representadospor ∆r, ∆p e ∆h nos pontos LASER perfilados, sãodados pela eq. 05, onde x', y' e z' são os pontos LASERtransladados das suas posições originais x, y e z.

∆∆−∆−∆

∆∆−=

z

y

x

rp

rh

ph

z

y

x

1

1

1

'

'

'

(05)

Assim, convencionando que x é a direção da linhade vôo, y é a transversal à linha de vôo ou a direção doperfilamento e z é a vertical com sentido positivo emdireção ao solo, temos :

pzhyxx ∆+∆−= ..' (06)

rzhxyy ∆−∆+= ..' (07)

rypxzz ∆+∆−= ..' (08)

Page 10: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

Para determinar o erro de pitch, o sistema éconfigurado para um ângulo de abertura igual a zero, ouseja, para o modo perfilamento. Dessa maneira, comy=0 na eq. 06, temos o efeito de pitch calculado por :

z

xxppzxx

)'(.'

−=∆∴∆+= (09)

O erro posicional de roll é determinado por meio deum perfilamento onde o pulso mais vertical correspondaa uma das paredes laterais do alvo (preferencialmente amais extensa). Dessa maneira, o erro do escaner éminimizado uma vez que o eixo de rotação em y éparalelo à linha de vôo. Com x=0 na eq. 07, temos oefeito de roll calculado por :

z

yyrrzyy

)'(.'

−=∆∴∆−= (10)

Os erros posicionais de pitch e roll devem seravaliados e introduzidos como parâmetros de correçãodo sistema antes da determinação do erro de heading.

HEADING

O valor do heading normalmente não é alteradopelos procedimentos da Calibração. Quando um erro deheading ocorre, objetos com forma e dimensõesconhecidas (por exemplo, edifícios), parecerão estargirados.

O erro de heading é observado primeiramentedevido à aceleração. Durante um vôo linear e estável deuma aeronave com pouca ou nenhuma aceleração, oerro de heading cresce de um determinado valor quedepende do "ruído" e sensibilidade do giroscópio.Atingindo um determinado valor, o heading é corrigido(fig.13).

FIG. 13 - ERRO DE HEADING COM CORREÇÕES DEAUTO-ALINHAMENTO

Durante o pós-processamento é usada uma funçãocomputacional que reprocessa os dados coletados deheading, de maneira a suavizar os erros encontradosrelativamente aos auto-alinhamentos realizados duranteo vôo pelo próprio equipamento (Fine HeadingAlignment) (fig. 14).

FIG. 14 - ERRO DE HEADING APÓS FUNÇÃO DESUAVIZAÇÃO

O erro de heading é avaliado com a verificação docomportamento dos pulsos finais da linha deperfilamento em combinação com o alinhamento dasparedes laterais do alvo utilizado.

Assim, da eq. 06 temos :

y

pzxxh

∆+−=∆

.)'( (11)

DETERMINAÇÃO PRÁTICA

O erro de pitch é avaliado por meio de vôos sobre oalvo na direção de sua maior extensão e usando oângulo de abertura igual a 0° permitindo que o sistemaopere em modo de perfilamento. Na fig. 15 estárepresentada a determinação do erro de pitch.

FIG. 15 - ERRO DE PITCH

Sendo os segmentos AB e CD representativosdas dimensões do alvo no sentido longitudinal e emdireções opostas com relação à linha de vôo, pode-secomputar as diferenças em relação à dimensão real doalvo (dab e dcd).

Usando a eq. 09 e valores de dab=0,50m, dcd=0,51me altura de vôo H= 1200m, o erro posicional de pitchpode ser obtido por :

Page 11: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

mradH

ddp cdab 4,0

12002

)51,050,0(

.2

)(±=

×+

=+

=∆

O erro de roll é avaliado considerando vôos deperfilamento coincidindo a linha de vôo com oalinhamento lateral do alvo. Neste caso, o ângulo deabertura deve ser diferente de 0°. Na fig. 16, encontra-serepresentada a determinação do erro de roll.

FIG. 16 - ERRO DE ROLL

Com os segmentos representativos do alinhamentolateral do alvo no sentido longitudinal e em direçõesopostas à linha de vôo, pode-se computar as diferençasem relação à dimensão real do alvo (d e d').

Usando a eq. 10 e valores de d=1,20m, d'=1,35m ealtura de vôo H= 1200m, o erro posicional de roll podeser obtido por :

mradH

ddr 06,1

12002

)35,120,1(

.2

)'(±=

×+

=+

=∆

O valor de heading é melhor obtido levando emconta a situação dos pulsos LASER na extremidade dalinha perfilada, uma vez que seu efeito é mais evidente àmedida que se afasta do centro da linha de perfilamento.A distância do centro da linha perfilada (Nadir) até oúltimo pulso representativo do limite do alvo constitui ovalor de y (fig. 17).

FIG. 17 - ERRO DE HEADING

A distância do limite lateral real do alvo até o pulsoLASER na extremidade da linha perfilada representa ovalor de d. Para uma melhor avaliação do valor deheading são feitas várias leituras ao longo da linha devôo e tomada a média destas avaliações.

Usando a eq. 11 e valor de d=0,40 m e altura de vôoH=1200 m, considerando o erro posicional de pitchigual a zero, o erro de heading pode ser obtido por :

mrady

dh 3,7

55

40,0±===∆

CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO

Após o processamento dos dados coletados duranteos vôos de Calibração, os pontos são importados paraum programa de visualização e confrontados com aposição do alvo obtida por meio de medição GPS, sendodeterminadas as diferenças para cada componente.

O sistema LASER é calibrado em laboratório paraconhecimento dos valores primários de desalinhamentode roll, pitch e heading. Os valores de correção obtidossão reaplicados ao processamento para confirmar oprocesso corretivo. Constatada a validade dosparâmetros obtidos, estes serão aplicadosautomaticamente pelo programa de processamento aoslevantamentos subseqüentes.

Quando o sistema está operando normalmente, osvalores de compensação derivados da Calibração nolaboratório são aplicados a cada pulso LASER a fim depermitir valores já corrigidos em tempo real. Noentanto, para maior precisão, é possível utilizarcompensações em modo pós-processado, combinadocom a solução diferencial do GPS.

A Calibração de Campo é realizada paracomprovar a validade e confiabilidade da Calibração de

Page 12: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

laboratório. Freqüentemente, os valores decompensação precisam ser ajustados para refletir arealidade da instalação do sistema na aeronave. Comprocedimentos pré-determinados para a Calibração deCampo, os valores de compensação são obtidos ecomparados aos valores de laboratório. Caso hajanecessidade, os valores pré-definidos em laboratório sãoalterados de acordo com os novos valores obtidos pelaCalibração em campo. Os valores de correção somenteserão aplicados aos dados obtidos para novoslevantamentos se ultrapassarem as tolerânciasestabelecidas pelo fabricante.

Os erros de compensação são interpretados como sea aeronave tivesse movimentos de giro em torno doseixos posicionais. No entanto, o que de fato está sendocorrigido para fins de orientação, são os possíveisdesalinhamentos do SMI em relação ao conjunto ótico.

9 OUTRAS FONTES DE ERRO

ERROS DO PULSO LASER

Em condições normais de operação , o máximo erroesperado em um emissor LASER devidamente calibradoé da ordem de 5 a 7 cm, independentemente da altura devôo.

As condições atmosféricas afetam o pulso LASER esão significativas à medida que a altura de vôo aumenta.O efeito atmosférico no pulso LASER é condicional aocomprimento de onda usado pelo sistema. A correçãopara a refração e velocidade do pulso LASER naatmosfera é aplicada com conhecimento da temperatura,da pressão e da umidade no emissor LASER e na regiãoperfilada. Este efeito é minimizado (não eliminado)incorporando um modelo atmosférico aos dados pós-processados.

ERROS INERENTES AO SMI

O conhecimento da correta posição do sensor noespaço é condição necessária mas não suficiente para ocálculo das posições dos pontos LASER. A corretamedida dos ângulos posicionais de roll, pitch e headingexecutada pelo SMI é requerida para determinar adireção de cada pulso LASER em relação à superfícieperfilada.

As diferenças resultantes do SMI dependem dofabricante, mas geralmente se encontram na ordem de1/100º, que a 1.000 m de altura (0,005° para pitch e rolle 0,008º para heading) correspondem a uma qualidadedecimétrica semelhante à do GPS.

No pós-processamento diferencial da solução GPS,a precisão de posição de um SMI varia de 5 cm a 30 cm(EMQ - Erro Médio Quadrático)..

A tabela 04 apresenta valores de precisão de umSMI, levando-se em conta condições normais de umlevantamento. (MOSTAFA et al., 2001)

TABELA 04 - PRECISÃO DO SMI

GPS comC/A

DGPSPós-

processadoPosição (m) < 10 0,5 – 2,0 0,05 - 0,30

Roll & pitch (°) 0,03 0,03 0,013

Heading (°) 0,10 0,08 0,035

ERROS DE POSICIONAMENTO GPS

O GPS é um componente importante em umsistema LASER, estando diretamente relacionado com aprecisão. O GPS está presente na parte aerotransportadalevantando a trajetória do sensor e na parte terrestrepromovendo a correção diferencial do levantamento(SATALICH, 2001).

Os possíveis erros de posicionamento devido aoGPS podem ser divididos em três categorias :

• Intrínsecos - relacionados às freqüências L1 &L2, à geometria dos satélites (PDOP - PositionalDilution of Precision), ao número de satélites,aos deslocamentos orbitais, aomulticaminhamento, aos erros de propagação dosinal na atmosfera e às interferênciaseletromagnéticas;

• Externos - relativos aos pontos de controle e àmodelagem do geóide;

• Operacionais - devido à falta de carga nasbaterias, à cabos mal conectados, à entrada deparâmetros incorretos e às manobras bruscas daaeronave, que podem interromper o recebimentodo sinal GPS no aparelho aerotransportado.

Levando-se em conta que todas as medidas paradetectar, eliminar ou reduzir os erros relacionados aoGPS sejam estabelecidas, ainda são necessários paraobtenção da precisão requerida:

• um plano de vôo apropriado com bomplanejamento de faixas sobre a área de interesse;

• operações de vôo dentro de limites apropriadospara evitar perda de sinal dos satélites GPS(mínimo de 5 na janela de trabalho);

• distribuição adequada das estações base no solocom distâncias variando entre 10 e 50 km até oreceptor na aeronave.

A maior parte deste erro é devida aos resíduos deatraso da propagação do sinal GPS na Ionosfera que sãode baixa freqüência e não podem ser removidos poratenuação quando conjugados com os dados inerciais.

ERROS ORIUNDOS DA DIVERGÊNCIA

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A característica de reconhecimento dos dados doprimeiro e último retorno do pulso LASER pode resultarem pequenas diferenças na interpretação de resultados,especialmente quando a condição de utilização depulsos com grande divergência ocorrer.

Por exemplo, um pulso com divergência de 0,5mrad a uma altura de vôo de 1.000 m representa umcírculo projetado do pulso LASER com diâmetro de 0,5m. Obviamente, o centro verdadeiro deste pulso LASERestará contido neste círculo projetado.

Na borda de uma edificação, um pulso LASERprojetado com esta condição de divergência podeinterceptar parcialmente esta borda e parcialmente osolo, permitindo duas informações de retorno para opulso. O primeiro retorno indicará o ponto sobre alateral da edificação e o segundo retorno indicará que opulso atingiu o solo. Consequentemente, se as análisesde Calibração forem feitas levando-se em conta um ououtro retorno do pulso ou a própria interpretação dedados definitivos de perfilamento, os resultados podemficar comprometidos.

Outro fator relacionado com a divergência do pulsoLASER é a complexa interação entre a transmissão e areflexão no objeto perfilado. O sinal retornado seráfunção da dispersão da energia do pulso LASER dentroda área formada pela projeção do ponto no alvo.

Se o alvo perfilado não for ortogonal em relação aopulso LASER, a mesma situação acima poderá ocorrer,ou seja, apenas parte do pulso LASER atingirá o alvoem questão. Assim, alvos não uniformes com diferençasde reflexão e inclinação significativa em relação à linhaperpendicular ao pulso LASER permitem incertezas emrelação à posição planimétrica que, por conseguinte,traduzem-se em incertezas posicionais para a altimetria.

ERROS SISTEMÁTICOS OU CASUAIS

Os erros angulares (pitch e roll) causam errosposicionais que são proporcionais à altura de vôo. Noentanto, se um determinado erro permanece constantecom a variação da altura de vôo, uma das causas podeser a avaliação da excentricidade da antena GPS emrelação ao sensor LASER. Esta referência errada podeincutir um erro sistemático ao resultado.

Um erro oriundo do conjunto ótico podetransparecer como um erro posicional de roll. Este erropode ter origem num deslocamento físico do conjuntoótico no interior do sensor LASER, fisicamenteoriginado por uma queda ou batida brusca doequipamento ou pela má avaliação do fator de escala doconjunto ótico.

Se após um processo de Calibração de roll, o alvo(ou um elemento de proporções conhecidas) aparentaestar mais largo ou estreito do que a realidade, ao

observar-se o resultado de um perfilamento pode-seconsiderar que o fator de escala corrompido é oprovável motivo desta diferença.

ERROS DESPREZÍVEIS

Outras fontes de erro que contribuem de maneiradesprezível perante as outras já descritas, porémexistentes, são a imprecisão do tempo de resposta doreceptor (Latência); a diferença angular entre otransmissor e o receptor do pulso LASER; e aimprecisão da determinação do ângulo real de cadapulso LASER transmitido e recebido.

10 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

O primeiro objetivo para o uso do Perfilamento aLASER foi o mapeamento de áreas de vegetação. Umasegunda aplicação proposta para este sistema foi omapeamento de áreas onde a Fotogrametria não eraapropriada por não oferecer o contraste e texturanecessárias, como por exemplo, em regiões costeirascontendo largas faixas de areia.

No entanto, com a difusão desta nova tecnologia emvários países, seu potencial de aplicação foicomprovado nas mais diversas áreas, tais como:

• Telecomunicações - para obtenção de modelos deelevação que permitam estudos de propagação deondas e posicionamento de antenas receptoras etransmissoras (fig. 18);

FIG. 18 - APLICAÇÃO EM TELECOMUNICAÇÕES

• Engenharia Florestal - para determinação devolumes e alturas da vegetação, estimativa debiomassa, além da remoção virtual de coberturavegetal (fig. 19);

Page 14: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

FIG. 19 - APLICAÇÃO EM ENGENHARIAFLORESTAL

• Modelos 3D Urbanos - para cálculo de volumes defeições artificiais, corredores urbanos formados poredifícios em vias preferenciais, estudos de micro-clima, propagação de ruídos e poluentes (fig. 20);

FIG. 20 - APLICAÇÃO PARA MODELAGEM URBANA

• Mapeamento - para superfícies com texturahomogênea e de pouca definição como areia,banhados ou áreas muito planas e desérticas;

• Modelos 3D Diversos - para cálculo de cargahidráulica de barragens em épocas de cheia ou baixados reservatórios;

• Criação de MDT (Modelo Digital de Terreno) ouMDE (Modelos Digitais de Elevação) - MDTs eMDEs são usados para a retificação diferencial(correção dos deslocamentos de imagem devido aorelevo) na obtenção de ortofotos (fig. 21);

FIG. 21 - APLICAÇÃO PARA OBTENÇÃO de MDT

• Obras viárias (rodovias e ferrovias) - para projetoou para detecção rápida de interferências na faixa dedomínio, cálculo de volumes de corte e aterro (fig.22);

FIG. 22 - APLICAÇÃO EM OBRAS VIÁRIAS

• Linhas de Transmissão - para localização dainterferência de árvores e outras estruturas na faixade domínio, posicionamento de torres e modelagemda catenária dos cabos (talvez a mais distintaaplicação, pois a identificação de pequenos objetoscomo cabos é muito mais difícil na fotografia aérea)(fig. 23);

pontos LASER

imagem

Page 15: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

FIG. 23 - APLICAÇÃO EM LINHAS DETRANSMISSÃO

• Estudos específicos de corredores - como oPerfilamento a LASER pode ter sua largura devarredura ajustada, o sistema é mais eficiente nacaptura e modelagem de faixas estreitas como dutos,estradas de ferro e linhas de transmissão,possibilitando a obtenção de perfis com boaqualidade (fig. 24).

FIG. 24 - APLICAÇÃO EM CORREDORES

11 FOTOGRAMETRIA E LASER

LASER

Desde os primeiros estudos em 1983, um dosobjetivos do Perfilamento a LASER vem sendo aobtenção de um conjunto de pontos que representem aforma do terreno perfilado. Durante os últimos cincoanos, aumentou o interesse da comunidade cartográficaem relação ao conhecimento e ao uso mais intenso destafuncionalidade.

O processamento dos dados brutos com algoritmose procedimentos próprios de cada fabricante,especialmente para o processo que envolve a filtragem eclassificação dos pontos LASER, envolve umatecnologia relativamente nova com influências óbviasnos custos, integração de sistemas e maturidade demétodos.

FOTOGRAMETRIA

A Fotogrametria concentra-se fundamentalmenteem processar imagens, sejam em forma digital ouanalógica, para obter produtos derivados como ModelosDigitais de Terreno (MDT), imagens retificadas,modelagem 3D para animação ou visualização, além dainterpretação de feições naturais e artificiais paraaplicações espaciais ou temáticas.

Este processamento de imagens analógicasnormalmente é feito por aparelhos restituidoresanalíticos, em uso há mais de 20 anos, enquanto asimagens digitais são tratadas em EstaçõesFotogramétricas Digitais (DPW - Digital

Photogrammetric Workstation), em uso há menos de 8anos.

Com o advento da era digital, o embasamentoteórico da Fotogrametria, que mantinha conceitosestabelecidos desde sua introdução como ciência, vempassando por uma grande modificação com a extraçãode informação de imagens digitais baseado em métodosautomáticos, como por exemplo, a Correlação deImagem.

ASPECTOS COMUNS E DIFERENÇAS

As diferenças principais entre Fotogrametria ePerfilamento a LASER estão expressas na tabela 05(BALTSAVIAS, 1999).

TABELA 05 - DIFERENÇAS ENTRE AFOTOGRAMETRIA E LASER

Fotogrametria LASER

Sistema Passivo Sistema Ativo

Sensor linear ou comquadro negativo fixo comgeometria de perspectiva

Sensor pontual comgeometria polar

Cobertura em área Informação pontual

Aquisição de informaçãode forma indireta

Aquisição direta decoordenadas X, Y e Z

Imagens de qualidadegeométrica e radiométricaalta

Nenhuma imagem ou dequalidade inferior

Objetos pequenos são dedifícil interpretaçãoconforme escala do vôo,não existe imagem abaixoda vegetação ...

Habilidade deposicionamento deobjetos de pequenasdimensões, penetração navegetação ...

Outras diferenças são conseqüência do mencionadona tabela 05 ou dizem respeito à maturidade datecnologia e ao potencial para desenvolvimentoadicional. Do ponto de vista do produto, o Perfilamentoa LASER está disponível atualmente somente pelosprovedores de serviço devido ao alto investimento noequipamento, enquanto usuários finais vêm utilizandosistemas fotogramétricos, inclusive em computadorespessoais.

Alguns aspectos operacionais são comuns entre aFotogrametria e o Perfilamento a LASER, tais como:• Uso de GPS e SMI - Para a Fotogrametria, o

conjunto GPS e SMI está presente nas coberturasaéreas com determinação do Centro Perspectivo ecom Plataformas Inerciais de Correção dosMovimentos da Aeronave. No Perfilamento aLASER, este conjunto é essencial para a

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determinação das coordenadas dos pontosresultantes dos pulsos LASER;

• Métodos para processamento dos pontos de umMDT como filtragem de erros grosseiros, remoçãode objetos não pertinentes ao conjunto comoedifícios, compressão de dados e uso/detecção delinhas estruturais (breaklines).

Assim, a integração do sensor e imagem ou doprocesso digital e análise, são tópicos importantes queunificam as duas tecnologias.

A aplicação principal, comum à Fotogrametria e aoPerfilamento a LASER, é a medida de superfícies 3D ede objetos isolados. No entanto, a ausência de imagemno resultado do Perfilamento a LASER leva à conclusãoque a classificação e identificação de objetos sem o usode um sensor óptico adicional é muito difícil, para nãodizer impossível.

Considerando que os dados LASER são compostossomente de coordenadas, é clara a necessidade deimagens que sejam espacialmente e temporalmentereferenciadas às medidas LASER como complementonecessário para interpretação dos objetos.

OBTENÇÃO DE UM MDT

A obtenção de um MDT na Fotogrametria pode serfeita por dois processos distintos. O processo chamadoManual consiste na coleta de pontos com uso daEstereoscopia em Aparelhos Restituidores ou EstaçõesDigitais de maneira direta ou indireta.

A maneira direta seria uma leitura de coordenadasde pontos em perfis consecutivos, executada sobre omodelo estereoscópico, a intervalos regulares ou nãoentre os pontos medidos, estabelecendo assim, umreticulado de pontos.

A maneira indireta seria a obtenção de uma graderegular de pontos extraída de um conjunto de pontosformado pelas curvas de nível, pontos cotados e linhasestruturais (breaklines), obtidas por CaptaçãoFotogramétrica.

Devido às características da captação, o processoManual pode ser seletivo, permitindo o adensamento depontos em determinadas áreas de interesse e maisespaçamento em outras. O processo Manual tambémpermite uma modelagem explícita de feições linearescomo rios, estradas e outros elementos caracterizadoscomo estruturais.

O processo Automático para obtenção de um MDTutiliza os fundamentos da Correlação de Imagem. ACorrelação de Imagem é um procedimento de definiçãode um padrão de imagem em uma imagem digital e aconseqüente identificação de seu correlato na imagemsubseqüente, formadoras de um modelo estereoscópico.

É um procedimento altamente redundanteprocessando uma quantidade muito grande de pontos. Aexceção é para as áreas com textura de imagem muitohomogêneas, onde a identificação dos padrõesnecessários para a correlação fica comprometida.

O processo Automático só identifica as linhasestruturais de maneira precária e, mesmo assim, semusar um procedimento seletivo. Normalmente, estemétodo automático tem sua qualidade melhorada com autilização de linhas estruturais extraídas manualmentedas imagens.

O Perfilamento a LASER é considerado um métodoAutomático de obtenção de um MDT, pois guardacaracterísticas destes procedimentos, como aredundância. A redundância alta de pontos pode serbastante útil para a melhor modelagem de um objeto,porém, sempre será necessária uma redução no númerode final de pontos.

Caso contrário, o esforço computacional transcendeos limites dos equipamentos e programas comerciaisexistentes. Bons programas comerciais para tratamentode pontos e obtenção de MDT trabalham com umacapacidade de processamento de 40 milhões de pontospara cada 1 GBytes de memória principal. Um sistemade Perfilamento a LASER, com taxa de 25 kHz, produzesta quantidade de pontos em 27 min de operação. Se aaeronave percorre 200 km/h, isto eqüivale a cerca de100 km lineares de perfilamento.

MDE E INTERFERÊNCIAS EM UM MDT

Os métodos automáticos como a Correlação deImagem na Fotogrametria e o Perfilamento a LASERextraem um Modelo Digital de Elevação (MDE) quecorresponde ao conjunto de pontos extraídos de umterreno sem levar em conta a extinção de elementos nãoformadores desta superfície. Já, o Modelo Digital doTerreno corresponde a um conjunto de pontos querepresentam somente a superfície desejada sem asinterferências naturais ou artificiais existentes em umadeterminada área.

Alguns programas computacionais oferecem apossibilidade de filtrar objetos naturais ou artificiais quenão são formadores de um MDT, como edifícios eárvores. O termo filtrar pode ter vários significados. Porum lado pode significar a filtragem (suavização) deerros aleatórios, e por outro, pode representar afiltragem (eliminação) de erros grosseiros, que tambémé considerada uma classificação (PFEIFER et al, 2001).

A maioria dos processos de filtragem é baseadasomente em critérios geométricos, como por exemplo,"erupções" 3D no MDE que tem uma certa área, alturaou inclinação são excluídas. Porém, este procedimentoresulta satisfatório somente com elementos isolados ou

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se estes forem a minoria dentro da região processada eestiverem localizados em terreno relativamente plano.

Em terreno acidentado, as particularidades físicasde um terreno como cumes de locais elevados sãoeliminadas também. Na situação contrária, quando ospontos de solo são a minoria, como por exemplo, emclareiras na vegetação ou vias estreitas em áreasdensamente construídas, estes pontos são eliminados emvez das "erupções" não desejadas.

Algumas pesquisas no desenvolvimento dealgoritmos inteligentes estão sendo conduzidas, masuma pesquisa em especial, desenvolvida pelo Institute ofPhotogrammetry and Remote Sensing of the Vienna -University of Technology (I.P.F.), vem apresentandoresultados (fig. 25) bem alinhados com a necessidade deautomatização deste processo (PFEIFER et al, 2001).

sem filtragem

com filtragem

FIG. 25 - AÇÃO DE ALGORITMO DE FILTRAGEM(PFEIFER et al, 2001)

Outra maneira de identificar a presença deelementos estranhos à composição de um MDT seria ouso de outros atributos de identificação, além dageometria, para conduzir a uma subtração maiscompleta e precisa destes objetos. Tais atributosincluem a resposta multiespectral, contraste, informaçãoradiométrica das bordas do elemento, textura, sombra,alinhamento, comprimento e orientação.

A extração destes atributos diretamente do resultadodo Perfilamento a LASER não é possível, pois taisatributos não são coletados pelo sistema. Estacapacidade de interpretação adicional só é conseguidacom o uso de imagens digitais. Mesmo assim, o

processo de identificação e exclusão de elementos quenão formam um MDT é muito difícil de automatizarcompletamente, pois os mesmos critérios deidentificação automática devem ser empregados nasimagens que são muito mais complexas em termosradiométricos e geométricos que os dados LASER.

DENSIDADE DE PONTOS NO MDT

A densidade de pontos é um fator importante no quediz respeito à qualidade de um MDT. No processofotogramétrico, seja Manual ou Automático, esteespaçamento pode ser teoricamente tão denso quanto sequeira. É óbvio que o custo operacional relacionado àqualidade desejada é fator determinante para umespaçamento ótimo.

No caso da Correlação de Imagem, umespaçamento muito reduzido entre os pontos não fazsentido em função do uso da amostragem de pixels porvizinhança. Assim, o menor espaçamento entre pontoscorrelacionados na imagem é função do tamanho dopadrão de amostragem para a Correlação.

Assumindo como padrão de amostragem umquadrado com 5 x 5 pixels, tendo cada pixel tem 13 µm(2.032 dpi), teremos um círculo inscrito no padrão comdiâmetro de 65 µm. Assumindo o uso de uma câmaraaérea com distância focal 150 mm, o GSD (GroundSample Distance - tamanho dos pixels no terreno) paraeste padrão, resulta em um espaçamento entre pontos(esp em metros) com H sendo a altura de vôo (eq. 12).

230015,0

000065,0 HHH

f

padesp ∴×∴×= (12)

No Perfilamento a LASER, o menor espaçamentoentre os pontos seria a metade da projeção do pulso noterreno. Adotando a divergência média como 1 mrad, oespaçamento em função da altura de vôo (H) é de (eq.13):

200000005,0

HHHesp ∴×∴×= α (13)

Em resumo, as duas tecnologias são equivalentesem termos de densidade possível de pontos para umMDT. Na prática, nem a Captação Manual ou aCorrelação de Imagem da Fotogrametria, nem oPerfilamento a LASER, precisam ter um espaçamentotão denso para obtenção de um MDT utilizável(BALTSAVIAS, 1999).

QUALIDADE DOS PONTOS

Os sistemas de Perfilamento a LASER, em geral,apresentam uma precisão altimétrica de 2 a 4 vezesmelhor que a planimétrica. Esta relação é válida para

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terrenos com inclinação menor que 30%. Algumaspesquisas independentes dos fabricantes mostraram queconforme a inclinação do terreno e o tipo de cobertura(que prejudica a reflexão do pulso), esta relação podeainda ser muito menor, principalmente pela deterioraçãoaltimétrica.

No Perfilamento a LASER em terrenos cominclinação superior a 30% e camada vegetal heterogêneae densa, a componente altimétrica deteriora de 0,5 a 1 mpara 1.000 m de altura de vôo (KRAUS et al, 1998).

Por sua vez, a Fotogrametria não permite adefinição do terreno em áreas com cobertura vegetaldensa, fixando assim uma tolerância de qualidade queeqüivale à metade da altura média da vegetaçãoexistente. Isto pode levar a situações decomprometimento da componente altimétrica,principalmente em áreas florestadas de talveguesacentuados.

Assim, mesmo com a deterioração do Perfilamentoa LASER em regiões adversas, estes sistemas são maisconfiáveis para obtenção de pontos para um MDT queos processos Manual e Automático da Fotogrametria.

Na Correlação de Imagem, é fácil perceber que ospontos derivados do processo são representativos davegetação que submeterá os padrões de amostragem. ACorrelação em imagens de áreas florestadas édificultada pela homogeneidade da textura davegetação. Estes locais de textura homogênea quecomprometem o processo normalmente sofremintervenção manual.

No Perfilamento a LASER, ignorando o efeito dainclinação do terreno e da reflexão do pulso LASER, aqualidade altimétrica esperada apresenta deterioração devalores que varia de 0,5 a 2 cm para cada 100 m dealtura de vôo, considerando alturas de vôo típicas (até1.200 m) e um ângulo de abertura de 30º. Conformevisto anteriormente, este erro não é linear e simexponencial, aumentando rapidamente com oincremento da altura de vôo.

Na Fotogrametria, os valores tolerados como limitespara a precisão de coordenadas de Pontos de ControleTerrestres individuais, em um ajuste deAerotriangulação, são da ordem de 3 cm (50 µm/f x H)para a planimetria e 2 cm (30 µm/f x H) para aaltimetria, a cada 100 m da altura de vôo, assumindouma distância focal (f) da câmara aérea de 150 mm. OErro médio Quadrático (EMQ) tolerado para o processode Aerotriangulação na Fotogrametria é de 15 µm, quecorresponde a 1 cm para cada 100 m na altura de vôo.

Os valores para a Fotogrametria e o Perfilamento aLASER assemelham-se, mas diferem no fato de que, naFotogrametria a qualidade é uniforme sobre a superfície

trabalhada, não variando de maneira diferente nasextremidades desta área.

A comparação anterior refere-se às medidas diretaspor processos fotogramétricos manuais (leiturainstrumental). A Correlação de Imagem proporcionaresultados tão bons quanto os processos manuais. Aduplicação do padrão de amostragem não causadeterioração superior a 20% na qualidade final de umMDT, na maioria das superfícies trabalhadas.Normalmente, os erros na Correlação de Imagem sãolocalizados e causados por descontinuidades bruscas nasuperfície trabalhada.

A preparação de um conjunto de dados comincorporação de linhas estruturais (breaklines) eexclusão de áreas problemáticas que podemcomprometer o conjunto, são procedimentos comunsque melhoram o resultado final. Com estes cuidados, osresultados incluem erros localizados que requerempouco tratamento manual. Estes erros localizados sãooriundos de imagens com textura homogênea, sombras,diferenças geométricas e radiométricas entre as imagensentre outros. Tais situações não são encontradas noPerfilamento a LASER.

MORFOLOGIA

Mesmo que a qualidade geométrica e a densidadedos pontos de um Perfilamento a LASER sejam altas, aqualidade morfológica do MDT derivado destes pontosnem sempre é satisfatória. Sem levar em conta a nãoexistência de linhas estruturais, a razão principal dafiltragem dos dados brutos é reduzir erros provenientesde elementos estranhos a um MDT (edificações,árvores...).

Geralmente, os algoritmos de filtragem aplicadosnão podem distinguir entre uma reflexão válida ou não.Assim, o uso de imagens aéreas pode ser de grandevalia para a interpretação de elementos válidos ou nãopara a construção de um MDT.

Outra alternativa é o uso do parâmetro Intensidadeda Reflexão, disponível em alguns sistemas dePerfilamento a LASER. A intensidade apresenta valoresbem distintos para elementos perfilados comcaracterísticas de vegetação e outras feições comorochas, edificações, etc. (KRAUS et al, 1999). Contudo,a obtenção de medidas fotogramétricas manuais ainda éo melhor método para obter alta qualidade de um MDTna questão morfológica, pois a interpretação de feiçõesé direta e em tempo real.

CUSTO X TEMPO

O Perfilamento a LASER, devido a sua aquisiçãodigital de dados e medida direta, propicia a obtenção deum MDT de maneira mais rápida que a Fotogrametria.

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Por conseguinte, espera-se que os custos de aquisiçãosejam inferiores à Fotogrametria (fig. 26).

FIG. 26 - CUSTOS DE AQUISIÇÃO DE UM MDT PORFOTOGRAMETRIA, LASER E OUTROS

Os custos da Fotogrametria são bem conhecidos e,no caso de obtenção de um MDT, são dependentesdiretamente da forma do terreno. Assumindo que fotosaéreas teriam uso único e exclusivo para obtenção deum MDT, o custo da Fotogrametria por km2 é nomínimo o dobro do Perfilamento LASER.

No caso do Perfilamento a LASER, por tratar-se deuma tecnologia recente e por não possuir um mercadoestabilizado, existem muitas interpretações para ospreços. Cada provedor de serviço tem meios diferentesde calcular os custos e os preços internacionais variamde US$ 90 a 500 / km2, em função da dimensão da área,densidade de pontos, tipo de pós-processamento, custosextras para mobilização, plataforma, etc. (HAALA,1999)

12 RESULTADOS

NORMAS INTERNACIONAIS

Os sistemas de Perfilagem a LASER estão sendocontinuamente estudados por sub-comitês da ASPRS(American Society of Photogrammetry & Remote

Sensing) para definição de normas específicas paraCalibração e tolerâncias de resultados encontrados porestes sistemas, visando contribuir para findar asdiferentes interpretações existentes em termos depadrões para sistemas LIDAR (Light Detecting &Ranging).

Mesmo com o conhecimento da maioria dos fatoresintrínsecos aos componentes que afetam a precisão deuma sistema de Perfilamento LASER, a precisãooperacional final é geralmente superior às especificadaspelos fabricantes e muito mais difícil de ser definida.

Com relação à precisão, alguns pontos devem serbem estabelecidos :

• As especificações dos fabricantes são derivadasde análises estatísticas e os valores encontradossão válidos para aproximadamente 68% dosdados (1σ) em uma distribuição normal. Osvalores para 90% (1,6σ) dos pontos ou para 95%(2σ) dos pontos normalmente não sãomencionados;

• As especificações de precisão são definidas paratoda a largura do perfilamento apesar do fato quea precisão diminui do centro para a borda dalargura de perfilagem;

• A precisão é avaliada sem levar em conta amodelagem do geóide;

• As análises de precisão são geralmente feitas porcomparação com pontos conhecidos no terreno,mas detalhes deste processo geralmente sãoomitidos;

• As análises de precisão são focadas nosresultados verticais, enquanto detalhes decomprovação da qualidade planimétrica não sãodetalhados.

Os resultados obtidos pelos sistemas dePerfilamento a LASER são avaliados desde os primeirostestes de operação. A metodologia de avaliação consistena comparação do modelo de elevação derivado dospontos medidos pelo sistema com um modelo deelevação obtido por outros métodos tais como GPS,Fotogrametria ou outros pontos de controle. Asdiferenças encontradas em um processo comparativocom origens sujeitas a erros deve ser interpretada demaneira especial.

Os sistemas de Perfilamento a LASER são umaferramenta relativamente nova quando comparada coma Fotogrametria, além de representar um novo conceitona obtenção de pontos de elevação. Os padrões deprecisão para mapeamento sempre levaram em conta osprocessos clássicos da Fotogrametria para garantia daqualidade. Certas situações que podem ser toleráveispara as características do perfilamento a LASER podemnão ser admitidas para os atuais padrões de tolerância daFotogrametria.

PADRÕES DA CARTOGRAFIA NACIONAL

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Os atuais padrões da Cartografia Nacional para aclassificação de cartas quanto a sua exatidão e quefazem parte do decreto 89.817 de 20/06/84 estãoresumidos na tabela 06.

TABELA 06 - CLASSE DE CARTASFonte Decreto 89.817 - 20/06/84 - Instruções Reguladoras de Normas

Técnicas da Cartografia Nacional

PLANIMETRIA ALTIMETRIA

CLASSE PEC EP PEC EP

A 0,5 mm x E 0,3 mm x E 3/5 EQ 2/5 EQ

B 0,8 mm x E 0,5 mm x E 3/5 EQ 2/5 EQ

C 1,0 mm x E 0,6 mm x E 3/4 EQ 1/2 EQOnde :PEC = PADRÃO DE EXATIDÃO CARTOGRÁFICA = 1,6449.EPEP = ERRO PADRÃO (1σ)E = escala da cartaEQ = eqüidistância das curvas de nível

ALTIMETRIA E FATOR C

Na Fotogrametria existe um fator empíricochamado Fator C (eq. 14) que é usado para determinar aaltura de vôo (H) adequada quando uma determinadaeqüidistância de curvas de nível (Equid) é desejada.

Equid

HFatorC = (14)

Os fabricantes de equipamentos fotogramétricosnormalmente estabelecem os valores do Fator C deacordo com a precisão dos instrumentos. Estes valoresvariam de 1.300 para um aparelho analógico como oWild B-8 até 2.200 para aparelhos analíticos como ZeissPlanicomp ou Intergraph IMA.

Contudo, a qualidade altimétrica não dependesomente do aparelho fotogramétrico, mas também danatureza do terreno, da câmara e sua calibração, daqualidade da imagem e do apoio terrestre. Todas estascondições combinadas podem modificar o valor doFator C.

Para as estações fotogramétricas digitais foiestabelecido um Fator C expresso em função daresolução do conjunto filme (em linhas por milímetro) eescaner (em micra) (LIGHT, 1999). A tabela 07apresenta os valores de Fator C para as resoluções deconjunto.

TABELA 07 - FATOR C PARA ESTAÇÕESFOTOGRAMÉTRICAS DIGITAIS

Filmel/mm

Escanerµm

ResoluçãoConjunto

l/mm

Fator CDigital

11 37 1.20040

25 28 914

9 65 2.133

11 60 1.92080

25 36 1.129

Na tabela 08, usando a altura de vôo correspondenteàs Coberturas Aerofotogramétricas na escala 1:5000 e1:8000, com distância focal da câmara de 150 mm ecom os valores do Fator C para os aparelhosfotogramétricos atualmente em uso, sejam analógicos,analíticos ou digitais, pode-se avaliar a eqüidistânciaentre curvas de nível mínima admissível, para cada umadas situações, usando a eq. 15.

TABELA 08 - EQÜIDISTÂNCIA MÍNIMA PARACURVAS DE NÍVEL

AlturaM

Aparelho Fator CEqüidistância

Calc (arred)m

Analógico 1.300 0,57 (1,00)

Analítico 2.200 0,34 (0,50)

Digital 1 914 0,82 (1,00)750

Digital 2 2.133 0,35 (0,50)

Analógico 1.300 0,92 (1,00)

Analítico 2.200 0,54 (1,00)

Digital 1 914 1,31 (2,00)1.200

Digital 2 2.133 0,56 (1,00)

Pelo Fator C ser um valor empírico, aseqüidistâncias mínimas são arredondadas para o valormúltiplo imediatamente superior.

COMPARAÇÃO RESULTADOS X NORMAS

Levando-se em conta somente a tolerânciaestabelecida pela legislação, num mapeamento, aqualidade altimétrica é dependente da eqüidistância dascurvas de nível. É sabido que vários fatores contribuempara esta qualidade além do Fator C. Entre os principaisfatores estão um bom apoio de campo, resíduoscompatíveis com a tolerância altimétrica em umaAerotriangulação e, principalmente, o nivelamento deum modelo estereoscópico e a acuidade do operador nacaptação Fotogramétrica. Para a Fotogrametria Digital,a obtenção da altimetria usando Modelos Digitais deTerreno (MDT) baseados em processos de Correlaçãode Imagem ou Captação Fotogramétrica sãocondicionantes para a qualidade altimétrica final.

A qualidade planimétrica na Fotogrametria édependente de uma gama de fatores que envolvem aescala da cobertura, o Poder Resolutivo do filme aéreo,a geometria do Apoio de Campo, os resíduos daAerotriangulação e as características da CaptaçãoFotogramétrica tais como resíduos de orientação domodelo estereoscópico e acuidade do operador. No caso

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da Fotogrametria Digital, os cuidados necessários naexecução de uma Aerotriangulação Digital, o PoderResolutivo do escaner e o algoritmo de RetificaçãoDiferencial, no caso de obtenção de imagem digital, sãofatores a considerar na avaliação da qualidadeplanimétrica.

A tabela 09 apresenta a tolerância estabelecida pelalegislação para um mapeamento na escala 1:1.000 e1:2.000, correspondentes respectivamente às alturas devôo de 750m e 1.200m e eqüidistância de curvas de 1m, .

TABELA 09 - VALORES DE TOLERÂNCIAPLANIMÉTRICA E ALTIMÉTRICA PARA

MAPEAMENTO

PLANIMETRIA ALTIMETRIA

ALT m CLS PEC EP PEC EP

A 0,50 m 0,30 m 0,60 m 0,40 m

B 0,80 m 0,50 m 0,60 m 0,40 m750

C 1,00 m 0,60 m 0,75 m 0,50 m

A 1,00 m 0,60 m 0,60 m 0,40 m

B 1,60 m 1,00 m 0,60 m 0,40 m1.200

C 2,00 m 1,20 m 0,75 m 0,50 m

Os fabricantes de sistemas de Perfilamento aLASER estabelecem como tolerâncias aceitáveis para aqualidade planimétrica dos pontos LASER, apósprocessamento, valores na ordem de 1/1.000 x H a1/2.000 x H onde H é a altura de vôo. Assim, aqualidade planimétrica esperada para uma altura de vôode 750 m seria de 0,38 a 0,75 m e para uma altura devôo de 1.200 m, seria de 0,60 a 1,20 m., sendo estesvalores válidos para 68% (1σ) dos pontos testados.(BALTSAVIAS, 1999a)

A qualidade vertical é menor que 0,15 m para cercade 68% destes pontos. Para 90% dos pontos testados, aprecisão vertical é menor que 30 cm. Estes valoresforam obtidos para uma altura de vôo de 1.000 m.

Um estudo sobre as várias fontes de imprecisão esua influência na qualidade dos pontos LASER, ignoraos erros de calibração e de pós-processamento GPS eSMI. Também assume que o terreno perfilado é plano eque os ângulos posicionais são zero. Assim, as únicasvariáveis que intervêm na qualidade do perfilamento sãoa altura de vôo e o ângulo de abertura do perfilamento.Na fig. 27 encontra-se a relação entre o sistema decoordenadas do LASER e o espaço objeto no qualbaseia-se este estudo. (BALTSAVIAS, 1999b)

FIG. 27 - RELAÇÃO ENTRE SISTEMA LASER E OESPAÇO OBJETO

Os movimentos de rotação ao redor dos eixos x, y ez do sistema LASER são dados por ∆ω, ∆ψ e ∆κrespectivamente. ∆β é a variação do ângulo de aberturado perfilamento em relação à vertical. ∆R correspondeao possível erro na medida direta do LASER, quenormalmente acontece por problemas inerentes aosensor. Os valores de ∆x0, ∆y0 e ∆z0 correspondem aosdeslocamentos de origem do pulso LASER.

Na tabela 10, foram usados valores possíveis deserem encontrados nos sistemas LASER para avaliarsua influência nas coordenadas finais de um potoLASER. Assim, ∆ω = ∆ψ = 0,03°, ∆κ=0,04°, ∆β=0,02°,∆R=-5cm e ∆x0=∆y0=∆z0=8cm.

TABELA 10 - INFLUÊNCIA DE VÁRIAS FONTES DEERRO NAS COORDENADAS X,Y,Z

H = 750 m

Erro ∆X (cm) ∆Y (cm) ∆Z (cm)

Ângulo 0° 20° 0° 20° 0° 20°∆ω 0 0 39 39 0 -14

∆ψ -39 -39 0 0 0 0

∆κ 0 19 0 0 0 0

∆β 0 0 26 26 0 -10

∆R 0 0 0 2 5 5

∆x0 8 8 0 0 0 0

∆y0 0 0 8 8 0 0

∆z0 0 0 0 0 8 8

EMQ 40 44 48 48 9 20

H = 1.200 m

Erro ∆X (cm) ∆Y (cm) ∆Z (cm)

Ângulo 0° 20° 0° 20° 0° 20°

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∆ω 0 0 63 63 0 -23

∆ψ -63 -63 0 0 0 0

∆κ 0 31 0 0 0 0

∆β 0 0 42 42 0 -15

∆R 0 0 0 2 5,0 5

∆x0 8 8 0 0 0 0

∆y0 0 0 8 8 0 0

∆z0 0 0 0 0 8 8

EMQ 63 70 76 76 9 29

FIG. 28 - GRÁFICO DE ERROS EMQ X ÂNGULO DEABERTURA X ALTURA DE VÔO

Os valores podem ter variações significativas comrelação ao erro esperado para Z (∆Z) e ao pressupostoque o terreno perfilado é plano,. O terreno inclinadocausa um aumento significativo no erro esperado em Zdevido ao incremento no erro da medida ∆R(BALTSAVIAS, 1999b). Um ângulo de abertura maiorsignifica maior dificuldade de penetração do pulsoLASER na vegetação devido a sua inclinação ereflexões não controladas.

Algumas conclusões podem ser extraídas da tabela09 e da figura 28:• Os erros de medida tem pouca influência quando

comparados com outras fontes, além de interferirdiretamente na qualidade da altimetria (Z);

• ∆Z não aumenta linearmente com a variação daaltura de vôo e do ângulo de abertura pequenoporque o erro de medida ∆R e de deslocamento daorigem ∆z0 são significativamente mais influentespara o EMQ. ∆Z aumenta substancialmente edeteriora-se mais rapidamente que ∆X e ∆Y paraângulos de abertura grandes e maior altura de vôo.Esta particularidade é importante quando se leva emconta uma maior altura de vôo e uma maior aberturapara o perfilamento em busca de maiorprodutividade;

• Independentemente do ângulo de abertura β, ∆X e∆Y crescem proporcionalmente à altura de vôo H;

• O erro ao longo da perfilagem é pouco superior aoerro ao longo da linha de vôo, especialmente parapequenos ângulos de abertura β e grande altura devôo H;

• ∆X e ∆Y deterioram-se muito mais que ∆Z quantomenor for o ângulo de abertura β e quanto maior fora altura de vôo H.

ÁREAS FLORESTADAS

A avaliação da precisão altimétrica (σz) dos pontosLASER em função da inclinação do terreno em áreasflorestadas também foi avaliada por pesquisadores(KRAUS, 1999). Na eq. 15 σz é dado em cm e α é ainclinação do terreno em graus.

)tan12010( ασ ×+±=z (15)

A validação da fórmula acontece desde que hajauma taxa de penetração mínima de 25% dos pulsosLASER e que a distribuição entre pontos LASERoriundos do primeiro pulso e último pulso sejahomogênea.

A dependência entre a qualidade altimétrica emáreas florestadas e a inclinação do terreno deve-se aalguns fatores :• Em áreas mais íngremes, as superfícies topográficas

são menos definidas que em áreas planas;• Também em terrenos íngremes, os erros do conjunto

GPS e SMI têm influência significativa nacomponente altimétrica (BALTSAVIAS, 1999b).

RESULTADOS PRÁTICOS

CASO 1

No continente australiano (North StradbrokeIsland), um MDT foi gerado com a finalidade deauxiliar um projeto de irrigação que abrangia uma áreacom vegetação densa (fig. 29) suficiente para impedir ouso de Fotogrametria ou GPS no seu modo RTK (RealTime Kinematic). O uso do Perfilamento a LASER foirecomendado, mas não estava bem claro como ospontos LASER definiriam o terreno abaixo destavegetação.

Tal comportamento pode ser avaliado pelaexistência de Cobertura Aérea com posteriordeterminação de um MDT, realizada logo após umincêndio ocorrido no local e que expôs boa parte terrenoabaixo da vegetação.

A precisão do MDT produzido pelo Perfilamento aLASER foi avaliada em 556 pontos fotogramétricos. Ataxa de penetração dos pulsos LASER foi da ordem de20% o que resultou em um espaçamento médio entre os

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pontos no terreno de 3,2 m, um pouco além do dobroproposto pelos Sistema de Perfilamento a LASER queera de 1,4 m.

FIG. 29 - DENSIDADE DA VEGETAÇÃO

O erro padrão de 0,30 m encontrado (tab. 11) tem acontribuição de vários fontes diferentes, incluindo:• Erros do Perfilamento a LASER (nominal 0,15m

para 1.000 m de altura de vôo);• Erros do Processo Fotogramétrico;• Erros de interpolação devido ao maior afastamento

entre os pontos em função da penetração;• Mudanças ocorridas no terreno entre os dois

processos devido às operações de combate ao fogo;• Resíduos de vegetação (troncos e outros elementos

de porte).

TABELA 11 - RESULTADOS EMQ DEPERFILAMENTO EM ÁREA FLORESTADA

Diferenças em m

Mínima -0,82

Máxima +0,79

Média 0,01

EMQ 0,28

A comparação mostrou que não havia nenhumadiferença significativa entre as duas superfícies. Aforma do terreno era bem parecida nas duas técnicas,com o resultado fotogramétrico oferecendo curvas denível com desenho mais suave, mas nãonecessariamente mais preciso.

A precisão dos pontos do Perfilamento a LASER,inclusive com erros associados à interpolação e apesarda densidade de vegetação no local, foi estimado em0,25 m (eq. 16) e após extração do erro do apoiofotogramétrico estimado em 0,12 m.

25,012,028,0 2222 =−=− FL EPEP (16)

Ao comparar um perfil longitudinal obtido de cadaum dos MDT, constatou-se que os erros de classificaçãodos objetos pertinentes ao não tratamento derugosidades provenientes dos resíduos da vegetaçãorepresentaram a maior contribuição para a precisãoalcançada (fig. 30).

FIG. 30 - EXTRATO DO PERFIL

CASO 2

Outra comparação de resultados de MDT obtido apartir do Perfilamento a LASER foi executada peloInstitute of Photogrammetry and Remote Sensing -Vienna University of Technology na cidade de Viena.

O objetivo era utilizar um algoritmo de filtragemdesenvolvido por pesquisadores do Instituto nos objetosdo tipo vegetação e edificação, determinando aqualidade dos dados. Assim, em 2000, o DepartamentoMunicipal de Viena determinou coordenadas de 816pontos de verificação na região. A área de teste teve umtamanho de 2,5 km2. Os resultados apresentaram-sesatisfatórios para a proposição de qualidade do MDT(tab. 12).

TABELA 12 - RESULTADOS EMQ E DESVIO PADRÃODE MDT DERIVADO DE PERFILAMENTO APÓS USO

DE FILTRAGEM (REGIÃO URBANA)

Descrição da regiãoEMQ

cmDPcm

Geral ± 10,5 ± 7,1

Vegetação densa ± 14,5 ± 11,1

Vegetação Média ± 11,4 ± 7,8

Área aberta ± 8,6 ± 4,5

Via com carros estacionados ± 9,2 ± 3,7

Via sem obstruções ± 2,4 ± 1,0

CASO 3

Uma das maiores usuárias de sistemas dePerfilamento a LASER nos Estados Unidos, a empresaAirborne 1 (Los Angeles, CA) vem obtendo, emserviços realizados, a precisão vertical em torno de 10

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cm para 68% dos pontos testados (tab. 13). Em termosplanimétricos, a tolerância de 1/2.000 x H vem sendoencontrada e muitas vezes melhorada.

TABELA 13 - RESULTADOS EMQ DEPERFILAMENTO

SERVIÇOS

1 2 3 4 5

Altura Vôo (m) 762 915 610 915 915

Pontos LASER 20M 150M 150M 50M 100M

Área (km2) 13 103,5 26 13 26

Pontos Controle 400 4.500 90 90 150

Diferenças de h em m

1 2 3 4 5

Mínima -0,18 -0,42 -0,04 -0,26 -0,12

Máxima +0,12 +0,36 +0,02 +0,16 +0,11

Média -0,02 0,01 0,00 -0,01 -0,01

EMQ 0,05 0,12 0,01 0,09 0,04

13 CONCLUSÃO

Os sistemas de Perfilamento a LASER tem um altopotencial a ser explorado. É uma nova tecnologia comuma grande margem para futuros desenvolvimentos,especialmente nos algoritmos de geração dos modelosdigitais e nos componentes do sistema com maiorcapacidade de varredura (altura de vôo, taxa derepetição, etc.), permitindo avanços na capacidade deidentificação e classificação de objetos.

No campo da utilização, muitos estudiosos estãodesenvolvendo pesquisas de extração automática defeições (MURAKAMI et al, 1999 & BRENEER, 1999)usando as características bem marcantes que oPerfilamento a LASER proporciona nos modelos deelevação.

Os sistemas de Perfilamento a LASER atendem astolerâncias estabelecidas pelo mapeamentoconvencional quanto à qualidade planimétrica eapresentam melhores resultados que as tolerânciasaltimétricas estabelecidas.

Deve-se levar em conta que alguns fabricantesestabelecem que as condições de qualidade nominalpara seus produtos são conseguidas em condiçõesnormais de operação e para superfícies planas onde areflexão do pulso LASER não é comprometida.

Alguns fabricantes consideram os sistemas dePerfilamento a LASER instrumentos de medição diretacomo os distanciômetros. Assim, a precisão de seusaparelhos deve ser avaliada por outros métodos e nãopor comparação com processos fotogramétricos.

Contudo, pela característica que o produto finaldecorrente do Perfilamento a LASER apresenta, ou seja,uma malha de pontos no espaço tridimensional, um dospoucos modelos de comparação existentes vem a ser umModelo Digital de Terreno, que é sobretudo um produtofotogramétrico. Assim, outras análise de qualidade nãoseriam tão reveladoras.

O Perfilamento a LASER realmente agrega grandevalor aos processos fotogramétricos no instante quepermite que tarefas mais onerosas e mais demoradascomo a modelagem do terreno sejam realizadas commais eficiência e rapidez. Contudo, o Perfilamento aLASER não é um substituto da Fotogrametria, uma vezque somente resolve parte do problema do mapeamento.A fotografia aérea ainda é um elemento de substancialimportância (senão essencial) para o produtofotogramétrico, seja na identificação ou na visualizaçãode elementos e isto, o Perfilamento a LASER ainda nãosubstitui.

Esta dependência que os sistemas de Perfilamento aLASER tem da Fotogrametria é tão marcante que, doscerca de 40 provedores da tecnologia no ano de 2000,apenas um deles não tinha envolvimento com as áreasde Fotogrametria, Levantamentos ou Mapeamento. Porisso, espera-se que as maiores contribuições para odesenvolvimento e aprimoramento desta tecnologiapartam sempre dos Fotogrametristas.

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GERAIS

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Industry DirectoryFonte de referência para a tecnologia patrocinada pelaempresa Airborne 1

http://www.airbornelasermapping.com/ALMDirectory.html

Page 26: Perfilamento a LASER : Comparação com Métodos Fotogramétricos

LIDAR (LIght Detection And Ranging) TutorialExplicação sobre os três tipos básicos de sistemasLIDAR.http://wwwghcc.msfc.nasa.gov/sparcle/sparcle_tutorial.html

LIDAR.comSite genérico sobre os conceitos de LIDAR (LightDetection And Ranging).http://www.lidar.com/index.htm

International LIDAR Mapping ForumPosição atual da indústria de ALS e apresentação dasnormas e tolerâncias da tecnologia propostas pelaASPRS (American Society of Photgrammetry & RemoteSensing).http://www.lidarmap.org/index.html

FABRICANTES

ApplanixEmpresa fabricante de Sistemas de Medição Inercialpara câmaras aéreas e sistemas de Perfilamento aLASER.http://www.applanix.com/

LaserOptronixEmpresa sueca que produz sistemas LASER de váriostipos inclusive aerotransportados.http://www.laseroptronix.com/

SAAB Survey SystemsA Saab Survey Systems AB é uma companhia suecaque produz o sistema Saab TopEyehttp://www.combitech.se/survey/http://www.topeye.com/

Optech Inc.Empresa líder na fabricação e comercialização deSistema de Perfilamento a LASER do tipo ALTM eSHOALS (Perfilagem de terreno e Batimetria).http://www.optech.on.ca/

ToposysEmpresa fabricante de Sistema de Perfilamento aLASER do mesmo nome.http://www.toposys.com/

AzimuthEmpresa fabricante de Sistema de Perfilamento aLASER AeroScan.http://www.azimuthcorp.com/

PESQUISA

Delft University of Technology - AirborneLaserscanning Research ProjectsPesquisas da Seção de Fotogrametria e SensoreamentoRemoto da Faculdade de Engenharia Civil eGeociências da Delft University of Technology

http://www.geo.tudelft.nl/frs/laserscan/index.html

Mississippi State University - Aplicações LIDAR naárea florestalPesquisas na aquisição de dados florestais comcombinação de métodos.http://www.cfr.msstate.edu/forestry/SITL/lidar.htm

LIDAR Remote Sensing of Land and SeaPágina de grupo de interesse que se propõe a ser aplataforma para troca de informação entre pessoasinteressadas em mapeamento da superfície terrestre,Oceanografia, Sensoreamento Remoto e outrasdisciplinas..http://las.physik.uni-oldenburg.de/projekte/earsel/