UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia - CEPSRM

Programa de Ps-Graduao em Sensoriamento Remoto MESTRADO

GERAO DE MODELO DIGITAL DE TERRENO A PARTIR DE PAR ESTEREOSCPICO DO SENSOR CCD DO SATLITE CBERS-2 E

CONTROLE DE QUALIDADE DAS INFORMAES ALTIMTRICAS

Rafael Pereira Zanardi

Porto Alegre, RS.

2006

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia - CEPSRM

Programa de Ps-Graduao em Sensoriamento Remoto MESTRADO

GERAO DE MODELO DIGITAL DE TERRENO A PARTIR DE PAR ESTEREOSCPICO DO SENSOR CCD DO SATLITE CBERS-2 E

CONTROLE DE QUALIDADE DAS INFORMAES ALTIMTRICAS

Autor: Rafael Pereira Zanardi - Engenheiro Cartgrafo

Orientadora: Profa. Dra. Slvia Beatriz Alves Rolim Co-orientador: Prof. Dr. Srgio Florncio de Souza

Dissertao apresentada ao Programa de Ps Graduao em Sensoriamento Remoto da Universidade Federal do Rio Grande do Sul para a obteno do ttulo de Mestre em Sensoriamento Remoto.

Porto Alegre, RS.

Maio de 2006.

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Agradecimentos

Aos meus pais e seus companheiros, aos meus avs e demais familiares, que me ensinaram a nunca desistir de ir at o fim, alm de terem me dado todo o suporte

necessrio.

minha namorada, Fabi, que, at por tambm ser mestranda, me entendeu, agentou e apoiou nos momentos de maior tenso.

Aos meus orientadores e amigos, Slvia e Srgio, pela grande ajuda, sem a qual esse trabalho no teria passado do projeto inicial.

Ao colega Engenheiro Cartgrafo Marcelo Maranho, do IBGE-RJ, que prontamente atendeu aos nossos pedidos de socorro.

5a Diviso de Levantamentos do Exrcito Brasileiro, pelo fornecimento gratuito das Cartas Topogrficas utilizadas no trabalho.

Ao INPE e GISPLAN, pela disponibilidade das imagens e dos arquivos de metadados.

Aos meus amigos e aos meus verdadeiros amigos (Angrizani, 2005), companheiros de memorveis confraternizaes em que tive a oportunidade de observar bem melhor todos os movimentos da Terra, alm de praticar o didtico exerccio de cair,

levantar e seguir com a cabea erguida, cambalear por mais alguns metros e cair de novo para, finalmente, acordar na tarde seguinte no cho do meu quarto, morrendo de

ressaca e pensando por que diabos s vezes to difcil acertar a cama?.

Aos colegas do CEPSRM das turmas de 2003, 2004 e 2005, pelos momentos compartilhados durante o curso, churrascos e chacrinhas diversas, alm das

sempre teis dicas repassadas pelos colegas da turma de 2003.

Aos demais professores, pesquisadores e servidores do CEPSRM.

Ao Ncleo de Pesquisas Antrticas e Climticas (NUPAC), por permitir a utilizao da to disputada estao fotogramtrica digital do seu laboratrio.

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Sinopse

Em 1988, os governos do Brasil e da China estabeleceram uma parceria para

construo e lanamento de satlites de Sensoriamento Remoto que atendessem suas

necessidades comuns. O programa de cooperao CBERS (China-Brazilian Earth Resources

Satellite) propiciou os lanamentos dos satlites CBERS-1 em outubro de 1999 e CBERS-2 em

2003, e prev ainda o lanamento de mais trs satlites nos prximos anos. Entre diversas

funes importantes, o CBERS-2 oferece ainda a possibilidade de visada off nadir, ou seja, com

inclinao lateral de at 32 do seu espelho, permitindo a tomada de imagens em estereoscopia.

Esses pares estereoscpicos possibilitam, atravs de medidas de diferena de paralaxe, a

extrao de informaes altimtricas. O objetivo central deste trabalho foi a extrao, atravs da

aplicao de tcnicas de fotogrametria digital, de informaes altimtricas de um par

estereoscpico do sensor HR-CCD (High Resolution Charge-Coupled Devices) do CBERS-2 e

sua validao, na busca de parmetros quantitativos que avaliem a preciso e a exatido dessas

informaes. Foram gerados Modelos Digitais de Terreno (MDTs) com diferentes resolues,

60 e 100 metros, e empregados testes estatsticos para anlise da qualidade das informaes

altimtricas. Ao final, no se verificou melhoria significativa no MDT com resoluo de 60

metros em relao ao de 100 metros, ficando o erro das observaes com mdia de 46,86

metros. Alm disso, pde-se observar o que pode vir a ser um erro sistemtico de

aproximadamente 38 metros nesses modelos, o que baixou para 27,03 metros o valor da mdia

dos erros nos pontos de verificao. Seguindo classificao adotada no Brasil segundo o

Decreto Lei 89.817 - Padro de Exatido Cartogrfica, concluiu-se que h possibilidade de se

utilizar essas informaes altimtricas na gerao de documentos cartogrficos Classe A em

escala de 1:250 000 ou menores.

v

Abstract

In 1988, the governments of Brazil and China established a partnership for

construction and launching of Remote Sensing satellites, aiming to supply its common

necessities. The cooperation program CBERS (China-Brazilian Earth Resources Satellite)

propitiated the launching of the satellites CBERS-1 in October 1999, and CBERS-2 in 2003,

and foresees the launching of other three satellites in the next years. Among several important

functions, CBERS-2 offers the possibility of off nadir imagery (lateral inclination until 32 of its

mirror), allowing to take images with stereoscopy. These stereoscopic pairs make possible the

extraction of altimetric information through parallax measurement. The main objective of this

work was to extract, by digital photogrammetry techniques, altimetric information from a

stereoscopic pair of the HR-CCD sensor (High Resolution Charge-Coupled Devices) in

CBERS-2 and its validation, in search of quantitative parameters that may evaluate the precision

and accuracy of these information. Digital Terrain Models (DTMs) with different resolutions,

60 and 100 meters, were generated and statistical tests for a quality analysis of the altimetric

information had been applied. In the end, significant improvement in the DTM with resolution

of 60 meters in relation to the one of 100 meters hasnt been verified, and the error of the

observations had average of 46,86 meters. Moreover, it was observed something that may be a

bias quality control of approximately 38 meters in these models, what lowered for 27,03 meters

the average of errors in the verification points. Following the classification adopted in Brazil

according to Decree-Law 89817 - Standard of Cartographic Accuracy, it was concluded that it is

possible to use these altimetric information for cartographic document generation Class A in

scale 1:250000 or minus.

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Sumrio

1. Introduo ............................................................................................................................... 1

1.1. Objetivo .............................................................................................................................. 2 1.2. Objetivos Especficos ......................................................................................................... 3 1.3. Justificativa......................................................................................................................... 3

2. Reviso Bibliogrfica .............................................................................................................. 4

2.1. Sistemas de Satlites........................................................................................................... 4 2.1.1. Tipos de Sensores Quanto Geometria de Aquisio.................................................. 4

2.2. O Projeto CBERS ............................................................................................................... 6 2.2.1. Caractersticas dos Satlites CBERS-1 e 2................................................................... 6 2.2.2. rbita dos Satlites CBERS-1 e 2 ................................................................................ 7 2.2.3. As Cmeras dos Satlites CBERS-1 e 2....................................................................... 8

2.2.3.1. Cmera Imageadora de Alta Resoluo (HR CCD)............................................... 8 2.2.3.2. Imageador de Amplo Campo de Visada (WFI).................................................... 10 2.2.3.3. Imageador por Varredura de Mdia Resoluo (IRMSS) .................................... 11 2.2.3.4. Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais............................................. 11

2.3. Fotogrametria Digital........................................................................................................ 12 2.3.1. Estereoscopia com Fotografias................................................................................... 13

2.3.1.1. Definio de Paralaxe .......................................................................................... 13 2.3.2. Processo Fotogramtrico ............................................................................................ 14

2.3.2.1. Orientao Interior ............................................................................................... 14 2.3.2.2. Orientao Exterior .............................................................................................. 15 2.3.2.3. Orientao de Imagens de Sensoriamento Remoto.............................................. 16 2.3.2.4. Aerotriangulao .................................................................................................. 17 2.3.2.5. Retificao de Imagens ........................................................................................ 18 2.3.2.6. Normalizao de Imagens .................................................................................... 18 2.3.2.7. Ortorretificao de Imagens ................................................................................. 19

2.4. Modelagem Digital de Terreno (MDT) ............................................................................ 21 2.4.1. Obteno de Dados..................................................................................................... 22

2.4.1.1. Amostragem por Pontos....................................................................................... 22 2.4.1.2. Amostragem por Isolinhas ................................................................................... 22

2.4.2. Gerao de Grades...................................................................................................... 23 2.4.2.1. Gerao de Grade Retangular .............................................................................. 24 2.4.2.2. Gerao de Grade Triangular ............................................................................... 24 2.4.2.3. Interpoladores....................................................................................................... 25

2.4.3. Elaborao de Produtos .............................................................................................. 27 2.4.3.1. Gerao de Imagem em Nveis de Cinza ............................................................. 28 2.4.3.2. Gerao de Imagem Sombreada........................................................................... 28 2.4.3.3. Gerao de Modelo de Visualizao Tridimensional........................................... 29

2.5. SRTM (Shuttle RadarTopogrphy Mission)....................................................................... 30

2.6. Controle de Qualidade ...................................................................................................... 32 2.6.1. Preciso e Acurcia .................................................................................................... 34 2.6.2. Nmero de Pontos Amostrais..................................................................................... 34 2.6.3. Anlise da Exatido.................................................................................................... 35

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2.6.4. Anlise da Preciso..................................................................................................... 35

3. Caracterizao da rea de Estudo...................................................................................... 37

4. Materiais e Mtodos.............................................................................................................. 39

4.1. Material Utilizado............................................................................................................. 39 4.1.1. Leica Photogrammetry Suite (LPS)............................................................................ 40

4.2. Metodo de Trabalho.......................................................................................................... 40 4.2.1. Processo Fotogramtrico ............................................................................................ 40 4.2.2. Anlise dos MDTs Gerados........................................................................................ 44

5. Resultados e Discusses ........................................................................................................ 46

5.1. Preparao para a Anlise Estatstica ............................................................................... 52

5.2. Controle de Qualidade ...................................................................................................... 50 5.2.1. Avaliao do MDT com clulas de 60 metros ........................................................... 50

5.2.1.1. Anlise da Exatido.............................................................................................. 50 5.2.1.2. Anlise da Preciso .............................................................................................. 51

5.2.2. Avaliao do MDT com clulas de 100 metros ......................................................... 52 5.2.2.1. Anlise da Exatido.............................................................................................. 52 5.2.2.2. Anlise da Preciso .............................................................................................. 53

5.2.3. Anlise de Tendncia ................................................................................................. 53

5.3. Definio da Escala Mxima para Utilizao................................................................... 56

6. Consideraes Finais ............................................................................................................ 57

6.1. Gerao dos Modelos ....................................................................................................... 57

6.2. Controle de Qualidade ...................................................................................................... 58

7. Referncias Bibliogrficas.................................................................................................... 62

7. Anexos .................................................................................................................................... 66

ANEXO 1 Relatrio da Triangulao................................................................................... 67

ANEXO 2 Modelos Digitais de Terreno .............................................................................. 80 MDT CBERS-2 - Resoluo de 60 metros........................................................................... 81 MDT CBERS-2 - Resoluo de 100 metros......................................................................... 82 MDT - SRTM....................................................................................................................... 83

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Lista de Tabelas

Tabela 1: Caractersticas dos Satlites CBERS-1 e 2 ................................................................... 7

Tabela 2: Caractersticas da Cmera CCD.................................................................................... 9

Tabela 3: Caractersticas do Imageador WFI.............................................................................. 10

Tabela 4: Caractersticas do Imageador IRMSS ......................................................................... 11

Tabela 5: Coordenadas dos 4 pontos medidos com GPS e dos pontos fotogramtricos............. 42

Tabela 6: Altitude, nas datas do imageamento, do nvel de gua nos reservatrios das usinas hidreltricas mostradas na Figura 33 ..................................................................................... 44

Tabela 7: Eqidistncia das curvas de nvel de acordo com a escala da carta............................ 44

Tabela 8: Comparao a priori entre as cotas obtidas das cartas, do MDT gerado das imagens CBERS-2 (60 x 60m) e do SRTM......................................................................................... 46

Tabela 9: Comparao a priori entre as cotas obtidas das cartas, do MDT gerado das imagens CBERS-2 (100 x 100m) e do SRTM ..................................................................................... 47

Tabela 10: Relao dos 36 pontos de verificao do MDT (60 x 60m)...................................... 48

Tabela 11: Relao dos 36 pontos de verificao do MDT (100 x 100m).................................. 49

Tabela 12: Anlise dos pontos de verificao do MDT (50 x 50m) subtrado de 38m .............. 54

Tabela 13: Anlise dos pontos de verificao do MDT (100 x 100m) subtrado de 38m .......... 55

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Lista de Figuras

Figura 1: Geometria dos sensores digitais................................................................................................... 4

Figura 2: Componentes dos satlites CBERS 1 e 2..................................................................................... 7

Figura 3: rbita dos satlites CBERS 1 e 2 ................................................................................................ 8 Figura 4: Faixas de imageamento das cmeras dos satlites CBERS.......................................................... 8

Figura 5: Esquema representativo da obteno de pares estereoscpicos atravs da visada lateral ............ 8

Figura 6: Comparao das bandas do sensor CCD com outros sensores similares ..................................... 9

Figura 7: Relao entre as paralaxes de um ponto I .................................................................................. 14

Figura 8: Esquema representativo da Orientao Interior ......................................................................... 15

Figura 9: ngulos de atitude , , .......................................................................................................... 15 Figura 10: Intersees espaciais para trs imagens ................................................................................... 18

Figura 11: Esquema demonstrando os efeitos da transformao de perspectiva pelo processo de

ortorretificao .................................................................................................................................... 19

Figura 12: Esquema representativo das etapas da ortorretificao............................................................ 20

Figura 13: Distribuio dos pontos amostrais (a) irregular, (b) aerolevantamento, (c) a partir da drenagem e (d) regular ......................................................................................................................................... 22

Figura 14: Mapa plani-altimtrico............................................................................................................. 23

Figura 15: Exemplos de Grade Retangular Regular e Grade Triangular Irregular.................................... 24

Figura 16: Exemplo ilustrativo de interpolao bilinear ........................................................................... 26

Figura 17: MDT da rea de estudo representado por imagem em nveis de cinza .................................... 28

Figura 18: imagem sombreada da mesma regio do MDT representado na Figura 17 ............................. 28

Figura 19: visualizao tridimensional do MDT da Figura 17.................................................................. 29

Figura 20: Esquema da aquisio de dados do SRTM .............................................................................. 30

Figura 21: Os valores apresentados no grfico (a) so mais exatos do que os em (b), enquanto estes ltimos so mais precisos .................................................................................................................... 34

Figura 22: rea abrangida pelo par estreo, dentro da rea do Projeto SP/MG/GO-50 do IBGE ............ 38 Figura 23: Composies coloridas do par estreo utilizado - imagens de 16/6/2004 e 1o/7/2004............. 39

Figura 24: Distribuio dos Control Points, Check Points e Tie Points.................................................... 42

Figura 25: MDT gerado a partir de imagens CBERS-2, com clulas de 100 x 100 metros ...................... 43

Figura 26: Polgonos contendo os lagos dos reservatrios das UHE ........................................................ 43

x

Figura 27: rea abrangida pelas cartas topogrficas e distribuio dos pontos da verificao inicial ...... 46

Figura 28: Distribuio dos 36 pontos de verificao utilizados na anlise estatstica do MDT gerado atravs dos pares estreo do CBERS-2................................................................................................ 50

Figura 29: Sensor PRISM (Panchromatic Remote Sensing Instrument for Stereo Mapping) do satlite ALOS-2 ............................................................................................................................................... 58

Figura 30: Pontos onde no se verificou valores mais altos no MDT do CBERS-2 em relao s cartas topogrficas ......................................................................................................................................... 59

Figura 31: Grfico das diferenas entre as cotas dos MDTs e das cartas topogrficas ............................. 60

xi

Anexos

ANEXO 1 Relatrio da Triangulao ............................................................................... 67

ANEXO 2 Modelos Digitais de Terreno ........................................................................... 80 MDT CBERS-2 - Resoluo de 60 metros ....................................................................... 81 MDT CBERS-2 - Resoluo de 100 metros ..................................................................... 82 MDT - SRTM.................................................................................................................... 83

1. Introduo

Na ltima dcada do sculo XX, marcada por avanos notveis na rea de Sensoriamento Remoto, foram desenvolvidos e lanados, tanto por plataformas de programas espaciais j existentes como por projetos inditos, sensores de alto desempenho no que se refere s resolues espacial, espectral, radiomtrica e temporal. A bordo de plataformas orbitais, esses novos sensores vieram a complementar o registro dos recursos naturais e do meio ambiente terrestre, desde a escala regional at o nvel de detalhe.

Este empenho pela eficincia na aquisio de dados, juntamente com a necessidade de autonomia no monitoramento de recursos terrestres, resultou em uma parceria entre os governos do Brasil e da China. Iniciado em 1988, o programa de cooperao China-Brasil, CBERS (China-Brazilian Earth Resources Satellite), lanou o primeiro satlite (CBERS-1) em 1999, e o segundo (CBERS-2) em 2003, havendo ainda previso para o lanamento de mais trs: o CBERS-2b (2006), o CBERS-3 (2008) e o CBERS-4 (2010). Com trs sensores a bordo, os CBERS j lanados registram cenas em diferentes resolues espaciais, temporais e espectrais, atendendo a necessidades semelhantes de ambos os pases nas reas de gerenciamento de recursos terrestres, monitoramento de florestas, geologia, hidrologia e mapeamento de reas de difcil acesso em vrias escalas, alm da incluso de um moderno sistema de monitoramento ambiental.

Entre tantas funes importantes, as imagens do CBERS-2 oferecem a possibilidade de extrao de informaes altimtricas a partir de medidas baseadas na diferena de paralaxe, graas capacidade de apontamento lateral do espelho em at 32. Alguns satlites comerciais mais estudados, por serem mais conhecidos no

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mercado, j se destacam por sua capacidade de aquisio desse tipo de dados. Entre esses sensores capazes de obter dados em estereoscopia, pode-se citar os sensores norte-americanos ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer, a bordo da plataforma EOS-TERRA) e IKONOS II, o japons ALOS-2 (Advanced Land-Observing Satellite) e o francs SPOT (Systme Pour lObservacion de la Terre). Apesar disso, nota-se uma escassez de estudos envolvendo medies altimtricas utilizando imagens do CBERS, provavelmente devida dificuldade de obteno de pares estereoscpicos imposta pelo seu sistema de imageamento por apontamento lateral de espelho, o que resultou em uma nica aquisio de dados com estereoscopia que ainda foi muito prejudicada por uma excessiva cobertura de nuvens e problemas de turbulncia. Apesar de a vida til nominal do CBERS-2 j ter chegado ao limite, s recentemente se conseguiu efetuar medies de altimetria utilizando suas imagens, resultado de um esforo conjunto de pesquisadores de diversas universidades e outras instituies em todo o pas.

Assim como as informaes planimtricas, a altimetria de extrema importncia para os mais diversos setores de aplicao, desde projetos de engenharia e de meio ambiente at o setor pblico administrativo, passando por aplicaes rurais, agrcolas e de explorao mineral. O objetivo da altimetria a traduo visual do relevo de um terreno. Essa representao pode ser armazenada e visualizada de forma vetorial (curvas de nvel) ou matricial (Modelos Digitais de Terreno). Este ltimo caso o objeto de estudo do presente projeto.

1.1. Objetivo O objetivo central desta dissertao a gerao de Modelo Digital de

Terreno (MDT) a partir de dados altimtricos extrados do nico estereoscpico utilizvel tomado pelo sensor HR-CCD (High Resolution Charge Coupled Device) do satlite CBERS-2 em territrio brasileiro e a realizao de um estudo quantitativo desse produto, comparando-o com outras fontes de dados e classificando-o de acordo com o definido pelo Padro de Exatido Cartogrfica. Espera-se, alm da obteno de informaes importantes que possam vir a colaborar com o desenvolvimento dos satlites do projeto CBERS, estimular mais estudos cientficos envolvendo esses sensores bem como a sua utilizao comercial em maior escala.

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1.2. Objetivos Especficos - Emprego de tcnicas de fotogrametria digital para extrao de Modelo Digital de

Terreno de um par estereoscpico de imagens do sensor HR-CCD do CBERS-2;

- Anlise estatstica de qualidade e comparao entre as informaes altimtricas extradas desse par estereoscpico;

- Classificao do modelo gerado de acordo com o Decreto Lei 89.817, de 20 de junho de 1984 - Padro de Exatido Cartogrfica (Brasil, 1984).

1.3. Justificativa

- Obteno de informaes importantes que possam vir a contribuir com o desenvolvimento do projeto CBERS;

- Escassez de estudos relacionados altimetria extrada de imagens destes sensores;

- Estmulo para utilizao comercial em maior escala dos produtos oferecidos pelo programa CBERS.

2. Reviso Bibliogrfica

2.1. Sistemas de Satlites

As radiaes do espectro visvel e do infravermelho podem ser registradas pelos sistemas passivos do sensoriamento remoto com mtodos fotogrficos, de vdeo e de varredura (scanners). Esses sistemas registram a radiao eletromagntica que refletida ou emitida pelos alvos terrestres. Enquanto os mtodos fotogrficos e de vdeo

so limitados ao intervalo de 0,4 a 0,9m, a tcnica de varredura permite o registro de imagens nos comprimentos de onda do ultravioleta at o infravermelho trmico (0,3 - 14m). A radiao refletida e/ou emitida pela superfcie terrestre atravessa o sistema ptico do scanner e focalizada sobre os detectores. Estes transformam a radiao em sinais eltricos que so gravados em fita magntica. Um scanner multiespectral pode gravar sinais provenientes de vrios intervalos de comprimento de onda.

2.1.1. Tipos de Sensores Quanto Geometria de Aquisio Ao falar de sensores digitais, pode-se fazer uma distino entre sensores

matriciais, lineares e de rotao (Ricart et al, 2003). O princpio geomtrico pode ser visto na Figura 1.

Figura 1: Geometria dos sensores digitais. Sensores matriciais (a), sensores lineares (b) e sensores de rotao (c). Fonte: Ricart et al, 2003.

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a) Sensores matriciais (Frame Cameras) Estes sensores eletrnicos utilizam dispositivos sensores de estado slido do

tipo CCD ou CMOS. Todos os elementos sensoriais so dispostos no plano focal e apresentam a particularidade de adquirir a imagem digital em um nico instante. A geometria dessas imagens corresponde ao caso da projeo central. Alm disso, geralmente necessitam correo do arrastamento atravs de TDI (Time Delayed Integration).

b) Sensores Lineares (Pushbroom Scanners) A captura da imagem um processo contnuo e totalmente eletrnico, onde

todos os detectores da barra do CCD so amostrados simultaneamente para uma mesma linha perpendicular rbita (Schovengerdt, 1997). Essa geometria se caracteriza por cada linha da imagem resultante precisar seus prprios parmetros de orientao externa, ajustando-se a uma projeo central. A sensibilidade espectral desses sensores oscila entre o espectro eletromagntico visvel e infravermelho prximo.

c) Sensores de rotao (Whiskbroom Scanners) Os sensores de rotao so do tipo eletromecnico. A imagem obtida

graas rotao de um prisma ou espelho que move instantaneamente o campo de vista (IFOV) perpendicularmente direo de vo. Deste modo, a formao da imagem segue um processo contnuo. A geometria resultante cilndrica. No geral, a sensibilidade espectral desses sensores maior que dos lineares, j que oscila entre 0,4 (visvel) e 13m (infravermelho distante).

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2.2. O Projeto CBERS

Na tentativa de reverter sua posio de dependentes das imagens de sensoriamento remoto fornecidas por outras naes, os governos do Brasil e da China assinaram em 06 de Julho de 1988 um acordo de parceria envolvendo o INPE e a CAST denominado Programa CBERS, Satlite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres, tendo como intuito a implantao de um sistema completo de sensoriamento remoto de nvel internacional.

Com a unio de recursos financeiros e tecnolgicos entre o Brasil e a China, num investimento superior a US$ 300 milhes, foi criado um sistema de responsabilidades divididas (30% brasileiro e 70% chins). A experincia chinesa na construo de satlites e foguetes lanadores tornou-se o grande aliado estratgico para o governo brasileiro. Em contrapartida, o Brasil trazia em sua bagagem a familiaridade com a alta tecnologia e um parque industrial mais moderno que o existente no parceiro.

Por outro aspecto, as grandes reas despovoadas e os vastos recursos naturais dentro do territrio, alm dos grandes potenciais agrcolas e ambientais de ambos os pases se somaram a esses interesses. A ferramenta para monitorar constantemente essas reas era o Programa CBERS, que trazia em seu projeto sensores especficos para essas atividades cientficas.

2.2.1. Caractersticas dos Satlites CBERS-1 e 2

O primeiro satlite desenvolvido, CBERS-1, foi lanado pelo foguete chins Longa Marcha 4B, do Centro de Lanamento de Taiyuan em 14 de outubro de 1999. O CBERS-2, tecnicamente idntico ao primeiro, foi lanado no dia 21 de outubro de 2003. So compostos por dois mdulos (Figura 2):

- Carga til, onde so acomodadas as trs cmeras (HR CCD High Resolution Charge Coupled Device, IRMSS Infrared Multi Spectral Scanner e WFI Wide Field Imager) e o Repetidor para o Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais.

- Servio, que contm os equipamentos que asseguram o suprimento de energia, os controles, as telecomunicaes e demais funes necessrias (Tabela 1).

Os 1100W de potncia eltrica necessria para o funcionamento dos equipamentos de bordo so obtidos atravs de painis solares que se mantm orientados na direo do sol por controle automtico. O satlite dispe ainda de um sistema de

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controle de atitude, complementado por um conjunto de propulsores a hidrazina que tambm auxilia nas eventuais manobras de correo da sua rbita nominal.

Tabela 1: Caractersticas dos Satlites CBERS-1 e 2

Figura 2: Componentes dos satlites CBERS 1 e 2. Fonte: www.cbers.inpe.br

2.2.2. rbita dos Satlites CBERS-1 e 2 A rbita do CBERS (Figura 3) heliosncrona a uma altitude de 778 km e

inclinao de 98,504, perfazendo cerca de 14 revolues por dia. Nesta rbita, o satlite cruza o Equador sempre na mesma hora local, 10h30min da manh, permitindo assim que se tenha sempre as mesmas condies de iluminao solar para a comparao de imagens tomadas em dias diferentes.

Massa total 1450 kg Potncia gerada 1100 W Baterias 2 x 30 Ah NiCd Dimenses do corpo (1,8 x 2,0 x 2,2) m Dimenses do painel 6,3 x 2,6 m Altura da rbita hlio-sncrona 778 km Propulso a hidrazina 16 x 1 N; 2 x 20 N Estabilizao 3 eixos Superviso de bordo Distribuda Comunicao de Servio (TT&C) UHF e banda S Tempo de vida (confiabilidade de 0,6) 2 anos

1 - Mdulo de Servio 2 - Sensor de Presena do Sol 3 - Conjunto dos Propulsores de 20N 4 - Conjunto dos Propulsores de 1N 5 - Divisria Central 6 - Antena UHF de Recepo 7 - Cmera IRMSS 8 - Antena de Transmisso do IR 9 - Antena de Transmisso em VHF 10 - Antena UHF Tx/Rx 11 - Antena em Banda - S (DCS) 12 - Antena de Transmisso do CCD 13 - Antena de Transmisso em UHF 14 - Cmera CCD 15 - Antena em Banda-S (TT&C) 16 - Mdulo de Carga til 17 - Painel Solar 18 - Antena em Banda-S (TT&C) 19 - Antena de Recepo em UHF 20 - Cmera Imageadora WFI

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Figura 3: rbita dos satlites CBERS 1 e 2. Fonte: www.cbers.inpe.br

2.2.3. As Cmeras dos Satlites CBERS-1 e 2

Uma caracterstica dos satlites CBERS-1 e 2 a diversidade de cmeras com diferentes resolues espaciais e temporais para observaes pticas de todo o globo terrestre (Figura 4), alm de um sistema de coleta de dados ambientais.

Figura 4: Faixas de imageamento das cmeras CBERS. Fonte: www.cbers.inpe.br

2.2.3.1. Cmera Imageadora de Alta Resoluo (HR CCD) A cmera CCD fornece imagens de uma faixa de 113 km de largura, com

uma resoluo de 20 m. Esta cmera tem capacidade de orientar seu campo de visada dentro de 32, possibilitando a obteno de imagens estereoscpicas (Figura 5). Alm disso, qualquer fenmeno detectado pelo WFI pode ser focalizado pela Cmera CCD, para estudos mais detalhados, no mximo, a cada trs dias.

Figura 5: Esquema representativo da obteno de pares estereoscpicos atravs da visada lateral. Fonte: www.cbers.inpe.br

9

A Cmera CCD opera em 5 faixas espectrais incluindo uma faixa pancromtica de 0,51 a 0,73 m (Tabela 2 e Figura 6). As duas faixas espectrais do WFI so tambm empregadas na cmera CCD para permitir a combinao dos dados obtidos pelas duas cmeras. So necessrios 26 dias para uma cobertura completa da Terra.

Tabela 2: Caractersticas da Cmera CCD. 0,51 - 0,73 m (pan) 0,45 - 0,52 m (azul) 0,52 - 0,59 m (verde) 0,63 - 0,69 m (vermelho)

Bandas espectrais

0,77 - 0,89 m (infravermelho prximo) Campo de Visada 8,3 Resoluo espacial 20 x 20 m Largura da faixa imageada 113 km Capacidade de apontamento do espelho 32

26 dias com visada vertical Resoluo temporal (3 dias com visada lateral)

Freqncia da portadora de RF 8103 MHz e 8321 MHz Taxa de dados da imagem 2 x 53 Mbit/s Potncia Efetiva Isotrpica Irradiada 43 dBm

Figura 6: Comparao das bandas do sensor CCD com outros sensores similares.

Destacam-se como aplicaes potenciais da CCD:

Vegetao: identificao de reas de florestas, alteraes florestais em parques, reservas, florestas nativas ou implantadas, quantificaes de reas, sinais de queimadas recentes.

Agricultura: identificao de campos agrcolas, quantificao de reas, monitoramento do desenvolvimento e da expanso agrcola, quantificao de pivs centrais, auxlio em previso de safras, fiscalizaes diversas.

10

Meio ambiente: identificao de anomalias antrpicas ao longo de cursos dgua, reservatrios, florestas, cercanias urbanas, estradas; anlise de eventos episdicos naturais compatveis com a resoluo da Cmera, mapeamento de uso do solo, expanses urbanas.

gua: identificao de limites continente-gua, estudos e gerenciamento costeiros, monitoramento de reservatrios.

Cartografia: dada a sua caracterstica de permitir visadas laterais de at 32, possibilita a obteno de pares estereoscpicos e a conseqente anlise cartogrfica altimtrica.

Geologia e solos: apoio a levantamentos de solos e geolgicos.

Educao: gerao de material de apoio a atividades educacionais em geografia, meio ambiente, e outras disciplinas.

2.2.3.2. Imageador de Amplo Campo de Visada (WFI) O WFI produz imagens de uma faixa de 890 km de largura, permitindo a

obteno de cartas-imagem com resoluo espacial de 260 m (Tabela 3). No perodo aproximado de cinco dias, obtm-se uma cobertura completa do globo.

Tabela 3: Caractersticas do Imageador WFI. 0,63 - 0,69 m (vermelho) Bandas espectrais 0,77 - 0,89 m (infra-vermelho)

Campo de Visada 60 Resoluo espacial 260 x 260 m Largura da faixa imageada 890 km Resoluo temporal 5 dias Freqncia da portadora de RF 8203,35 MHz Taxa de dados da imagem 1,1 Mbit/s Potncia Efetiva Isotrpica Irradiada 31,8 dBm

Entre suas aplicaes, podem ser mencionadas:

Gerao de mosaicos nacionais ou estaduais.

Gerao de ndices de vegetao para fins de monitoramento.

Monitoramento de fenmenos dinmicos, como safras agrcolas, queimadas persistentes.

Sistema de alerta, em que a imagem WFI serve como indicativo para a aquisio de imagens de mais alta resoluo da CCD ou do IRMSS.

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Acoplamento a outros sistemas mundiais de coleta de dados de baixa a mdia resoluo

2.2.3.3. Imageador por Varredura de Mdia Resoluo (IRMSS) A cmera de varredura IRMSS tem 4 faixas espectrais e estende o espectro

de observao do CBERS at o infravermelho termal (Tabela 4). O IRMSS produz imagens de uma faixa de 120 km de largura com uma resoluo de 80 m (160 m no canal termal). Em 26 dias obtm-se uma cobertura completa da Terra que pode ser correlacionada com aquela obtida atravs da cmera CCD.

Tabela 4: Caractersticas do Imageador IRMSS. 0,50 - 1,10 m (pancromtica) 1,55 - 1,75 m (infravermelho mdio) 2,08 - 2,35 m (infravermelho mdio)

Bandas espectrais

10,40 - 12,50 m (infravermelho termal) Campo de Visada 8,8 Resoluo espacial 80 x 80 m (160 x 160 m termal) Largura da faixa imageada 120 km Resoluo temporal 26 dias Freqncia da portadora de RF 8216,84 MHz Taxa de dados da imagem 6,13 Mbit/s Potncia Efetiva Isotrpica Irradiada 39,2 dBm

Suas aplicaes so as mesmas do sensor CCD, com as devidas adaptaes. Outras aplicaes so:

Anlise de fenmenos que apresentem alteraes de temperatura da superfcie.

Gerao de mosaicos estaduais.

Gerao de cartas-imagens.

2.2.3.4. Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais

Os satlites CBERS-1 e CBERS-2 fazem parte do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais que, baseado na utilizao de satlites e mais de 600 Plataformas de Coleta de Dados (PCDs) distribudas pelo territrio nacional, objetiva fornecer ao pas dados ambientais dirios coletados nas diferentes regies do territrio nacional. Esses dados so utilizados em diversas aplicaes, tais como a previso de tempo do CPTEC, estudos sobre correntes ocenicas, mars, qumica da atmosfera, planejamento agrcola, entre outras.

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2.3. Fotogrametria Digital

A palavra Fotogrametria, deriva de trs palavras de origem grega: photon (luz), graphos (escrita) e metron (medies), ou medies executadas atravs de fotografias. O consenso geral define tal termo como a cincia, a tcnica e a arte de se extrair informaes confiveis sobre a forma, as dimenses e a posio de objetos atravs de imagens adquiridas por sensores fotogrficos (Brito, 2002).

Segundo Temba (2000), a fotogrametria pode ser dividida em duas reas: A fotogrametria interpretativa objetiva, principalmente o reconhecimento e

a identificao de objetos e o julgamento do seu significado, a partir de uma anlise sistemtica e cuidadosa de fotografias. A interpretao de fotos o ato de examinar as imagens com o propsito de identificar objetos e determinar sua significncia. A esta definio deve-se adicionar o conceito de identificar o contexto, j que muitos fatores crticos exigem que o processo seja mais do que simplesmente identificar objetos individualmente.

A fotogrametria mtrica consiste na tomada de medidas a partir de fotos e outras fontes de informao para determinar, de um modo geral, o posicionamento de pontos. Com a utilizao de tcnicas e processos correntes da fotogrametria mtrica, possvel determinar, distncias, ngulos, reas e elevaes para confeco de cartas planimtricas e altimtricas, mosaicos, modelos digitais de elevao, ortofotos, etc.

Imagens para fotogrametria podem ser adquiridas diretamente no formato digital ou ainda em formato analgico, sendo, nesta ltima hiptese, transformadas para o meio digital em aparelhos digitalizadores matriciais, ou scanners.

H, basicamente, duas modalidades de imagem digital: vetorial e matricial ou matricial (raster). A imagem vetorial caracterizada pela delimitao de objetos pelas entidades que os determinam (pontos, linhas e polgonos).

A imagem raster uma matriz composta por clulas quadradas, chamadas pixels (picture x elements). Dentro de cada pixel, h somente um nvel de cinza ou colorao slida, definida por um nmero digital. Pode-se, assim, definir qualquer imagem digital por uma matriz, sendo valor de cada um dos elementos igual ao nmero digital equivalente.

A utilizao dessas imagens para medies com a finalidade de produo cartogrfica depende de todo um processo de orientao, correo e referenciamento,

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desde a sua aquisio at a execuo dos produtos finais, conhecido como Processo Fotogramtrico.

2.3.1. Estereoscopia com Fotografias

2.3.1.1. Definio de Paralaxe

Paralaxe o deslocamento aparente de um referencial, causado pelo deslocamento do observador. Um exemplo de paralaxe pode ser obtido quando se posiciona um objeto fixo a certa distncia do rosto e observa-se ele com um olho de cada vez. Tem-se a ntida impresso de que o objeto est se movendo de um lado para o outro medida que se alterna o olho aberto. a partir dessa diferena entre o ngulo com que cada olho enxerga um mesmo objeto que o crebro interpreta a distncia at ele, proporcionando viso tridimensional aos seres humanos.

Da mesma forma, quando uma cmara area que est acoplada ao avio em movimento obtm uma cena e, segundos depois, volta a obt-la em posio diferente, haver deslocamentos das posies dos objetos imageados de uma foto para a outra, e estes sero diretamente proporcionais altura do terreno. Estes deslocamentos nas imagens apresentam-se paralelos linha de vo e so conhecidos como paralaxe estereoscpica. O sentido positivo na medida das paralaxes de um ponto coincide com o sentido positivo das coordenadas cartesianas deste ponto (Alves, 1999).

Paralaxe Absoluta ou Paralaxe Horizontal Total de um ponto a diferena algbrica de suas paralaxes parciais obtidas do par estereoscpico.

iii xxp '= Onde: Pi: Paralaxe Absoluta no ponto i xi: coordenada x do ponto i na fotografia da esquerda xi: coordenada x do ponto i na fotografia da direita

Paralaxe Diferencial Linear a diferena entre paralaxes absolutas entre pontos.

ab ppP = Onde: P: diferena de paralaxe do ponto b em relao ao ponto a.

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Para a determinao da altitude de um ponto qualquer no terreno (Figura 7) a partir da altitude do vo e da base area (distncia entre o ponto de tomada de cada foto), seguindo o princpio da semelhana de tringulos, chega-se a:

I

i

hHB

fp

= , o que leva a: i

I pfBHh .=

Onde: hI: altitude do ponto I H: altitude do vo B: base area f: distncia focal pi: paralaxe absoluta do ponto i

Figura 7: Relao entre as paralaxes de um ponto I. Adaptado de Lillesand e Kiefer, 2000.

2.3.2. Processo Fotogramtrico

2.3.2.1. Orientao Interior

A orientao interior uma operao de reconstruo da posio dos feixes perspectivos (referenciamento da imagem) em relao cmara, permitindo a recuperao da posio da fotografia no momento da tomada da foto. Para materializar este efeito, so aplicados modelos matemticos para calcular os parmetros que relacionam o sistema de coordenadas de imagem digital (pixels) em um sistema caracterstico de cada cmara, dado pelos parmetros do certificado de calibrao de

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cmara fotogramtrica. Pode-se resumir afirmando que a imagem digital, que se encontrava livre no espao (no-referenciada), associada posio que exercia dentro da cmera quando foi obtida (Figura 8).

Figura 8: Esquema representativo da Orientao Interior.

O modelo matemtico mais comumente utilizado para esse fim a Transformao Afim Geral associada a um ajustamento de observaes pelo Mtodo Paramtrico e por Mnimos Quadrados, ou variaes desse modelo. Esse mtodo corrige problemas de no-ortogonalidade dos eixos, rotao, posicionamento (translao em x e y) e diferenas de escala em x e y. A formulao para esse mtodo pode ser encontrada em Gemael (1994).

2.3.2.2. Orientao Exterior

A orientao exterior consiste em relacionar o sistema de cmara (reconstrudo na orientao interior) com sua posio e sua atitude em relao ao terreno imageado naquele instante, atravs da determinao dos seis parmetros que regem a posio do centro de perspectiva na tomada da foto: a posio tridimensional

(X0, Y0, Z0) e as rotaes nos trs eixos (, , ), representados na Figura 9. Isso significa que essa etapa possibilita o posicionamento da imagem em relao cmara (espao-imagem) e em relao a um referencial terrestre (espao-objeto).

Figura 9: ngulos de atitude , , Fonte: www.ibge.gov.br

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Com o conhecimento destes parmetros, pode-se agora deduzir as coordenadas no espao-objeto de qualquer ponto representado no espao-imagem atravs das equaes de colinearidade, que consideram estas coordenadas no espao-objeto como incgnitas.

)()()()()()(

.

033023013

0310210110 ZZrYYrXXr

ZZrYYrXXrfxx++

++=

)()()()()()(

.

033023013

0320220120 ZZrYYrXXr

ZZrYYrXXrfyy++

++=

Onde: x,y = coordenadas do ponto de interesse no espao-imagem x0,y0 = coordenadas do centro de perspectiva no espao-imagem f = distncia focal da cmera X,Y = coordenadas do ponto de interesse no espao-objeto X0,Y0 = coordenadas do centro de perspectiva no espao-objeto

rij = elementos da matriz de rotao R =

333231

232221

131211

rrr

rrr

rrr

=

=

+

++

cos.cossin.sin.coscos.sincos.sin.cossin.sincos.sinsin.sin.sincos.coscos.sin.sinsin.cos

sincos.coscos.cos

A partir dessas equaes de colinearidade, pode-se realizar uma srie de clculos, como a Resseo Espacial (obtm valores dos parmetros de orientao exterior), a Interseo Espacial (obtm os valores de coordenadas tridimensionais para um par de imagens) e o Ajustamento por Feixes Perspectivos (propicia a obteno destes valores j citados para um bloco de fotografias).

2.3.2.3. Orientao de Imagens de Sensoriamento Remoto

Na formao do estereomodelos compostos por imagens de sensoriamento remoto, utiliza-se uma metodologia baseada num modelo de coplanaridade adaptado (Ruy e Tommaselli, 2003). Neste caso, o modelo tratado de forma diferente, sendo os parmetros de orientao exterior normalizados pela restrio de coplanaridade num sistema de referncia terrestre, no qual estes parmetros foram determinados no momento da tomada das imagens pelo sistema de posicionamento do satlite. No

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modelo original as fotos so orientadas uma em relao outra, num referencial arbitrrio da foto da esquerda.

- Identificao Automtica de Pontos Homlogos

Para compatibilizar os parmetros de orientao no ajustamento pelo Mtodo dos Mnimos Quadrados, alguns pontos homlogos devem ser medidos no modelo. Esses pontos podem ser identificados automaticamente atravs do uso de tcnicas de correlao (Ruy e Tommaselli, 2003). As tcnicas de correlao implicam em que a medida de similaridade entre a janela de referncia, contendo pixels de uma imagem, e a janela de pesquisa, contendo pixels da outra, calculada por um fator de correlao normalizado (), definido em Kraus (1993) por:

( )( ) ( )( )( )( )( ) ( )( )

= = = =

= =

=n

i

m

j

n

i

m

jPjiPRjiR

n

i

m

jPjiPRjiR

PR

RP

gyxggyxg

gyxggyxg

0 0 0 0

22

1 1

,*,

,,

Onde: RP: covarincia entre as janelas de referncia e de pesquisa; R: desvio-padro da janela de referncia (template). P: desvio-padro da janela de pesquisa; (m, n): dimenso das janelas de referncia e pesquisa; gR(xi,yj): nvel de cinza da posio (xi,yj): na janela de referncia; gP(xi,yj): nvel de cinza da posio (xi,yj), na janela de pesquisa; gR : mdia dos nveis de cinza da janela de referncia; gP : mdia dos nveis de cinza da janela de pesquisa.

Este fator de correlao determinado para cada posio da janela de pesquisa na janela de busca. O fator de correlao varia entre 1 e 1. Esses valores correspondem, respectivamente, aos casos de correlao inversa e de similaridade mxima, e o valor 0 indica que no h correlao entre as janelas.

2.3.2.4. Aerotriangulao

A aerotriangulao (Figura 10) uma tcnica segura de clculo de coordenadas espaciais de pontos medidos fotogrametricamente. O seu principal objetivo fornecer coordenadas precisas para os pontos necessrios orientao absoluta de

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modelos fotogramtricos, j que, para isso comum a necessidade de levar-se em conta uma quantidade considervel de pontos. Atravs da aerotriangulao, pode-se necessitar das coordenadas levantadas in loco de apenas alguns poucos pontos espaados pelo bloco para calcular, por interpolao, quantos pontos forem necessrios para cada modelo. Isto o que normalmente se denomina adensamento de pontos de campo.

Figura 10: Intersees espaciais para trs imagens. Fonte: www.tracasa.es/html/es/t_cartografia.html

2.3.2.5. Retificao de Imagens

Retificar uma imagem consiste em projet-la, segundo seu prprio feixe perspectivo, para um plano horizontal (Andrade, 1998). Esse processo permite modificar ou at mesmo eliminar completamente as distores causadas pelos ngulos de atitude da cmara em relao a um dado referencial, bem como pela distncia focal da imagem resultante (distoro radial).

No caso da fotogrametria area/orbital, ou seja, a fotogrametria com vistas ao mapeamento em larga escala, interessa transformar as imagens em perfeitamente

verticais, ou seja: eliminar os ngulos de atitude e , gerando, ento, imagens perfeitamente verticais. O objetivo primordial da retificao para a fotogrametria gerar uma nova imagem vertical sem as distores introduzidas pela atitude do sensor durante a tomada da imagem.

2.3.2.6. Normalizao de Imagens

Diferentemente da retificao, que feita imagem a imagem, a normalizao orientada ao par estereoscpico, porm sem restringir-se rea de

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superposio das imagens. O objetivo principal da normalizao gerar um novo par de imagens digitais que se adapte assim chamada geometria epipolar (Brito, 2002). Para isso, se faz necessrio eliminar todos os ngulos de atitude da aeronave. Cabe lembrar

que na retificao, apenas e devem ser obrigatoriamente zerados.

2.3.2.7. Ortorretificao de Imagens

O processo de ortorretificao (Figura 11) de imagens responsvel por transformar imagens com perspectiva central (com os inmeros raios de luz advindos de diferentes pontos imageados, passando por um s ponto: o centro de perspectiva) em imagens em perspectiva ortogonal (em que raios ortogonais so projetados a partir da regio imageada, sem nunca se encontrar). atravs desse processo que se eliminam a distoro radial e os desvios relativos ao relevo da regio imageada.

Figura 11: Esquema demonstrando os efeitos da transformao de perspectiva pelo processo de ortorretificao. Adaptado de: BRITO, 2002.

Uma imagem em perspectiva central no pode ser tomada como fonte de informao mtrica segura, uma vez que a mesma possui erros devido rotao do sensor e deslocamentos devido ao relevo, inerentes perspectiva cnica. J a imagem em projeo ortogonal pode ser tomada como um documento cartogrfico, podendo ser empregada em qualquer atividade que demande um mapa ou carta ou fonte de dados similar (Brito, 2002).

O mtodo matemtico mais empregado na ortorretificao de imagens a retificao diferencial (Andrade, 1998). Seu objetivo gerar uma nova imagem digital em perspectiva ortogonal, atravs da reconstruo dos feixes perspectivos (Figura 12).

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Essa nova imagem feita a partir das coordenadas tridimensionais de cada pixel que vai form-la e, por intermdio dos parmetros da orientao exterior conhecidos, determinar as coordenadas no novo espao-imagem para cada ponto. Atravs dos parmetros da orientao interior, chega-se ao pixel correspondente, e, conseqentemente, ao seu nvel de cinza, que reamostrado na imagem ortorretificada.

Figura 12: Esquema representativo das etapas da ortorretificao. Fonte: www.profc.udec.cl/~gabriel/tutoriales

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2.4. Modelagem Digital de Terreno (MDT)

Um Modelo Digital de Terreno (MDT) uma representao matemtica da distribuio espacial de uma determinada caracterstica vinculada a uma superfcie real. A superfcie em geral contnua e o fenmeno que representa pode ser variado. O MDT pode ser utilizado para representar informaes de ordem econmica e social (tais como a distribuio da populao ou renda dos habitantes de uma regio) ou acerca do meio fsico (tais como dados de relevo, poluio, temperatura, geofsica, geolgicos, etc.). Entre alguns usos do MDT pode-se citar (Burrough, 1986):

- Armazenamento de dados de altimetria para gerar mapas e perfis topogrficos;

- Ortorretificao de imagens;

- Anlises de corte-aterro para projeto de estradas e barragens;

- Elaborao de mapas de declividade e exposio para apoio anlise de geomorfologia e erodibilidade;

- Determinao de intervisibilidade de pontos;

- Anlise de variveis geofsicas e geoqumicas;

- Apresentao tridimensional (em combinao com outras variveis).

Para a representao de uma superfcie real no computador, indispensvel a elaborao e criao de um modelo digital, que pode estar representado por equaes analticas ou uma rede (grade) de pontos, de modo a transmitir ao usurio as caractersticas espaciais do terreno.

A criao de um MDT corresponde a uma nova maneira de enfocar o problema da elaborao e implantao de projetos. A partir dos modelos pode-se calcular diretamente volumes, reas, desenhar perfis e seces transversais, gerar imagens sombreadas ou em nveis de cinza, gerar mapas de declividade e aspecto, gerar fatiamentos nos intervalos desejados e perspectivas tridimensionais, etc.

No processo de modelagem numrica de terreno pode-se distinguir trs fases:

- obteno dos dados, - gerao de grades, - elaborao de produtos representando as informaes obtidas.

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2.4.1. Obteno de Dados

Os dados de modelo numrico de terreno esto representados pelas coordenadas XYZ, onde Z caracteriza o parmetro a ser modelado. A aquisio destes dados geralmente realizada por levantamentos topogrficos ou geodsicos, digitalizao de mapas, medidas fotogramtricas a partir de modelos estereoscpicos e dados altimtricos adquiridos por GPS, avies ou satlites.

Os mtodos de aquisio de dados podem ser, por pontos amostrados, com espaamento irregular e regular, bem como por mapas de isolinhas.

2.4.1.1. Amostragem por Pontos

De acordo com o tipo de aquisio tem-se a distribuio das amostras conforme a Figura 13:

(a) (b) (c) (d) Figura 13: Distribuio dos pontos amostrais (a) irregular, (b) aerolevantamento, (c) a

partir da drenagem e (d) regular. Fonte: www.dpi.inpe.br/spring

O cuidado na escolha dos pontos e a quantidade de dados amostrados esto diretamente relacionados qualidade do produto final de uma aplicao sobre o modelo. Para aplicaes onde se requer um grau de realismo maior, a quantidade de pontos amostrados, bem como a sua distribuio espacial e a relevncia de cada ponto para a representao do relevo so fatores decisivos.

2.4.1.2. Amostragem por Isolinhas

Um mapa de isolinhas nada mais do que a representao de uma superfcie por meio de curvas de isovalor. O exemplo mais comum so as isolinhas altimtricas, tambm conhecidas como curvas de nvel, existentes nos mapas topogrficos. Nestes mapas ainda existem pontos amostrados irregularmente que foram obtidos por trabalhos de campo. A Figura 14 mostra um exemplo de mapa plani-altimtrico com isolinhas e alguns pontos cotados.

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Figura 14: Mapa plani-altimtrico. Fonte: www.dpi.inpe.br/spring

A digitalizao das isolinhas pode ser efetuada por meio manual, com uso de uma mesa digitalizadora, ou atravs de um processo automtico por meio de scanner.

A digitalizao manual consiste na operao de identificao de uma isolinha com um valor de cota, via mesa digitalizadora ou cursor, diretamente na tela.

A digitalizao utilizando scanner resulta em uma matriz de pontos onde podem ser identificadas as isolinhas e os valores de cota. Processos de vetorizao percorrem uma isolinha e transformam-na em uma seqncia de pontos com coordenadas x,y de mesmo valor em z.

2.4.2. Gerao de Grades

Os MDT no so elaborados diretamente sobre os dados amostrados, mas sim a partir dos modelos gerados no formato de grade regular ou irregular (Figura 15). Estes formatos simplificam a implementao dos algoritmos de aplicao e os tornam mais rpidos computacionalmente. As grades retangulares so geralmente utilizadas em aplicaes qualitativas, por exemplo, para visualizao da superfcie. Enquanto o

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modelo de grade irregular utilizado quando se requer maior preciso na anlise quantitativa dos dados.

Figura 15: Exemplos de Grade Retangular Regular e Grade Triangular Irregular. Fonte: www.dpi.inpe.br/spring

2.4.2.1. Gerao de Grade Retangular

A grade retangular ou regular um modelo digital que aproxima superfcies atravs de um poliedro de faces retangulares. Os vrtices desses poliedros podem ser os prprios pontos amostrados, caso estes tenham sido adquiridos nas mesmas localizaes x,y que definem a grade desejada.

A gerao de grade regular ou retangular deve ser efetuada quando os dados amostrados na superfcie no so obtidos com espaamento regular. Assim, a partir das informaes contidas nas isolinhas ou nos pontos amostrados, gera-se uma grade que representa de maneira mais fiel possvel a superfcie. Os valores iniciais a serem determinados so os espaamentos nas direes x e y (resoluo em x e y) de forma que possam representar os valores prximos aos pontos da grade em regies acidentadas e que, ao mesmo tempo, reduzam redundncias em regies mais planas.

Uma vez definida a resoluo e consequentemente as coordenadas de cada ponto da grade, pode-se aplicar um dos mtodos de interpolao para calcular o valor aproximado da elevao.

2.4.2.2. Gerao de Grade Triangular

Na modelagem da superfcie por meio de grade irregular triangular, cada polgono que forma uma face do poliedro um tringulo. Os vrtices do tringulo so geralmente os pontos amostrados da superfcie. Esta modelagem, considerando as arestas dos tringulos, permite que as informaes morfolgicas importantes, como as descontinuidades representadas por feies lineares de relevo (cristas) e drenagem

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(vales), sejam consideradas durante a gerao da grade triangular, possibilitando assim, modelar a superfcie do terreno preservando as feies geomrficas da superfcie.

O nmero de redundncias bastante reduzido se comparado grade retangular, uma vez que a malha mais fina em regies de grandes variaes e mais espaada em regies quase planas. As descontinuidades da superfcie podem ser modeladas atravs de linhas e pontos caractersticos.

Esta grade tem a vantagem de utilizar os prprios pontos amostrados para modelar a superfcie, sem a necessidade de qualquer tipo de interpolao sobre os mesmos. A desvantagem da grade irregular que os procedimentos para obteno de dados derivados de grades triangulares tendem a ser mais complexos e consequentemente mais demorados que os da grade retangular.

2.4.2.3. Interpoladores

Interpolao o procedimento utilizado para estimar o valor de um atributo em locais no amostrados a partir de pontos amostrados na mesma rea ou regio, convertendo dados de observaes pontuais em campos contnuos. Alguns dos interpoladores mais comumente utilizados:

- Vizinho mais prximo:

Para cada ponto x,y da grade atribuda a cota da amostra mais prxima ao ponto. Este interpolador deve ser usado quando se deseja manter os valores de cotas das amostras na grade sem gerar valores intermedirios.

- Bilinear:

Para se calcular a superfcie bilinear, para uma clula da grade aproveita-se as caractersticas de ordenao das posies dos elementos das clulas e otimiza-se o procedimento que implementa este interpolador.

Considera-se uma clula da grade formada pelos pontos vrtices A, B, C e D, e um ponto genrico situado no interior da clula M (Figura 16).

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Figura 16: Exemplo ilustrativo de interpolao bilinear. Fonte: www.dpi.inpe.br/spring/portugues/tutorial

O valor em M funo de f(u,v), sendo (u,v) em (0,1). A interpolao bilinear sobre a clula ABCD realizada pela seguinte seqncia:

- Interpola-se linearmente os pontos E e F a partir dos pontos C e D, e A e B, respectivamente;

- Interpola-se o ponto M linearmente a partir dos pontos E e F. Assim, o valor de cota zm :

vzvzz FEM .)1.( +=

)).1(.).(1()).1(..( CDABM zuzuvzuzuvz +++=

Com (u,v) normalizados em (0,1).

- Mdias Ponderadas e Inverso do Quadrado da Distncia: O algoritmo das Mdias Ponderadas calcula estimativas de valores desconhecidos a partir dos valores amostrados vizinhos. A distncia atua como o peso e o expoente usado permite ajustamentos a esse peso: maiores expoentes, aumentam a influncia dos valores conhecidos mais prximos. A utilizao do expoente 2 caracteriza o caso denominado Inverso do Quadrado da Distncia.

Onde:

Z : valor interpolado d : distncia de um dado ponto conhecido i p : expoente de ponderao da distncia n : nmero de pontos a serem includos na procura z : valor de z do ponto conhecido i i : 1, 2, ... n

=

=

=n

ip

i

i

n

ip

i

d

zdZ

1

1

1

1

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- Krigagem:

A Krigagem semelhante ao mtodo de interpolao por Mdias Ponderadas, com exceo dos pesos, que so determinados a partir de uma anlise espacial, baseada no semivariograma experimental, denominada comportamento tpico de declive (Peucker, 1980). Esta funo conhecida como autocorrelao, covarincia ou variograma e as tcnicas de estimao so chamadas de interpolao por autocorrelao, colocao ou krigagem, respectivamente.

Segundo Felgueiras (1987), a Krigagem um mtodo estatstico que utiliza as informaes dos pontos vizinhos (variveis regionalizadas), considerando alm dos valores amostrados, a sua posio espacial relativa. Apesar deste processo inicialmente ter sido desenvolvido para estimativas de reservas em minerao, pode-se utilizar a krigagem para estimar o valor de z de um ponto de posio planimtrica conhecida, a partir de um conjunto de n pontos vizinhos, cujo valor de z conhecido:

),(* iii yxHz =

O estimador H*(x,y) associado a cada posio a ser interpolada, sendo obtido atravs de uma combinao linear dos n pontos conhecidos :

=

=

n

iipyxH

1),(* H(xi, yi)

Onde ip o ponderador obtido atravs dos conceitos de geoestatstica,

tendo como caracterstica (Destri, 1988):

=

=

n

iip

11

O objetivo da Krigagem obter os ponderadores ip que forneam estimativas no tendenciosas e com varincias mnimas.

2.4.3. Elaborao de Produtos

Superadas as etapas de obteno dos dados e gerao das grades para clculo das informaes a serem fornecidas pelo modelo, tem-se a necessidade de elaborao de um produto final, que vai ser manuseado pelo usurio. Pode-se visualizar um MDT basicamente de trs formas: gerando imagens em nveis de cinza, imagens sombreadas ou modelos tridimensionais.

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2.4.3.1. Gerao de Imagem em Nveis de Cinza

A gerao de imagem em nveis de cinza para representar um MDT (Figura 17), consiste em atribuir valores digitais de nveis de cinza (de 0 a 255, por exemplo) linearmente, dos mnimos aos mximos, a cada pixel, de acordo com sua cota.

Figura 17: MDT da rea de estudo representado por imagem em nveis de cinza.

2.4.3.2. Gerao de Imagem Sombreada

Uma imagem sombreada (Figura 18) gerada a partir da aplicao de um modelo de iluminao sobre um modelo de superfcie. O modelo de iluminao determina a intensidade de luz refletida em um ponto da superfcie considerando o relevo, a posio da fonte de luz - que pode ser a luz ambiente - e a reflexo da superfcie.

Figura 18: Imagem sombreada da mesma regio do MDT representado na Figura 17.

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2.4.3.3. Gerao de Modelo de Visualizao Tridimensional

Consiste na simulao de uma vista em perspectiva do slido tridimensional (Figura 19) a partir das cotas interpoladas nas grades, representando proporcionalmente a superfcie estudada. Normalmente, adota-se um fator de exagero vertical, para melhor observar as variaes no relevo.

Figura 19: Visualizao tridimensional do MDT da Figura 17.

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2.5. SRTM (Shuttle Radar Topography Mission)

O SRTM uma misso espacial liderada pela NASA, em parceria com as agncias espaciais da Alemanha (DLR) e Itlia (ASI), realizada em fevereiro de 2000. Com 11 dias de durao, seu objetivo foi gerar um modelo digital de elevao quase-global. O sensor utilizado foi um radar (SAR) a bordo do nibus espacial Endeavour, que adquiriu dados sobre mais de 80% da superfcie terrestre, nas bandas C e X, fazendo uso da tcnica de interferometria. Nesta tcnica, a altitude de pontos no terreno obtida atravs da medio da diferena de fase entre duas imagens radar sobre um mesmo local na Terra. Diferente dos dados em estereoscopia do CBERS-2, o SRTM adquire os dados em uma mesma rbita, graas s duas antenas de recepo separadas por um mastro de 60 metros (Figura 20) a bordo da plataforma, o que melhora muito a qualidade das informaes coletadas.

Figura 20: Esquema da aquisio de dados do SRTM Fonte: http://erg.usgs.gov/isb/pubs/factsheets/fs07103.html

Os dados, adquiridos com resoluo de 1 arco segundo (aproximadamente 30 metros, no equador), foram processados para a gerao dos MDTs da rea coberta. Os modelos relativos banda C esto sendo distribudos gratuitamente pela NASA para as Amricas do Sul e do Norte, com resoluo espacial de aproximadamente 90 metros. H a possibilidade de se adquirir dados com resoluo de 30 metros dependendo de acordos analisados individualmente pela NASA. Os dados relativos banda X esto sendo processados e distribudos pelo DLR Centro Aeroespacial Alemo (JPL, 2004). Ao se iniciar a misso, esperava-se atingir precises da ordem de 16 metros na altimetria (Duren, 1998).

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Outro ponto a favor do SRTM o uso da interferometria para o clculo da altitude, que possui uma maior acurcia em relao tcnica da estereoscopia (CCRS, 2004). Alm disso, alguns trabalhos indicam que podem ser atingidas precises melhores do que as estimadas antes do inicio da misso, estimando em at 6 metros o erro vertical (Heipke, 2002). Para atingir tais metas, os dados devem ser processados a fim de se eliminar imperfeies do sistema, tais como valores esprios prximos ao litoral e alguns vazios no continente, referentes a reas de sombra ao sinal. Rao (2004), em experimentos de campo, encontrou erros menores que 5 metros na vertical e de 2 a 3 pixels na horizontal, o que chama a ateno para a necessidade de validao tambm para deslocamentos planimtricos.

Os MDTs gerados esto sendo disponibilizados no site ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm/version2/, cobrindo reas de 1 latitude por 1 de longitude no terreno. Cada arquivo tem aproximadamente uma linha e uma coluna de sobreposio com os arquivos correspondentes s reas de sua vizinhana. O sistema de projeo utilizado o de coordenadas geogrficas (latitude e longitude) e o datum o WGS84, sendo as altitudes dadas em metros.

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2.6. Controle de Qualidade

Para uma adequada utilizao dos produtos cartogrficos no suporte s atividades rurais, no planejamento de obras de engenharia, no apoio tomada de decises da administrao pblica e qualquer outra finalidade em que estes possam ser aplicados, imprescindvel que o usurio conhea a qualidade das informaes ali disponveis e as limitaes de utilizao de cada tipo de documento. Por isso, h a necessidade de se verificar estatisticamente a qualidade dos produtos cartogrficos.

A regulamentao do controle de qualidade de documentos cartogrficos no Brasil funciona de acordo com as normas especificadas no Decreto Lei no 89.817 de 20 de junho de 1984, o Padro de Exatido Cartogrfica (PEC), que estabelece as Instrues Reguladoras das Normas Tcnicas da Cartografia Nacional. A classificao dos documentos cartogrficos de acordo com a sua qualidade geomtrica detalhada nos artigos 8o e 9o do Captulo II desse Decreto Lei. De acordo com esses artigos:

Art. 8o: As cartas, quanto exatido, devem obedecer ao Padro de Exatido Cartogrfica, segundo o critrio indicado:

1. Noventa por cento dos pontos bem definidos em uma carta, quando testados no terreno, no devero apresentar erro superior ao Padro de Exatido Cartogrfica - Planimtrico - estabelecido.

2. Noventa por cento dos pontos isolados de altitude, obtidos por interpolao de curvas de nvel, quando testados no terreno, no devero apresentar erro superior ao Padro de Exatido Cartogrfica - Altimtrico - estabelecido.

1 Padro de Exatido Cartogrfica um indicador estatstico de disperso, relativo a 90% de probabilidade, que define a exatido de trabalhos cartogrficos. 2 A probabilidade de 90% corresponde a 1,6449 vezes o Erro Padro - PEC = 1,6449 EP. 3 O Erro-Padro isolado num trabalho cartogrfico, no ultrapassar 60,8% do Padro de Exatido Cartogrfica.

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4 Para efeito das presentes Instrues, consideram-se equivalentes as expresses Erro-Padro, Desvio-Padro e Erro-Mdio-Quadrtico.

Art. 9o: As cartas, segundo sua exatido, so classificadas nas Classes A, B e C, segundo os critrios seguintes:

a. Classe A

1. Padro de Exatido Cartogrfica - Planimtrico: 0,5 mm, na escala da carta, sendo de 0,3 mm na escala da carta o Erro-Padro correspondente.

2. Padro de Exatido Cartogrfica - Altimtrico: metade da eqidistncia entre as curvas de nvel, sendo de um tero desta eqidistncia o Erro-Padro correspondente.

b. Classe B

1. Padro de Exatido Cartogrfica - Planimtrico: 0,8 mm na escala da carta, sendo de 0,5 mm na escala da carta o Erro-Padro correspondente.

2. Padro de Exatido Cartogrfica - Altimtrico: trs quintos da eqidistncia entre as curvas de nvel, sendo de dois quintos o Erro-Padro correspondente.

c. Classe C

1. Padro de Exatido Cartogrfica - Planimtrico: 1,0 mm na escala da carta, sendo de 0,6 mm na escala da carta o Erro-Padro correspondente.

2. Padro de Exatido Cartogrfica - Altimtrico: trs quartos da eqidistncia entre as curvas de nvel, sendo de metade desta eqidistncia o Erro-Padro correspondente.

Partindo das definies padronizadas pelo Decreto Lei, se necessita estabelecer os critrios estatsticos a serem utilizados nos clculos de exatido e acurcia das informaes em estudo. Os mtodos estatsticos que sero utilizados para a anlise de qualidade no presente projeto so baseados, principalmente, na metodologia definida por Itame (2001) e Rocha (2002).

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2.6.1. Preciso e Acurcia

Preciso o tipo de medida utilizada para definir o grau de disperso de um grupo de valores observados, ou seja, o quanto esses valores esto afastados da mdia do grupo. Graficamente, pode ser observada pela amplitude da curva da funo densidade de probabilidade desses valores: quanto mais achatada, pior a preciso (Figura 21). J a acurcia, ou exatido, indica genericamente se os valores observados esto prximos do valor exato que se deseja encontrar. Por exemplo: divide-se aleatoriamente uma turma de 50 alunos em grupos de 10 e calcula-se a mdia das notas de cada grupo. O resultado mais exato o do grupo cuja mdia mais se aproximar da mdia de todos os 50 alunos, enquanto o mais preciso o do grupo cujos alunos tenham os valores de nota mais prximas entre si (menor varincia).

Figura 21: Os valores apresentados no grfico (a) so mais exatos do que os em (b), enquanto estes ltimos so mais precisos.

2.6.2. Nmero de Pontos Amostrais

Para anlise estatstica de um MDT, pode-se calcular a partir da definio do valor do intervalo de confiana e do erro amostral, o nmero de pontos de verificao a serem comparados com as cotas interpoladas utilizando-se a seguinte expresso:

( ) 22222

..1..

ZNNZ

nr +

=

Onde: Z: Intervalo de Confiana = s/ x s: Desvio Padro amostral x : Mdia amostral N: Tamanho da populao : Erro amostral r: Erro amostral Relativo (r=/ x )

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O valor do intervalo de confiana e o erro amostral so atribudos em funo da preciso da estimativa, finalidade da pesquisa, custo econmico e tempo disponvel. O valor do erro amostral apresenta o erro mximo a ser aceito quando se utiliza uma mdia amostral ao invs da mdia populacional (Rocha, 2002).

2.6.3. Anlise da Exatido

Baseada na anlise estatstica das diferenas entre as coordenadas

observadas no modelo gerado e as coordenadas x de referncia. Consiste na construo

de um intervalo de confiana de 90% para a mdia a partir da mdia amostral e do desvio padro amostral S, dado por (Leal et al, 1999):

Onde:

ta = valor tabelado da distribuio de Student n = tamanho da amostra

Em seguida, aplica-se um teste de hiptese com nvel de significncia de 10%, para validao da exatido, formulando a hiptese:

H0: < x H1: > x

Onde x o erro mximo admissvel (1/2 da eqidistncia para Classe A).

Determina-se o clculo da estatstica por:

Onde: 0 a mdia populacional esperada. t a estatstica amostral para comparao com o valor t tabelado da distribuio de Student.

2.6.4. Anlise da Preciso

Verificao da coerncia interna dos elementos do MDT. Costuma-se

utilizar a distribuio do Qui-quadrado, 2, que nada mais do que a construo de um

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intervalo de confiana de 90% para o desvio padro populacional a partir do desvio

padro amostral s:

Novamente, aplica-se um teste de hiptese com nvel de significncia de 10%, para validao da preciso, confrontando:

H0: < x

H1: 2 > x

Onde x so os erros mximos admissveis em preciso (1/3 da eqidistncia para Classe A).

O clculo da estatstica dado por:

Verifica-se, ento, se o valor est no intervalo de aceitao 2 < 21 .

3. Caracterizao da rea de Estudo

Os nicos pares estereoscpicos do CBERS-2 disponibilizados pelo INPE so de uma rea localizada prxima ao Tringulo Mineiro, na regio de Estrela do Sul, entre os municpios de Catalo, no estado de Gois, e Perdizes, em Minas Gerais (Figura 22). Devido a grandes dificuldades tcnicas para a inclinao dos espelhos, necessria tomada dessas imagens, no h previso para imageamento de novos pares estereoscpicos pelo CBERS-2. Dos quatro pares tomados nessa regio (imagens com visada inclinada nas rbitas 159 e 154), apenas um foi aproveitado, devido excessiva cobertura de nuvens verificada nos demais.

Figura 22: rea abrangida pelo par estreo, dentro da rea do Projeto SP/MG/GO-50 do IBGE. Adaptado de: Maranho, 2005.

A escolha dessa regio deu-se, principalmente, devido existncia de vasto material cartogrfico disponvel em escalas apropriadas ao trabalho com o sensor HR-CCD (1:25000 e 1:50000), alm de 4000 fotos areas mtricas na escala de 1:35 000 e

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950 pontos GPS previamente medidos pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica (IBGE) para apoio fotogramtrico. Desses dados, 10 pontos de apoio fotogramtrico e 4 pontos GPS encontravam-se na rea abrangida pelo par estereoscpico utilizado.

Localizada na regio da Bacia Hidrogrfica do Paran, Sub-Bacia do Paranaba, a rea em estudo apresenta relevo predominantemente ondulado a montanhoso, com altitudes variando entre 600 e 1100 metros.

4. Materiais e Mtodos

4.1. Material Utilizado

Um par estereoscpico de imagens CBERS-2 do sensor HR-CCD (Figura 23) com recobrimento de 98,04% formado por imagens da rbita-ponto 156-121 datadas de 16 de Junho de 2004 e 1o de Julho de 2004 com inclinaes de 18,6 para Leste e 17,033 para Oeste, respectivamente;

(a) (b) Figura 23: Composies coloridas do par estreo utilizado - imagens de 16/6/2004 (a) e

01/7/2004 (b).

Dezesseis cartas topogrficas em escala 1:25000 da cartografia sistemtica brasileira (datum SAD69/Imbituba), geradas pela Diviso de Servio Geogrfico (DSG), restitudas sobre fotos areas de 1982, gentilmente cedidas pela 5a Diviso de Levantamento do Exrcito Brasileiro para fins de pesquisa;

Coordenadas (datum SAD69/Imbituba) e localizao de quatro pontos de controle medidos com GPS topogrfico e 10 pontos de apoio fotogramtrico na rea de estudo, gentilmente cedidas pelo setor de cartografia do IBGE-RJ para fins de pesquisa;

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Modelo Digital de Terreno da rea de estudo gerado pela Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), disponvel para download gratuitamente no endereo: ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm/version2;

Softwares ERDAS 8.7 e LPS (Leica Photogrammetry Suite). Software ENVI 4.0.

4.1.1. Leica Photogrammetry Suite (LPS) A Leica Photogrammetry Suite (LPS) um conjunto de software, desenvolvido

para se trabalhar com orientaes fotogramtricas de imagens geoespaciais. uma coleo de ferramentas que permitem transformar imagens brutas em camadas de dados exigidos em mapeamentos digitais, anlises em sistemas de informaes geogrficas (SIG) e visualizao 3D.

A LPS oferece aplicativos para criar todo um projeto, eliminando tarefas repetitivas com recursos como medio automtica de pontos de amarrao, extrao automtica do MDT e carregamento inteligente de vrias imagens. Possibilita, tambm, a interoperabilidade com dados de outros softwares de fotogrametria.

A arquitetura modular da LPS permite que outros produtos sejam adicionados s suas configuraes para acrescentar algumas funcionalidades. Alguns desses mdulos foram utilizados no presente projeto, como o LPS TE (Terrain Editor), para verificao da consistncia do posicionamento das imagens do par e visualizao da estereoscopia; e o LPS ATE (Automatic Terrain Extractor), para extrao dos MDTs e insero de breaklines.

4.2. Mtodo de Trabalho

4.2.1. Processo Fotogramtrico

A partir de um par estereoscpico de imagens coletadas pelo sensor HR-CCD do satlite CBERS-2 fez-se uso de tcnicas de fotogrametria digital para a gerao de dois Modelos Digitais de Terreno com diferentes resolues: 60 e 100 metros.

Inicialmente, procedeu-se a configurao dos parmetros do sensor utilizado. Na indicao do tipo de geometria do modelo optou-se pelo Generic Pushbroom, por ser o mais adequado ao sistema de varredura por sensores lineares do CBERS-2. O segundo passo foi a definio do sistema de coordenadas de referncia a ser utilizado no trabalho. O datum

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escolhido foi o atualmente utilizado no Sistema Geodsico Brasileiro, o SAD69, com os parmetros de acordo com o listado a seguir:

- Superfcie de referncia: Elipside Internacional de 1967 (UGGI 1967) - semi-eixo maior: 6 378 160m

- achatamento: 1/298,25 - Ponto datum: Vrtice Chu - 91031

- Coordenadas geodsicas: Latitude = 194541,6527 S Longitude = 480604,0639 W

Altura geomtrica = 763,2819m

- Azimute (Chu-Uberaba) 2713004,05. - Datum Horizontal: SAD69 (South American Datum, 1969) - IBGE - Brasil. - Datum Vertical: Imbituba-SC.

- Sistema de coordenadas plano-retangulares UTM (Universal Transversa de Mercator), zona 23 Sul.

Como j citado na seo 2.5.2.3., imagens de satlite diferem de fotografias mtricas em diversos aspectos, o que resulta, evidentemente, em diferenas nos mtodos de extrao de informaes altimtricas em cada um dos dois casos. Essas diferenas j comeam a ser observadas na fase da Orientao Interior: as imagens do CBERS j vm pr-georreferenciadas (mesmo que com erro horizontal de alguns quilmetros) pelas informaes fornecidas pelo sistema de telemetria do satlite, e no em coordenadas de imagem (linhas,colunas).

Essa etapa do processo fotogramtrico cumprida com o fornecimento dos parmetros encontrados nos arquivos de metadados das imagens. Devido diferena de inclinao do sensor na tomada de cada imagem, faz-se necessrio criar no sistema um sensor para cada imagem, com as mesmas informaes de distncia focal (520mm), resoluo espacial (19,57m - dado fornecido pela GISPLAN) e eixo cartesiano correspondente rbita do satlite (y), diferindo apenas na informao de inclinao do sensor (-18,60 para a imagem de 16/6/2004 e +17,03 para a imagem de 1o/7/2004).

Na Orientao Exterior, foram utilizados os 4 pontos de controle de campo medidos por GPS localizados na rea de recobrimento das imagens (Figura 24-a e Tabela 5) e os 10 pontos de apoio fotogramtrico (Figura 24-b e Tabela 5), alm de 256 pontos de amarrao (Figura 24-c) localizados automaticamente por correlao

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entre os pixels de ambas as imagens do par e verificados um a um, manualmente. Esses dados foram utilizados para fornecer um georreferenciamento mais preciso s imagens e relacion-las com suas posies e atitudes em relao ao terreno imageado.

(a) (b) (c) Figura 24: Distribuio dos Control Points (a), Check Points (b) e Tie Points (c).

Tabela 5: Coordenadas dos 4 pontos medidos com GPS e dos pontos fotogramtricos Ponto E N Z

1 HV1750 224.598,071 7.883.260,411 821,290 2 HV1000 171.517,860 7.942.040,730 642,976 3 HV1017 225.165,899 7.940.342,686 821,050 4 HV1659 158.347,020 7.889.951,930 865,448 5 CB_1 172.609,360 7.950.347,370 563,330 6 CB_2 164.962,860 7.920.810,690 565,960 7 CB_3 164.893,270 7.886.327,240 885,200 8 CB_6 196.150,050 7.945.766,330 706,600 9 CB_8 216.606,180 7.882.171,310 828,790

10 CB_9 238.621,750 7.916.108,790 1.046,190 11 CB_10 222.943,020 7.922.910,270 1.004,620 12 CB_13 179.687,470 7.906.420,350 689,320 13 CB_16 243.356,660 7.902.197,370 1.017,040 14 CB_17 235.549,700 7.944.703,670 844,440

Por Triangulao, calculou-se as coordenadas tridimensionais desses pontos homlogos localizados automaticamente nas imagens, gerando um relatrio contendo os resduos de cada coordenada utilizada no clculo e das coordenadas calculadas (Anexo 1).

A gerao automtica de MDT feita atravs de clculos de diferena de paralaxe entre os pixels homlogos nas imagens que compem o par, apoiado nos pontos de coordenadas conhecidas fornecidos na orientao exterior (Tabela 5). Aos demais pixels so atribudos valores de cota calculados por interpolao. O mtodo de interpolao mais eficiente para esse tipo de trabalho a Krigagem, mas como no oferecida essa opo na estao fotogramtrica utilizada, gerou-se os MDTs (Figura 25 e Anexo 2) utilizando-se os mtodos de interpolao do Vizinho Mais Prximo e

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Bilinear. Para uma posterior comparao, testou-se a gerao de modelos com dois tamanhos de clulas (pixels): 60 e 100 metros de lado, valores coerentes com a preciso esperada dos valores de altitude interpolados (em torno de duas vezes a resoluo espacial, ou seja, 40m) e compatveis com a velocidade de processamento dos dados.

Figura 25: MDT gerado a partir de imagens CBERS-2, com clulas de 100 x 100metros.

Ainda nessa etapa, optou-se pela definio de polgonos de altitude constante nos lagos das barragens abrangidas pelas imagens, fixando a altitude das superfcies desses corpos dgua para melhorar a qualidade dos MDTs. A obteno desses dados relativos ao nvel de gua dos reservatrios das Usinas Hidreltricas (UHE) nos dias em que as imagens foram coletadas pelo CBERS-2 (Figura 26 e Tabela 6) foi feita junto Companhia Energtica de Minas Gerais (CEMIG), com a intermediao do IBGE.

Figura 26: Lagos das UHEs Emborcao (1), Miranda (2) e Nova Ponte (3).

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Tabela 6: Altitude, nas datas do imageamento, do nvel de gua nos reservatrios das usinas hidreltricas mostradas na Figura 33. Fonte: CEMIG.

Usina Data Nvel do Reservatrio (m) 1 - UHE Emborcao 16/06/2004 660,66

01/07/2004 660,59 2 - UHE Miranda 16/06/2004 695,65

01/07/2004 695,39 3 - UHE Nova Ponte 16/06/2004 808,97

01/07/2004 809,18

4.2.2. Anlise dos MDTs Gerados

Nos procedimentos para o controle de qualidade do MDT, foi adotada uma metodologia de anlise do produto cartogrfico seguindo as regras e anlises estatsticas apresentadas na seo 2.8. Como os MDTs gerados apresentaram os mesmos valores de cota para os dois mtodos de interpolao utilizados, optou-se por aplicar os procedimentos a seguir foram aplicados somente a um MDT de cada resoluo.

O ideal para esse tipo de anlise a utilizao de pontos de controle de alta preciso levantados em campo, por exemplo, via posicionamento relativo GPS ps-processado. Devido grande distncia at a rea em estudo, aliada dificuldade de acesso ao local, optou-se pela utilizao das cartas topogrficas da DSG em escala 1:25000, que, segundo o PEC, devem apresentar exatido altimtrica de 5 metros (metade da eqidistncia das curvas de nvel - Tabela 7) em 90% dos pontos bem definidos na carta.

Tabela 7: Eqidistncia das curvas de nvel de acordo com a escala da carta

Escala da Carta Eqidistncia das Curvas de Nvel (metros) 1:250 000 100 1:100 000 50 1:50 000 20 1:25 000 10

A rea coberta pelas 16 cartas de aproximadamente 2900 km2, incluindo uma parte do estereopar que continha uma considervel cobertura de nuvens. Procurou-se escolher pontos de verificao espacialmente bem distribudos por toda essa regio, evitando locais muito prximos s nuvens ou grande rea de reflorestamento de Eucalipto e Pinus abrangida pela imagem, j que no se dispunha de dados sobre a altura dessas rvores. Foram selecionados 20 pontos para uma anlise a priori.

A partir dos valores de mdia e desvio padro dos erros verificados nessa amostra inicial, procedeu-se o clculo do nmero de pontos amostrais que seriam

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necessrios para a anlise quantitativa da qualidade cartogrfica dessas informaes altimtricas. Para tanto, utilizou-se a equao apresentada na seo 2.8.2. da presente dissertao, extrada de Rocha (2002). Para garantir uma boa estimativa, adotou-se um valor de 95% para o intervalo de confiana e um erro amostral () de 8 metros, o que levou a um erro relativo (r) de 19%.

A etapa seguinte foi a aplicao de testes estatsticos, apresentados na seo 2.8. deste trabalho, para anlise da exatido e da preciso das informaes altimtricas interpoladas nos MDTs gerados. A partir dos resultados constatados nesses testes, procurou-se classificar a utilizao desses produtos cartogrficos de acordo com os requisitos altimtricos do PEC.

5. Resultados e Disc