Cap. I - Elementos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto

Capítulo I

Elementos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto / Curso de Engenharia Cartográfica – UFPR Prof. Daniel Santos

1

CAPÍTULO I

1.1. Considerações iniciais O mapeamento é a atividade mais antiga da história da humanidade,

cuja origem se deu no período de transição do modo de vida nômade para

o sedentário. Desde então, o homem iniciou suas atividades de

domesticação de animais silvestres, traçado de rotas e outras temáticas

que acabaram por auxiliar o aperfeiçoamento das técnicas de caça, pesca,

ampliação e demarcação de terras agrícolas surgindo, posteriormente, a

necessidade da compilação de mapas e cartas topográficas.

A Ciência que trata do processo de mapeamento é denominada

Ciências Geodésicas, dividida basicamente em Geodésia, Cartografia e

Fotogrametria. Segundo a ASPRS (em inglês, American Society for

Photogrammetry and Remote Sensing, 1979) Fotogrametria é a Arte,

Ciência e Tecnologia de obtenção de informações confiáveis sobre objetos

físicos e o meio ambiente através de processos de gravação, medição e

interpretação de imagens fotográficas e padrões de energia eletromagnética

radiante e outros fenômenos. Sensoriamento Remoto é uma técnica utiliza

para obter e processar informações adquiridas sobre um objeto sem o

contato físico direto.

O termo Ciência é atribuído ao princípio de reflexão metodológica

sobre a interpretação semântica e as relações contextuais e topológicas

das feições cartográficas localizadas espacialmente na superfície física,

registradas em fotografias ou imagens digitais. A discussão é alusiva nos

diversos campos das Ciências, como por exemplo, da psicologia da forma,

do entendimento cognitivo cerebral e outras funções da capacidade de

interpretação do ser humano. É considerada como Tecnologia quando

Capítulo I


2utilizada como um processo de mapeamento para a geração de produtos

com qualidade métrica, como por exemplo, a compilação de mapas,

Modelos Digitais do Terreno (MDT) e outros.

Pode-se dividir a Fotogrametria em métrica e interpretativa. A

primeira consiste em medir com precisão e determinar o tamanho, área,

comprimento, volume, perímetro e as formas das feições cartográficas

presentes em uma imagem, bem como determinar com precisão suas

coordenadas plani-altimétricas, cuja prioridade é dar suporte para o

processo de compilação de mapas e cartas topográficas. A segunda

destina-se às medidas qualitativas, interpretação das feições cartográficas

contidas na imagem, como por exemplo, a identificação de uma cultura de

soja, tipo de solo etc. Foi desta fatia da Fotogrametria que surgiu o

Sensoriamento Remoto, com a finalidade de tratar os aspectos semânticos

dos objetos, ou seja, interpretar o significado dos objetos presentes na

imagem.

Ambas as técnicas, Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, são

totalmente correlacionadas, cuja principal diferença está na forma de

aplicação. Basicamente, a produção de mapas e a determinação de pontos

tridimensionais da superfície física com precisão é uma tarefa realizada

pelos fotogrametristas, enquanto os especialistas e profissionais da área de

Sensoriamento Remoto estão imbuídos da função de analisar e interpretar

imagens para derivar informações sobre os recursos naturais do globo

terrestre. Como o rápido desenvolvimento da eletrônica e da computação

tem causado grandiosos impactos no desenvolvimento da Fotogrametria e

do Sensoriamento Remoto, o que anteriormente era uma tarefa

estritamente fotogramétrica, isto é, o tratamento dos aspectos geométricos

dos objetos imageados, hoje o Sensoriamento Remoto (que tratava apenas

dos aspectos semânticos dos objetos), também tem tratado dos aspectos

supracitados conjuntamente.

Capítulo I


3Os lançamentos de satélites e os notáveis avanços na produção de

sensores de alto desempenho, no que concernem as resoluções: espacial;

radiométrica; espectral; e temporal; tem possibilitado estudos com análises

e tomadas de decisões mais eficientes sobre as diversas aplicações nas

Engenharias e outras áreas do conhecimento. Com a popularização de

suas aplicações também tem sido utilizada na automação industrial,

medidas arquitetônicas, reconhecimento de objetos no espaço físico à curta

e longa distância, na tomada de decisão em obras de Engenharia,

Cartografia, procedimentos médicos e odontológicos, Agricultura de

Precisão, Robótica, Análise ambiental, desenvolvimento planejado de

cidades e países, Arquitetura, Arqueologia, Oceanografia, Ecologia e

Conservação entre outras áreas do conhecimento e setores de

desenvolvimento da nação.

Ao contrário das técnicas de levantamento direto, tais como, a

Topografia e a Geodésia, a Fotogrametria e o Sensoriamento Remoto são

técnicas de levantamento indireto, isto é, para medir um objeto contido na

superfície física não é necessário o contato direto do operador humano com

as feições cartográficas, pois as mesmas são imageados por meio de

fotografias ou imagens digitais adquiridas por sensores acoplados em

veículos aerotransportados, de navegação terrestre, espacial ou orbital,

permitindo a solução de problemas práticos de grande extensão de forma

rápida, econômica e com precisão.

Quanto à precisão, a qualidade das coordenadas planimétricas,

obtidas por técnicas fotogramétricas, é em torno de três vezes melhor que

as coordenadas altimétricas. Existem dois métodos de determinação de

coordenadas plani-altimétricas na Fotogrametria, isto é, o método

monoscópico e o método estereoscópico. Quando se utiliza apenas uma

única imagem o método é denominado de monoscópico e quando se

utilizam duas ou mais imagens é denominado método estereoscópico. Um

Capítulo I


4dos fatores imprescindíveis para obtenção de produtos com precisão

cartográfica é o conhecimento do equipamento ou sistema a ser utilizado

para a execução do processo de mapeamento.

O estudo dos equipamentos a serem utilizados se inicia com a

decisão sobre o equipamento para registro da energia eletromagnética. Na

Fotogrametria são utilizadas câmaras específicas de filme, sensores CCD

(em inglês, Charge Coupled Device) de quadro ou de varredura linear.

Posteriormente, é necessário estudar o tipo de sistema fotogramétrico ou

equipamento restituidor. O controle de qualidade de um produto cartográfico

compilado por processos fotogramétricos pode ser obtido por meio de

produtos secundários, como por exemplo, MDTs e Fototriangulação de

imagens.

Espera-se que a quanto melhor a qualidade geométrica e

radiométrica dos sensores, maior será a integração entre a Fotogrametria e

Sensoriamento Remoto. Neste aspecto, a comunidade fotogramétrica já

tem despendido esforços no desenvolvimento de modelos matemáticos que

relacionam funcionalmente os espaços imagem e objeto, a partir de

geometrias definidas por imageamento via satélite. Muitos profissionais da

área de mapeamento se questionam sobre o seguinte aspecto: a

Fotogrametria será extinta com a entrada massificadora das imagens de

satélite na comunidade? Não, pois a Fotogrametria consiste da análise

geométrica dos dados e quanto melhor a resolução geométrica dos

sensores (hoje melhor que 40 cm, disponíveis para uso civil), maior será a

necessidade do uso da Fotogrametria e mais popularizada se tornará esta

Ciência.

Uma reflexão mais detalhada sobre o assunto permite concluir que o

Sensoriamento Remoto é uma tecnologia derivada da Fotogrametria, criada

com a finalidade de apresentar uma terminologia para a técnica de

interpretação qualitativa das fotografias e tratar o aspecto semântico dos

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5objetos e por isso deverá sempre exercer a função interpretativa, enquanto

a origem da Fotogrametria é exclusivamente para tratamento métrico das

entidades. Portanto, mesmo que sejam utilizadas imagens de satélite para

mapeamento, o princípio de tratamento dos dados jamais será

desconstruído.

Portanto, o propósito desta apostila é introduzir os alunos da

disciplina aos elementos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, com a

finalidade de apresentar as definições de Fotogrametria e Sensoriamento

Remoto, os aspectos históricos, tratamento da energia eletromagnética, os

elementos fotogramétricos, geometria das imagens, definição dos sistemas

de coordenadas de imagem e fiducial, escala fotográfica, sobreposição

longitudinal e lateral, sensores fotogramétricos e espaciais, definição de

estereoscopia e paralaxe, processos de visualização estereoscópio entre

outras.

1.2. História básica da Fotogrametria A Fotogrametria obteve suas primeiras contribuições em 350 a.c com

o Filósofo Aristóteles por ter descrito o processo de projeção de imagens

opticamente. No início do século XVIII o Dr. Brook Taylor publicou um

tratado sobre a perspectiva linear e mais tarde J. H. Lambert sugeriu que o

princípio de perspectiva poderia ser utilizado na compilação de mapas.

A prática atual da Fotogrametria não poderia ocorrer até o

desenvolvimento do processo fotográfico. O fato ocorreu em 1839, quando

Louis Daguerre de Paris anunciou o processo fotográfico direto. Neste

processo a exposição foi realizada em uma placa de metal sensibilizada

pela luz, com uma porção de iodeto de prata, dando origem ao processo

fotográfico dos dias atuais.

Um ano depois da invenção de Daguerre, um geodesista da

Academia Francesa, demonstrou que o uso de fotografias era viável no

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6mapeamento topográfico, ocorrido em 1849 sob o comando do Coronel

Aimé Laussedat do Corpo de Engenheiros do exército francês. Durante

vários anos o Coronel Laussedat investiu seu conhecimento e sua

persistência para o desenvolvimento da prática da fotogrametria aérea, com

o uso de balões para a tomada das fotografias. Porém, devido às

dificuldades encontradas para obter fotografias aéreas, migrou seus

estudos para a prática da Fotogrametria Terrestre. Já em 1859 o Coronel

Laussedat apresentou os resultados de seu trabalho e foi considerado o Pai

da Fotogrametria.

No início do século XX o Dr. Carl Pulfrich iniciou experimentos com

pares estereoscópicos de fotografias. A partir de seu trabalho foram

desenvolvidos vários dos equipamentos restituidores. Após a invenção da

aeronave em 1902, a Fotogrametria aérea ganhou campo no

desenvolvimento dos trabalhos de mapeamento, reconhecimento,

inteligência e estratégia bélica etc. E nos dias atuais, devido ao grande

desenvolvimento tecnológico, a Fotogrametria tornou-se uma Ciência que

busca a automação dos processos com a finalidade de aumento da linha de

produção, diminuição do esforço operacional, crescimento tecnológico etc.

O desenvolvimento da Fotogrametria depende exclusivamente do

avanço científico e tecnológico, cuja história se deu a partir da invenção da

fotografia, da aeronave, dos computadores e da eletrônica. Atualmente, a

Fotogrametria está dividida em: Fotogrametria Analógica; Fotogrametria

Analítica; e Fotogrametria Digital. A fase Analógica se deu a partir da

revolução industrial. Neste período houve grande preocupação com o

desenvolvimento de equipamentos óptico-mecânicos de precisão, que

possibilitou a construção do primeiro EstereoPlotter em 1908 e

proporcionou grandes avanços no processo de mapeamento, tendo como

principal foco a compilação de mapas e cartas topográficas de forma rápida

e econômica, em escalas menores que 1:50000. Ainda nesta época, a

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7produção de mapas era considerada uma tarefa árdua, morosa,

propagadora de erros grosseiros e necessitava de operadores devidamente

treinados.

As câmaras aéreas e aeronaves tornaram-se operacionais a partir da

I Guerra Mundial. A partir da II Guerra Mundial a Fotogrametria se

estabeleceu como um eficiente método de levantamento e mapeamento. A

teoria matemática básica já era conhecida, porém a quantidade exorbitante

de cálculos impossibilitou as soluções numéricas e consequentemente

todos os esforços foram reduzidos aos métodos analógicos.

Com o desenvolvimento da tecnologia a Fotogrametria migrou para a

denominada fase Analítica. No primeiro momento foi dada atenção à

integração dos métodos de ajustamento às medidas fotogramétricas,

aliando os modelos matemáticos e os algoritmos computacionais aos

instrumentos ópticos-mecânicos com o hardwares computacionais, com a

finalidade de relacionar as observações efetuadas no espaço-imagem

(fotografias) e no espaço-objeto (superfície física), para as devidas

orientações das imagens e posteriores medidas a serem realizadas,

principalmente no que concerne a fototriangulação de imagens. A partir

deste momento, os plotters analíticos foram a maior invenção da fase

Analítica.

A partir da década de 70, a Fotogrametria se projetou na era digital

cooptando com técnicas de Processamento de Imagens, Visão

Computacional e Inteligência Artificial, que por sua vez, possibilitou a

automação de algumas de suas tarefas, tais como: a orientação interior de

imagens; a geração de MDT; e a geração de ortofotos digitais. A automação

das tarefas fotogramétricas tem beneficiado as empresas com o aumento

da produtividade, melhoria da qualidade dos produtos, redução de tempo na

execução das tarefas, feedback do processo produtivo, entre outros fatores.

Capítulo I


8No entanto, ainda existem grandes metas a serem atingidas, pois

dentre as tarefas fotogramétricas existentes, a orientação exterior de

imagens (recuperação dos parâmetros de posição e rotação da câmara e

seus respectivos desvios-padrão), fototriangulação de imagens

(recuperação dos parâmetros de posição e rotação da câmara e

determinação tridimensional de pontos no terreno) e a extração de feições

cartográficas, tais como, as rodovias e as edificações, ainda exigem um

maior grau de automação. O problema da extração de feições cartográficas

tem sido bastante estudada pela comunidade e a automação desse

processo exige a implementação de algoritmos eficientes e robustos, ou

seja, que realmente são preparados para admitir qualquer situação, como

por exemplo, tipo de relevo, obstruções parciais ou totais, diferença de

escala entre as fotografias ou imagens etc. Atualmente, a extração

automática de rodovias é o tema mais discutido pela comunidade.

No âmbito internacional, os problemas de recuperação automática

dos parâmetros da câmara (orientação exterior e fototriangulação de

imagens) têm sido solucionados com uso da integração GPS (em inglês,

Global Positioning System), INS (em inglês, Inertial Navegation System) e

câmara, acoplados em plataformas aéreas e de mapeamento terrestre

móvel.

Uma tecnologia emergente no mercado nacional é o sistema de

varredura LASER. O sistema integra os sistemas supracitados à um

sistema LASER, que possui como princípio de funcionamento a aquisição

das informações tridimensionais e a resposta espectral dos objetos contidos

na superfície física, bem como a atitude da aeronave no momento do

registro da energia eletromagnética. Devido ao alto custo do sistema ele

ainda não é acessível à todas as empresas de mapeamento.

Por outro lado, apesar do acelerado desenvolvimento tecnológico e

dos grandes esforços na implementação de algoritmos computacionais

Capítulo I


9específicos para automação das tarefas fotogramétricas, apenas 30% do

processo fotogramétrico em uso na linha de produção é automático, os 70%

restante ainda se encontram nas metodologias científicas. Uma das razões

básicas é a complexidade da cena (imagem ou fotografia), que influenciam

na taxa de eficiência e robustez dos sistemas automatizados, considerando

a complexidade do processo de mapeamento. Também se pode considerar,

no âmbito nacional, as questões de ordem cultural de interação entre

empresas e instituições de pesquisas, cuja mentalidade tem mudado nos

últimos 5 anos. Neste sentido, os pensamentos dos dirigentes federais e os

empresários contemporâneos estão convergindo para a integração entre

empresas privadas e instituições de pesquisa, valorizando o potencial do

desenvolvimento técnico-científico e aproximando cada vez mais o Brasil

das grandes potências mundiais de desenvolvimento tecnológico definindo-

o em termos de especificação de produtos, tempo e custo.

Para a absorção de qualquer pesquisa, desenvolvida no âmbito

acadêmico, na linha de produção é necessário um longo e exaustivo

processo de “feed-back” entre pesquisadores, operadores e usuários dos

sistemas. Um exemplo do problema supracitado é a história dos

restituidores analíticos, que apesar de serem inventados na década de 50

começaram a ser produzidos em massa 20 anos após sua idealização.

Outro exemplo é o algoritmo de Fototriangulação de imagens, cuja

fundamentação matemática foi estabelecida nos anos 50, o primeiro

programa tornou-se disponível na década de 60, porém somente a partir da

década de 70 foi utilizada na linha de produção fotogramétrica.

1.3. Energia eletromagnética A informação registrada é a radiação de energia proveniente de

uma fonte natural ou artificial de radiação de energia eletromagnética. O Sol

Capítulo I


10é uma fonte natural de radiação de energia eletromagnética mais

conhecida. O flash de uma câmara, por exemplo, é considerada uma fonte

artificial.

1.3.1. Energia radiante Para melhor entendimento dos conceitos que serão apresentados

posteriormente é necessária uma noção básica de energia radiante. Todas

as formas de energia radiante, que nada mais é que partículas de onda que

compõem o espectro eletromagnético percorrem o meio através de ondas

(Fig. 1.1). Na Física óptica um raio de luz se propaga no meio como uma

linha reta e na Física quântica, de acordo com a teoria básica da onda, a

energia radiante se propaga em forma de ondas, na velocidade da luz

(3x10-8 m/s), com um campo elétrico e outro magnético, ortogonais entre si

com a mesma intensidade e repetitividade, num determinado tempo. Neste

campo da física, esta energia é estudada como uma onda de luz com

comprimento (λ), freqüência (f), amplitude (A) e velocidade (v) definida por

um campo eletromagnético. A Figura 1.1. mostra o campo eletromagnético

e seus elementos descritores.

Capítulo I


11Figura 1.1. Campo eletromagnético.

Na Figura 1.1 podem ser descriminados os elementos E (direção

do campo elétrico), M (direção do campo magnético), c (velocidade da

luz), A (amplitude da onda) e λ (comprimento de onda). De uma forma

geral, existem 3 (três) medidas que descrevem as ondas eletromagnéticas,

a saber:

• Comprimento de onda: distância entre dois picos

sucessivos de onda medida em micrômetros (µm);

• Freqüência: quantidades de picos de ondas que passam

por um ponto fixo no espaço de uma unidade de tempo,

medida em Hertz (Hz); e

• Velocidade: velocidade da luz, medida em metros por

segundo (m/s-1).

Apesar do comprimento de onda possuir uma relação inversamente

proporcional à freqüência, por razões de customização o comprimento de

onda é a medida mais usual. A energia radiante emitida pelo Sol ao atingir a

Capítulo I


12superfície física interage com os objetos presentes neste corpo e sofre as

propriedades de reflexão, transmitância e absortância em variadas

proporções quantitativas.

A capacidade de um objeto refletir energia eletromagnética

depende do tipo de superfície, ao qual ocorre a interação. No caso de

superfícies rugosas (Fig. 1.2b) a energia incidente é espalhada em vários

ângulos. As superfícies especulares, tais como, corpos d’água, espelhos,

áreas desérticas etc, provocam um espalhamento total da energia incidente

e com o mesmo ângulo de incidência (Fig. 1.2a).

Figura 1.2. (a) Superfície especular. (b) Superfície rugosa.

(a) (b)

Os filmes fotográficos e os sensores digitais (por exemplo, o CCD)

são sensíveis ao comprimento de onda refletido pelos objetos, que

corresponde à faixa espectral da luz visível e infravermelho próximo (0,3-

0,7µm – 0,8-1,6µm, respectivamente). A Figura 1.3 apresenta o espectro

eletromagnético.

Capítulo I


13

Figura 1.3. (a) Espectro eletromagnético 1 = 10-8 cm. (b) Porção de uma

imagem colorida correspondente ao comprimento de onda na faixa do

visível. (c) Porção de uma imagem infravermelha correspondente ao

comprimento de onda na faixa do infravermelho próximo. (Cortesia: Esteio

Aerolevantamentos)

(a) (b) (c)

Na Fotogrametria, a energia radiante é tratada de acordo com a

teoria da Física Óptica, no qual a energia radiante é considerada um raio de

luz retilíneo que atravessa o meio sofrendo as devidas perturbações até

atingir o sistema de lentes de um sensor.

Os olhos humanos têm a capacidade de perceber apenas a porção

do espectro eletromagnético correspondente à faixa espectral do visível.

Nesta faixa do espectro, uma pequena porção da energia radiante é

atenuada pela atmosfera. As componentes RGB (em inglês, Red, Green,

Blue) compõem as cores básicas da faixa do espectro correspondente ao

visível (0,3-0,7µm), sendo a cor azul a de menor comprimento de onda e a

cor vermelha de maior comprimento de onda. De acordo com Plank, a

energia radiante se transfere entre os corpos em quantidades fixas, isto é, o

corpo não irradia energia de maneira contínua, mas por meio de pulsos.

Neste caso, quando um átomo é atingido pela energia eletromagnética

10-9

10-7 10-5 10-3 10-1

Capítulo I


14ocorre uma alteração do seu estado. A energia então é absorvida pelo

átomo, que provoca um salto energético de um elétron do átomo.

Segundo Plank, a energia transportada por fóton (energia

necessária para provocar o salto energético de um elétron) é dada por:

frhsEn *= (1.1)

Onde,

• En : energia em Joule [J];

• hs : constante de Plank, 6,6x1034[Js];

• :fr freqüência [µm/s]

Considerando o exposto acima, pode ser determinada uma relação

entre freqüência (λcfr = ) e comprimento de onda, a saber:

λcfr = (1.2)

Substituindo a Equação (1.2) na Equação (1.1) tem-se que:

λchsEn *= (1.3)

O que corresponde a dizer que quanto menor o comprimento de

onda maior a energia da onda eletromagnética e quanto maior o

comprimento de onda menor a energia da onda eletromagnética. A idéia

proporcionou o prêmio Nobel ao ilustre Físico e Pensador Max Plank e tem

Capítulo I


15colaborado efetivamente no desenvolvimento das metodologias científicas

em várias áreas do conhecimento.

Na Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, a energia radiante

geralmente é registrada em câmaras analógicas e câmaras digitais. O

processo de gravação e registro das informações em câmaras analógicas é

realizado por um processo denominado de emulsão fotográfica e nas

câmaras digitais por meio de um sensor com dispositivo de carga acoplada,

cujas características serão apresentadas a seguir.

1.4. Gravação e registro da energia eletromagnética O processo de gravação de informações, por meio de câmaras

fotográficas, consiste no registro rápido e indireto dos objetos presentes na

superfície física. Os tipos de informações registradas pelos sensores são os

que seguem:

• Geométrica: descrevem os atributos de comprimento, forma

(círculos, pontos, linhas, curvas etc) e topológicos

(adjacência, distância e posição) dos objetos;

• Radiométrica: registram das informações de tonalidade de

cinza ou das componentes RGB (Red, Green, Blue) dos

objetos;

• Semântica: interpretam geométrica e radiométricamente os

objetos registrados; e

• Temporal: registram as mudanças temporais da

representação física da superfície e dos objetos, por meio de

análise de imagens adquiridas em diferentes épocas.

Uma câmara fotográfica contém as seguintes componentes

básicas: sistema de lentes, obturador, distância focal (f) e o filme que

Capítulo I


16permite gravar a energia eletromagnética incidente sobre o sistema de

lentes da câmara. O processo de gravação e registro da energia

eletromagnética parte do mesmo princípio de funcionamento do sistema

visual humano. A Figura 1.4 mostra uma ilustração dos elementos que

compõem o olho humano.

Figura 1.4. Olho humano e seus elementos básicos.

Ao fazer uma analogia simples entre o processo de gravação da

energia eletromagnética de uma câmara fotográfica e o olho humano tem-

se que, o sistema de lentes de uma câmara tem a mesma funcionalidade

que a córnea do olho humano, assim como a distância focal corresponde ao

mesmo princípio de funcionamento do cristalino, o obturador funciona como

a íris, isto é, controla a quantidade de luz que incide sobre o filme

fotográfico ou o sensor CCD admitem a mesma função da retina ocular.

Atualmente, no processo de gravação e registro da energia

eletromagnética o sistema sensor mais utilizado em aplicações

fotogramétricas é baseado no CCD, porém, ainda são utilizadas câmaras

métricas convencionais de precisão cartográfica baseadas na emulsão de

papel fotográfico. Por isso, será dada aqui uma visão geral do processo

fotográfico considerando o conhecimento sobre exposição fotográfica,

Capítulo I


17processamento e revelação das emulsões fotográficas. Basicamente, o

processo fotográfico segue os passos apresentados na Figura 1.5.

Figura 1.5. Passos do processo fotográfico.

Na figura 1.5, a exposição fotográfica é definida como a quantidade

de energia radiante incidente sobre o sistema de lentes da câmara, que

permitirá a emulsão fotográfica para um determinado tempo de exposição

da luz. A exposição fotográfica está em função da abertura do diafragma do

sistema de lentes da câmara e o tempo de exposição. Como, atualmente, a

maioria dos filmes fotográficos são coloridos, na fase de processamento

fotográfico será apresentada uma visão geral de alguns elementos básicos

para melhor entendimento. A Figura 1.6 ilustra o conceito de filmes

coloridos e falsa cor.

Exposição fotográfica

Processamento

Revelação fotográfica

Capítulo I


18Figura 1.6. Filme colorido. (Adaptado de Schenk, 2005).

O filme colorido é sensível as irradiações do espectro visível. A

primeira camada em contato com a radiação eletromagnética é o vermelho

(R-RED), a camada mediana é o verde (G-Green) e a terceira camada é o

azul (B-BLUE). Durante o processamento fotográfico luz branca é incidida

sobre o filme fotográfico e a situação é inversa, ou seja, a camada R torna-

se transparente à luz vermelha sua camada é vista como ciano, no caso da

camada G a mesma torna-se magenta devido ao processo de subtração da

cor branca com a verde e a camada B muda para amarelo. Se o

processamento fotográfico é visualizado sobre luz branca, as cores originais

aparecerão. Neste caso, pode-se concluir que o uso de filtros é essencial

para absorção de luz em alguns comprimentos de onda, por exemplo, o

filtro amarelo absorve a luz azul do céu de forma a prevenir atenuações

provocadas pelos efeitos da atmosfera.

No caso dos filmes falsa cor, como pode ser visualizada na Figura

1.6, a primeira camada corresponde ao infravermelho (IR-INFRARED), a

Capítulo I


19segunda camada ao vermelho e a terceira camada o verde. Com o

processamento fotográfico o R corresponde ao IR, o G ao R e o B ao G,

cuja explicação é dada o nome falsa cor e neste caso, como a vegetação

reflete demasiadamente o IR, florestas e árvores aparecem com cor

vermelha nas imagens.

Na Figura 1.5, a terceira etapa básica do processo fotográfico

consiste no processo de revelação fotográfica, cuja tarefa demanda o uso

de material químico e laboratório específico de alto custo. Para um filme

pancromático (Preto e Branco) o material fotográfico é composto por 3

níveis, isto é, a base, a emulsão fotográfica e um nível de antihalo. A base

pode ser feita de vários materiais (vidro, acetato, poliéster etc) e é quem

fornece o suporte da emulsão. O nível antihalo é uma camada que impede

a reflexão interna dos raios de luz incidentes na base, de forma que não

sejam produzidas imagens “fantasmas” na emulsão. Já a emulsão é

composta por gelatina com cristais de haleto de prata suspensos, fazendo

com que sejam quebradas as ligações do haleto de prata quando a energia

luminosa atinge o cristal de prata suspenso nesta camada. Desta forma, o

processo de revelação fotográfica permite a visualização da imagem latente

formada pelo conjunto de cristais expostos à luz. A Figura 1.7 ilustra a visão

de uma seção transversal de uma fotografia colorida.

Capítulo I


20Figura 1.7. Seção transversal de uma fotografia colorida. (Adaptado de

Schenk, 2005)

Um fator crítico da fotografia é a estabilidade geométrica da base do

seu material. Como descrito anteriormente, vários são os materiais

utilizados como base, porém, o mais eficiente e de usado em aplicações

fotogramétricas é a base de poliéster, que fornece uma estabilidade de

poucos micrometros. As deformações do filme ocorrem durante o

processamento fotográfico, que consiste de erros sistemáticos e aleatórios,

cujos são determinados durante a orientação interior da fotografia, para

posteriores refinamentos.

A câmara digital, de estado sólido ou CCD são termos genéricos que

se referem ao tipo de elemento sensor usado para gravar e armazenar

energia eletromagnética. Uma das maiores vantagens no uso de câmaras

digitais em relação ao uso de filmes analógicos (descritos anteriormente) é

a possibilidade de adquirir imagens instantaneamente para futuros

processamentos e análises, cuja característica é essencial para aplicações

em tempo real, tais como, robótica, aplicações industriais entre outras.

Outra vantagem é a melhor resolução radiométrica das imagens e

flexibilidade de manuseio. Por outro lado, possui como desvantagens uma

pior resolução geométrica e ângulo de abertura limitado.

As câmaras digitais têm sido muito utilizadas em aplicações

fotogramétricas desde a década de 70. O CCD fornece alta estabilidade e

por isso é considerado o sensor preferido para uso em câmaras digitais. O

Capítulo I


21Sensor é encaixado num substrato de cerâmica e coberto por um vidro,

cujas dimensões mais usuais variam de ½ e 2/3 polegadas com 2048x2048

pixels (picture by elements). A Figura 1.8 apresenta um sensor CCD e a

matriz de elementos sensores.

Figura 1.8. (a) Sensor CCD. (b) matriz de elementos sensores (pixels).

Pixel

(a) (b)

Um sensor CCD é composto por um conjunto de pixels (ver Fig. 1.8b)

que forma uma matriz bidimensional de elementos sensores (pixels) que

possuem dimensão menor que 10 µm, com espaçamento de poucos

micrometros entre cada elemento sensor. O tamanho do sensor está

relacionado com a área ativa do mesmo, cuja especificação é determinada

pela sua dimensão diagonal em polegadas ou milímetros. A Figura 1.9

mostra diversos sensores e suas dimensões em polegadas e milímetros.

Capítulo I


22Figura 1.9. Dimensões de um CCD.

O tamanho do sensor define a resolução em contagem de pixels,

onde quanto maior o sensor, maior a concentração de pixels por milímetro e

conseqüentemente, melhor será a resolução do mesmo. Um sensor de 1/3”,

por exemplo, com 640x480 pixels terá 133 pixels por milímetro e uma

resolução de 7,51 µm por pixel no sensor. O formato do sinal utilizado nos

sensores CCD são basicamente quatro: Sinais compostos, Y-C, RGB e

Digital. O sinal composto de vídeo pode seguir a norma EIA definida como

RS-170 que define 30 quadros por segundo (em inglês, Frames Per Second

-FPS), resolução de 640 x 480 pixels e sistema de cor NTSC (em inglês,

National Television Systems Commitee) utilizado nos Estados Unidos ou a

norma CCIR (em inglês, Commité Consultatif International des

Radiocommunications), que define 25 quadros por segundo, resolução de

768 x 576 pixels e sistema de cor PAL, utilizado na Europa. A Figura 1.10

3.2

2.4 4.0

¼”

4.8

3.6 6.0

1/3”

6.4

4.8 8.0

½”

8.8

6.6 11

2/3”

Capítulo I


23ilustra a relação existente entre o tamanho do sensor CCD e o tamanho do

pixel ao longo dos anos.

Figura 1.10. Relação entre o tamanho do sensor CCD e o tamanho

do pixel.

Sabe-se que o tamanho do pixel de um sensor CCD 1/3”, cujas

dimensões em x e y são 4,8x3,6 mm (tamanho físico do CCD), é 7,51 µm.

Portanto, para calcular o tamanho do pixel de um sensor CCD 2/3”, cujas

dimensões em x e y são 8,8x6,6 mm (diagonal física do sensor é de 11

mm), com 2560x1920 pixels (número total de colunas e linhas,

respectivamente) basta fazer a seguinte relação, a saber:

Capítulo I


24

Onde,

:Rp Tamanho do pixel;

:, yx Dimensões físicas do CCD;

:NTC Número total de colunas;

:NTL Número total de linhas.

Neste caso, o tamanho do pixel é 3,4 µm comprovando a discussão

anterior, onde quanto maior o sensor melhor sua resolução, pois 2/3”

(tamanho do pixel de 3,4 µm) é maior que 1/3” (tamanho do pixel de 7,5

µm), entretanto, sua resolução espacial é melhor. A seguir será descrito o

princípio básico de funcionamento do sensor CCD.

1.4.1. Princípio de funcionamento do sensor CCD Como descrito anteriormente, os sensores CCD são constituídos por

uma superfície sólida sensível à luz, dotada de circuitos que permitem ler e

armazenar eletronicamente imagens digitais. Uma câmara digital CCD é

formada por um conjunto de circuitos eletrônicos, um sistema de

refrigeração e um suporte mecânico. O CCD foi inventado em 1970, sendo

o primeiro sensor linear desenvolvido com 96 pixels. Atualmente, existem

sensores com mais de 50 milhões de pixels.

8.8

6.6 11

2/3”

NTLy

NTCxRp ==

Capítulo I


25Um CCD típico consiste num semicondutor formado por uma placa

retangular de silício, onde é implantada uma rede de eletrodos ou

capacitores (carga positiva) que capturam e analisam os elétrons (carga

negativa) gerados na placa de silício pelo efeito fotoelétrico. O efeito

fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material (o silício, no caso do

CCD) quando exposto a radiação eletromagnética. Neste caso, quando

uma quantidade de energia radiante superior incide sobre o material

semicondutor (placa de silício) ocorre uma absorção de fótons e os elétrons

livres abandonam suas órbitas por serem atraídos pelas cargas positivas

contidas nos capacitores. Os capacitores são dispostos em colunas de

modo a cobrir todo o CCD (Figura 1.11b) e possuem a propriedade de

manter ao seu redor os elétrons atraídos. O silício é a matéria prima básica

para a construção de sensores CCDs. A Figura 1.11 mostra um esquema

simplificado do efeito fotoelétrico.

Capítulo I


26Figura 1.11. (a) Ilustração do efeito fotoelétrico. (b) Capacitores

dispostos matricialmente no sensor CCD.

(a) (b)

As diferentes colunas são isoladas entre si por um material que gera

um potencial negativo permanente ao entrar em contato com a placa de

silício, o que evita a contaminação entre colunas. As linhas de capacitores

considerados perpendicularmente às colunas são designadas como filas.

Cada capacitor é uma peça fundamental do detector CCD e corresponde a

um elemento da imagem digital que será gerada, designado por pixel, cujo

tamanho físico é variável.

O arranjo básico do efeito fotoelétrico é repetido várias vezes até que

a energia eletromagnética não seja mais incidida sobre a placa de silício

obtendo como informação cargas de energia acumulada (pontos pretos na

Figura 1.12), que é proporcional à energia radiante incidida sobre o

capacitor. A Figura 1.12 ilustra o processo supracitado.

Capítulo I


27Figura 1.12. Captura e acumulação de luz no sensor CCD.

Ao final do processo de registro e gravação da energia

eletromagnética a quantidade de energia acumulada (carga acumulada),

proporcional à quantidade de energia armazenada em cada capacitor,

deverá passar por um processo denominado transferência de carga

acumulada. O princípio de transferência de carga acumulada é baseado na

leitura das voltagens acumuladas em cada capacitor (pixel de imagem, Fig.

1.11b). A Figura 1.13 ilustra o processo de transferência de carga

acumulada.

Capítulo I


28Figura 1.13. (a) CCD simplificado com 30 pixels e um registro de

deslocamento e um amplificador de saída. (b) Analogia para fins de

didática.

(a)

(b)

Na Figura 1.13a ilustra-se um CCD simplificado com 30 pixels, cada

qual possui uma quantidade de carga acumulada (retângulos em verde), um

registro de deslocamento (retângulo alaranjado) e um amplificador de saída

Instante 1 Instante 2 Instante 3

Instante 4 Instante 5 instante 6

Capítulo I


29(retângulo vermelho). Após o registro da energia eletromagnética os

potenciais de cada eletrodo são modificados e a carga é transferida de um

eletrodo para outro verticalmente, como mostra a Figura 1.13a, até alcançar

o registro de deslocamento. A partir deste, a carga acumulada é transferida

horizontalmente, uma a uma, para um amplificador de saída, que

posteriormente converte o sinal analógico (voltagem) em sinal digital, por

meio de um conversor analógico digital.

Como analogia do processo supracitado, considere uma seqüência

de baldes (baldes de carga) de água distribuídos numa esteira rolante, cuja

finalidade é armazenar a água da chuva (Fig. 1.13b). E ainda, outra

seqüência de baldes (baldes de transferência) com a finalidade de receber

a água da chuva armazenada anteriormente, que deverá descarregar a

quantidade de água acumulada num pluviômetro. Esta analogia pode ser

feita para entendermos o funcionamento do processo de transferência de

carga acumulada. Neste caso, os baldes de carga realizam a função dos

pixels, enquanto os baldes de transferência realizam a função do registro de

deslocamento e o pluviômetro a função do amplificador do sinal analógico.

Após o sinal analógico ser convertido em digital é formado uma imagem

digital. A Figura 1.14 ilustra um conjunto de elementos espacialmente

ordenados que compõem uma imagem digital.

Capítulo I


30Figura 1.14. (a) Ilustração de uma imagem digital. (b) Resolução

radiométrica de uma imagem.

(a)

(b)

Resolução de 9 bits (0-511)

Resolução de 10 bits (0-1023)

C

L

Imagens pancromáticas 128 255 128

255 0 255

200 255 200

Imagens coloridas

RGB

Capítulo I


31Uma imagem digital é um conjunto de elementos de imagem

espacialmente ordenados em um arranjo matricial (Fig. 1.14a), cuja posição

é dada por (C, L), sendo que a cada elemento de imagem (pixel) é

associado um nível de cinza, expresso genericamente por ),( LCF , que

são valores inteiros armazenados em “palavras” de n bits (dígitos binários),

sendo que o número máximo de níveis de cinza que pode ocorrer na

imagem é 2n bits (GALO, 1993). Quanto maior o valor de n melhor a

resolução radiométrica da imagem (ver Fig. 1.14b).

A resolução radiométrica é dada pelo número valores digitais que

representam os níveis de cinza na imagem, usados para expressar os

dados coletados pelo sensor. O número de níveis de cinza é dado em

função do número de bits necessários para armazenar o valor do nível

máximo, na forma digital. Por exemplo, as imagens de satélite oriundas de

processamento de dados (energia radiante) adquirida pelo sensor acoplado

no satélite Spot possui resolução radiométrica de 8 bits (23) , o que significa

o registro de imagens em 256 níveis de cinza.

Na Figura 1.14a, uma porção da imagem digital (3x3) mostra que os

valores digitais (128, 255, 0, 200) expressam os níveis de cinza (cor preto,

branco e cinza) contidos em cada posição da imagem. No caso de imagens

coloridas, existe uma combinação das componentes RGB, cujo cada

componente expressa um nível de cinza para cada posição correspondente

na imagem. Na Figura 14b, verifica-se visualmente que quanto maior a

resolução radiométrica da imagem maior o nível de detalhes que podem ser

visualizados, por exemplo, na imagem com resolução de 9 bits não é

possível visualizar as feições cartográficas recobertas pela oclusão

(sombra), porém, na imagem com resolução de 10 bits, as mesmas são

visualizadas.

Capítulo I


32As imagens formadas por câmaras digitais são eivadas de ruídos

(efeitos sistemáticos ou aleatórios que são provocados por defeitos na

fabricação do sensor CCD ou deficiência na tecnologia dos CCD). Os

efeitos mais importantes são: dark current (corrente escura); blooming

(saturação); smear (mancha); traps (armadilhas); e blemishes

(deformidade). Todos estes efeitos resultam na degradação da qualidade

da imagem. Trataremos aqui apenas do efeito da corrente escura.

1.4.1.1.1. Corrente escura (Dark current)

Durante o tempo de iteração da energia eletromagnética com o CCD,

ocorre o acumulo da interferência térmica em cada elemento de imagem

(pixel). Isto ocorre devido à necessidade do sensor CCD ser refrigerado a

uma temperatura muito baixa para que o sinal seja reduzido a um nível

negligenciável. O resultado da interferência provocada pelo mau

resfriamento é conhecido como corrente escura, a qual interfere na

qualidade da imagem resultando em dois ruídos, isto é, o ruído de leitura e

o ruído espacial (THETA SYSTEM Elektronik GmbH, 2004).

Figura 1.15. Diagrama da corrente escura de diferentes sensores CCD.

Fonte: THETA SYSTEM Elektronik GmbH (2004).

Elé

trons

/pix

el

0 10 20 300,1

1,0

10,0

100,0

1.000,0

10.000,0 CCS30-11bi

CCS30-11oeFT18

FTT1010FTF3020

ICX285

Temperatura (ºC) -10

Capítulo I


33

THETA SYSTEM Elektronik GmbH (2004) retrata que a corrente

escura possui uma relação Temperatura x Elétrons/pixel quase exponencial

como mostra a Figura 1.15. O ruído de leitura relaciona-se com as

flutuações registradas durante o processo de leitura e uma maneira de

correção consiste em efetuar uma média ou soma mediana de diversas

imagens do mesmo objeto. Já o ruído espacial, está relacionado ao fato de

cada elemento sensor reagir de modo distinto à corrente escura, produzindo

um aspecto granulado na imagem, sendo habitualmente construído um

mapa de referência pela soma media de 7 a 10 imagens obtidas em total

obscuridade (RÉ, 2005).

1.4.1.1.2. Formação de cores em sensores CCD

De acordo com Bockaert (2003) a formação da cor, nas câmeras

digitais, é baseada nos princípios do filme colorido. Para tanto, são

dispostas três películas (filtro) sobre o sensor CCD, que consistem em

medir as cores fundamentais segundo as indicações no diagrama

apresentado na Figura 1.16a.

Capítulo I


34Figura 1.16. (a) Processo da formação da cor em meio analógico e digital.

(b) Arranjo das corres do filtro de Bayer em um array de pixel em um

sensor. FONTE: BOCKAESTA (2003).

(a)

(b)

Devido à estrutura do CCD, as películas não podem ser contínuas,

assim, neste caso essa película é posta em forma de uma grade de filtro de

cor sobre o CCD das câmeras fotográficas digitais para capturar as

componentes: vermelho, verde, e azul da luz incidida sobre ele (Fig. 1.16b).

Essa grade de filtro é denominada Filtro de Bayer (em inglês, Bayer filter).

Sendo um arranjo de filtros RGB que forma uma malha de quadros sobre o

sensor, estando composta por 50% de verde, 25% de vermelho e 25% de

Disposição da grade de filtro de cor do sensor

Luz

Filme colorido 35 mm

Camadas de filtro cor sob o sensor

Capítulo I


35azul. Como pode ser vista na Figura 1.17, essa grade possui várias

composições, mas sempre mantendo o mesmo padrão de distribuição.

Figura 1.17. Lista de grade de filtro de cor utilizados no sensor CCD.

FONTE: http://en.wikipedia.org/wiki/Color_filter_array>.

De acordo com BOCKAERT (2003) o número de fótons coletados em

cada pixel é convertido em uma carga elétrica pelo fotodiodo. Esta carga é

então convertida em uma tensão amplificada e posteriormente convertida

para um valor digital, através do conversor analógico-digital (A/D) já citado,

de modo que a câmara possa processar os valores da imagem (Figura

1.18).

Figura 1.18. Transformação A/D. FONTE: BOCKAESTA (2003).

Os valores de intensidade do fluxo de radiação eletromagnética

recebidos pelo sensor e transformados em voltagem são convertidos em

número digital (NC), seguindo intervalos numéricos que variam de

Bayer filter

RGBE

CYYM

CYGM

RGBW

RGBW #1

RGBW #2

RGBW #3

Analógico Amostra Digital

11111111

01100010

000000000

98

255

0,38 V

1,00 V

0,00 V

Capítulo I


36amplitude segundo 2n, sendo n valores múltiplos de 2, que definem a

resolução radiométrica do sensor.

No caso de fotografias tomadas com câmaras métricas

convencionais (Fig. 1.9a) são reveladas em papel fotográfico e, por isso,

para o tratamento digital destas fotografias é necessário um processo de

digitalização de fotografias via scanner fotogramétrico (Fig. 1.19b).

Figura 1.19. (a) Câmara métrica convencional. (b) Scanner fotogramétrico

Leica DSW300.

(a) (b)

Os scanners fotogramétricos são dispositivos utilizados para

converter uma fotografia analógica (papel fotográfico) em uma imagem

digital com precisão geométrica e radiométrica. Scanners fotogramétricos

devem ser capazes de produzir imagens digitais com pixels na ordem de 5

a 15 µm e com resolução radiométrica maior que 10 bits. A qualidade

geométrica de um scanner pode ser expressa pela acurácia posicional de

um pixel na imagem resultante. As imagens digitais e dados gerados pelo

scanner fotogramétrico podem ser utilizados tanto para processos de

Fotogrametria Digital quanto para projetos em CAD e SIG. A seguir serão

apresentadas algumas aplicações e produtos gerados com Fotogrametria.

Capítulo I


37

1.5. Algumas aplicações e produtos gerados com Fotogrametria

A tarefa fotogramétrica consiste em converter dados de entrada em

produtos, como por exemplo, um mapa ou carta topográfica. Para a

realização de tal tarefa é necessário utilizar equipamentos apropriados, tais

como, uma câmara métrica convencional (Fig. 1.19a), um scanner

fotogramétrico (Fig. 1.19b), restituidores analógicos, analíticos ou sistemas

fotogramétricos digitais (Fig. 1.20a, 1.20b, 1.20c, respectivamente).

Atualmente, existe grande demanda pelo uso de sistemas fotogramétricos

digitais devido ao seu baixo custo, rapidez no processamento dos dados,

automação dos processos fotogramétricos, fácil interação homem/máquina,

entre outros. A Figura 1.20 apresenta os equipamentos supracitados.

Figura 1.20. (a) Restituidor Analógico. (b) Restituidor Analítico. (c) Sistema

fotogramétrico digital.

(a) (b) (c)

Uma das principais atividades da Fotogrametria é produzir mapas e

cartas topográficas. Somente após o inicio da Fotogrametria foi possível a

compilação de mapas topográficos em pequenas escalas. Quase todas as

Capítulo I


38fases de projetos, locação, construção e gerenciamento são conduzidos, se

não totalmente, em grande parte, pelos fotogrametristas. Com o surgimento

do sistema de varredura LASER as empresas de Fotogrametria têm

alcançado outras fatias do mercado nacional e internacional, tais como,

projetos hidrográficos e rodoviários, ambientais, florestal, linhas de

transmissão, gasodutos, oleodutos e outros que requeiram produtos

cartográficos e que necessitem de informações tridimensionais com

precisão e de rápida atualização.

As principais aplicações da Fotogrametria são: planejamento e

projetos de autovias; planejamento urbano; cadastro urbano, rural e

florestal; atualização de Sistemas de Informação Geográfica (SIG);

arqueologia; automação de processos industriais; mapeamento; realidade

aumentada; classificação de imagens; robótica; medicina; odontologia;

acidente e gerenciamento de tráfico; astronomia; extração de curvas de

níveis e redes de drenagem; projetos de construção de pontes, túneis,

barragens e dimensionamento dos respectivos deslocamentos de terras, e

ainda, estudos de impacto ambiental como o cálculo de áreas alagadas na

construção de hidroelétricas e o respectivo volume do reservatório; etc.

Os produtos gerados pela Fotogrametria são:

• Fotografias aéreas, terrestres e espaciais;

• Mosaicos;

• Carta topográfica;

• Mapas geológicos,

• Modelo Digital do Terreno e de Superfície;

• Ortofotocarta;

• Entre outros. A Figura 1.21 apresenta alguns produtos relacionados

anteriormente.

Capítulo I


39

Figura 1.21. (a) Mosaico. (b) Carta topográfica. (c) Modelo Digital do Terreno. (d) Modelo Digital de Superfície. (e) Fotografia aérea. (f)

Mapeamento florestal. (g) mapas geológicos.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g)

Produtos excessivamente utilizados para tomada de decisões em

projetos de Engenharia são a Ortofotocarta e os Modelos Digitais de

Terreno e Superfície. A Ortofotocarta é um conjunto de fotografias

corrigidas da atitude da aeronave (ângulos de rotação da câmara), do

deslocamento devido ao relevo e variação de escala, definidas num sistema

de projeção cartográfica e o Modelo Digital de Terreno e Superfície é um

Capítulo I


40conjunto de pontos tridimensionais regularmente ou irregularmente

espaçados, geometricamente estruturados que representa numericamente

os pontos e elevações contidos em uma área da superfície física.

A Fotogrametria tem se tornado uma poderosa ferramenta para

tomada de decisão, pois permite o registro da informação de forma rápida e

dinâmica por meio de imagens e sem a necessidade do contato direto com

o objeto a ser registrado. A seguir serão apresentados os elementos

básicos de uma fotografia ou imagem.

Cap. I - Elementos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto

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