A TECNOLOGIA “LASER SCANNING”: UMA ALTERNATIVA PARA O MAPEAMENTO TOPOGRÁFICO

Comissão Técnica: Fotogrametria Ricardo Aaron Negrón Rivas ¹ Jorge Luís Nunes e Silva Brito ²

Instituto Militar de Engenharia – IME Departamento de Engenharia Cartográfica

Praça General Tibúrcio Nº 80 – Praia Vermelha CEP 22290-270 - Rio de Janeiro, RJ Tel: (0xx21) 25467063; Fax: (0xx21) 25467069 negronricardo@hotmail.com,

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RESUMO O “Laser Scanner” é um sensor remoto ativo, aerotransportado ou terrestre, que permite descrever a superfície varrida

pelo sensor através de milhares de pontos coletados por segundo, que dispõem de posicionamento plani-altimétrico com uma precisão esperada da ordem de 5 a 7 centímetros. Este trabalho descreve uma metodologia para gerar e avaliar modelos numéricos de elevações obtidos com o emprego de dados laser. Apresenta-se também uma estratégia de filtragem para facilitar a manipulação, processamento e armazenamento dos dados coletados pelo sensor. Espera-se que esta pesquisa incentive futuros trabalhos e sirva como um ponto de partida para a compreensão da tecnologia Laser Scanning.

ABSTRACT The "Laser Scanning" is active remote sensor that allows the description of a topographic surface. This surface is swept

by the sensor through thousands of collected data points showing their 3D position with a precision of 5 to 7 centimeters. This investigation describes a methodology to generate and evaluate numerical elevation models gathered by laser collected data. A filtering strategy is also presented. This strategy aims to simplifying data manipulation, processing and storage. Finally, one expects that this research will serve as a starting point for future work for understanding the laser scanning technology. 1. Introdução

A rápida geração de modelos digitais do terreno,

especificamente modelos numéricos de elevações (MNE) sobre a superfície de estudo, desperta um interesse especial no meio cartográfico, dado o fato de ser precisamente a informação altimétrica, a tarefa que requer a maior carga de trabalho para um cartógrafo, na execução do mapeamento topográfico.

De acordo com os fabricantes dos sistemas de varredura a laser, a maior vantagem oferecida pelo sistema é a possibilidade de dispor de uma massa considerável de dados altamente representativos da superfície de interesse, os quais podem ser facilmente processados para obter modelos digitais do terreno.

Reconstruir a informação altimétrica de uma determinada superfície, por metodologia diferente das tradicionais e empregando menor tempo de trabalho, pode ser o maior potencial de aplicação da tecnologia Laser Scanning para o mapeamento topográfico.

A qualidade da informação altimétrica obtida com auxílio dos sensores de varredura a laser, será verdadeiramente aceita se atingir os padrões de exatidão cartográfica aprovados pelas organizações responsáveis.

Na atualidade todo documento cartográfico construído no Brasil deve obedecer ao Decreto Lei nº

89.817, onde é estabelecido o padrão de exatidão cartográfica (PEC), indicador estatístico que define a acuracidade dos trabalhos cartográficos (KÁTIA, 2001).

Com o fim de avaliar a qualidade do produto cartográfico construído com os dados obtidos do sistema de varredura laser, é preciso gerar o mencionado produto, neste caso o modelo numérico de elevações.

O objetivo deste trabalho é elaborar uma metodologia que permita gerar e avaliar um modelo numérico de elevações obtido a partir de dados laser e fornecer informações que permitam obter conclusões significativas quanto à qualidade das informações obtidas por meio deste sensor. 2. Metodologia ara a Geração do MNE Obtido a Partir de Dados Laser.

As fases que serão descritas a seguir encontram-se agrupadas em duas etapas principais. A primeira descreve os procedimentos gerais da coleta de dados durante a obtenção da informação altimétrica, considerada o passo inicial para a construção do MNE. Trata-se da fase de maior transcendência, já que a qualidade de seu resultado afeta diretamente qualquer processo posterior. Em seguida, a segunda fase estabelece a seqüência de passos para

construir os MNE que serão requeridos para as análises respectivas.

Como se pode observar na FIG. 1, esta primeira fase contempla os processos de operação do sistema de varredura laser, necessários para efetuar a coleta de dados altimétricos georreferenciados da superfície de interesse.

As etapas iniciais do fluxograma, descrevem o funcionamento genérico do sensor. Informações adicionais sobre a operação do sistema podem ser encontradas em (NEGRON, 2002), (BRANDALIZE, 2001) e por meio dos sites www.airbornelasermapping.com e www.lidar.com.br, entre outras fontes.

Inicio

Coleta de Dados(Sensor Laser)

Dados de Posicionamento(DGPS,INS)

Dados(Dista. e Ângulo de Varredura)

Filtragem

Informações*Superficie*Relevo

Conversão deFormato(dwg para ASCII)

Processamento(Integraçãod dos dados)

Planejamento

Dados(Calibração do sensor)

DadosBrutos(Coordenadas, E,N,H)

FIG. 1 Fluxograma para Coleta de dados Laser Durante o Planejamento, estabelece-se uma relação

entre as capacidades do sensor com as necessidades do projeto a executar, assegurando que as futuras fases alcancem as qualidades de precisão esperadas de acordo com as características técnicas do sensor. Os parâmetros necessários a determinar nesta fase são:

Altura e velocidade de vôo, freqüência de oscilação do dispositivo óptico do sensor (freqüência do perfilamento), ângulo de abertura do sensor, densidade de pontos, diâmetro dos pontos, largura da faixa de vôo, potência do pulso laser (freqüência de operação), normas de segurança no emprego de dispositivos lasers, cálculo do consumo de combustível, entre outros.

Estes parâmetros estão estreitamente relacionados entre si, motivo pelo qual o objetivo principal do planejamento de projeto de varredura por laser é alcançar um equilíbrio entre cada um dos parâmetros, empregando ao máximo suas capacidades e minimizando suas deficiências ou conseqüências negativas.

A fase de Coleta de Dados tem a delicada tarefa de manter sincronizados os componentes do sistema e assegurar que durante a execução do vôo os parâmetros ajustados durante o planejamento mantenham-se coerentes, de forma a assegurar a precisão desejada para a varredura da área de interesse. Esta fase desenvolve-se em dois

ambientes, de forma simultânea: um no solo e outro na plataforma do sensor.

O primeiro ambiente desenvolve-se em terra, com a instalação de uma ou várias estações de referência, caso a área do projeto o requeira, devido a sua extensão e as características do dispositivo GPS empregado. O segundo ambiente desenvolve-se na plataforma do sensor, durante o vôo, registrando e armazenando os dados do receptor GPS, do sistema inercial, da calibração do sensor laser e os dados provenientes do dispositivo laser.

O dispositivo Laser é encarregado de gerar e emitir o feixe de laser, o qual será devidamente dirigido para a superfície de interesse por meio de um conjunto de espelhos oscilantes que permitem uma varredura sincronizada perpendicular à direção de vôo. Este dispositivo é capaz de receber a resposta de cada pulso refletido pelos objetos presentes na superfície de interesse. O feixe refletido da superfície é devidamente dirigido pelo conjunto ótico a um medidor de intervalos de tempo, o qual registra o momento que é emitido cada pulso laser e o momento em que chega o pulso refletido pela superfície, determinando o intervalo de tempo ( ) resultante entre ambos os registros, considerando a velocidade de propagação do feixe de laser.

t∆

Os sistemas de varredura laser permitem registrar mais de um eco ou feixe refletido por pulso antes de emitir o próximo pulso, devido à rapidez com que o sinal viaja no espaço e ao tempo de funcionamento do dispositivo laser, fato que o caracteriza como sistema de laser pulsado.

Esta situação impôs que os fabricantes programassem uma forma adequada de armazenar as informações obtidas. Assim, todos os dados recebidos como primeiro eco de cada emissão de pulso laser são registrados em um arquivo; todos os segundos ecos registrados por pulso serão armazenados em outro arquivo.

A maioria dos sistemas de varredura laser permite registrar até dois ecos por pulso, tradicionalmente denominados primeiro e último pulso, como é o caso específico dos sistemas fabricados pela empresa Opetch. Os sistemas fabricados pela empresa TopEye e LH Systems registram até quatro ecos por pulso representando um maior nível de detalhes em cada registro laser, embora evidentemente requeiram maior espaço de armazena-mento. A Fig. 2 ilustra os diferentes ecos do pulso laser que podem ser armazenados.

FIG. 2 Ecos do pulso laser

Fonte: Sistema Topográfico TopEye

Existe uma informação de elevada importância que é registrada e armazenada no momento de receber o feixe de laser refletido, e se refere à potência do feixe de laser com que chegou o sinal, permitindo estudos futuros relacionados ao nível de reflexão que pode ter qualquer objeto ou substância. Esta informação é relevante porque orienta o usuário a empregar o dispositivo laser cuja potência lhe permita receber maior informação da superfície que será estudada. Embora não existam muitos textos analisando esta informação, é possível alertar ao usuário que sistemas dotados de dispositivos lasers capazes de penetrar superfícies marinhas (água), muito úteis para obter informação batimétrica, não são recomendáveis para serem empregados sobre uma superfície topográfica, dadas as características da potência e composição do feixe laser.

Finalmente, após a coleta dos dados necessários, inicia-se a operação de Processamento. O passo inicial desta fase é recolher toda a informação coletada pela estação de referência em terra e a informação registrada a bordo da plataforma do sensor. Cada sistema conta com um software para processar essa massa de dados; não obstante, existem fabricantes exclusivos de software de processamento que habilmente tratam de acoplar-se às ferramentas tradicionalmente empregadas no setor cartográfico, criando aplicativos especiais compatíveis com as diferentes linhas de trabalho.

Uma vez descarregados os dados dos componentes do sistema Laser, inicia-se a tarefa de integrá-los. O processamento é desenvolvido pelos softwares de forma integral, agrupando todos os parâmetros e informações compiladas. Entretanto o algoritmo empregado, capaz de integrar dados de tão variadas fontes, obviamente é protegido pelos fabricantes.

O operador do sistema necessita somente indicar ao software onde se encontra localizada cada informação no diretório e onde serão armazenados os resultados do processamento. Esta tarefa requer bastante atenção, já que é variada a informação que deve indicar-se no programa, e qualquer informação incorreta certamente implicará que o algoritmo processe dados incorretamente.

É possível reconhecer que o software efetua primeiramente a determinação da posição da plataforma do sensor, apoiado no cálculo diferencial proveniente dos dados dos receptores GPS (DGPS). O posicionamento obtido é ajustado por meio da integração dos dados provenientes da calibração do sensor projetando as coordenadas do posicionamento no centro geométrico do sensor. Finalmente, um novo ajuste é feito considerando a atitude da aeronave durante a operação do sensor, situação registrada pelo sistema inercial.

As coordenadas obtidas da operação do sistema serão projetas a cada ponto onde se obtenha um registro da interação do laser com a superfície de estudo, sendo necessário considerar o sistema de varredura empregado pelo sensor, dado que este definirá o modelo matemático a ser empregado para tal fim (MORIN, 2002).

Tradicionalmente os dados processados são apresentados em um conjunto de coordenadas tridimensionais no sistema WGS-84 (leste, norte e

elevação), no formato ASCII, fornecendo uma vantagem no processamento de futuras conversões, tanto de coordenadas como de formato de arquivo, de acordo com a necessidade do usuário final.

Uma vez processados todos os dados coletados pelo sistema de varredura laser, os mesmos são agrupados de acordo com o pulso refletido correspondente. No momento da coleta o sensor armazena todos os dados relacionados com cada eco do pulso laser refletido em arquivos diferentes. Durante o processamento, os resultados obtidos são dispostos em arquivos separados, o que dificulta o emprego das informações obtidas. O problema maior é que ainda não é possível diferençar quais informações correspondem ao relevo ou a qualquer outro fenômeno geográfico ou objeto presente na superfície estudada. Este fato ressalta a necessidade de empregar uma estratégia que permita classificar as informações obtidas, tendo como critério de classificação o fenômeno geográfico a analisar. Esta estratégia é conhecida como filtragem e será descrita em seguida.

A Filtragem é de grande importância, principalmente quando o objetivo de emprego dos dados é a construção de um modelo numérico de elevações correspondente à topografia da região em estudo. Qualquer outra informação contida na massa de dados coletados pelo sensor daria origem a um modelo distinto, genericamente conhecido como “Modelo Digital do Terreno”, onde o atributo representado não necessariamente é o relevo da área de estudo, já que pode representar qualquer outro atributo presente na região. O modelo poderia, inclusive, referir-se à representação numérica da vegetação quando o atributo representado corresponde à altura média da vegetação da superfície de interesse.

O sistema de varredura laser não reconhece qual ponto coletado corresponde ao relevo, à vegetação ou a qualquer outro atributo presente na superfície de estudo. O conjunto de dados registrados dispõe os mesmos atributos, referidos às coordenadas X, Y e Z, de acordo ao sistema de projeção adotado. Entretanto, durante a coleta de dados, o sistema consegue registrar um dado que identifica o tipo de eco do pulso que foi emitido ao interagir com qualquer objeto presente na área de estudo.

Esta capacidade de registrar diferentes tipos de eco de cada pulso laser permite aplicar algumas técnicas de filtragem para identificar que pontos registrados como primeiro, segundo ou terceiro eco de pulso refletido representam mais adequadamente a topografia da superfície estudada. Nessa hipótese, a informação restante corresponderia a qualquer outro aspecto presente na superfície de estudo.

A possibilidade de extrair a informação do solo, por intermédio dos dados adquiridos, abre um amplo leque de utilidades do sensor, as quais variam desde o estudo da biomassa de uma região, até levantamentos batimétricos.

A fase de filtragem tem o objetivo específico extrair do conjunto de dados brutos coletados pelo sistema, a informação sobre a topografia da região de interesse, para facilitar a futura construção do MNE.

As diferentes estratégias de filtragem têm uma estreita relação com o sistema de varredura empregado

pelo sensor, com a finalidade de obter o melhor resultado dos algoritmos aplicados. Informações adicionais sobre as tarefas de filtragem pode ser encontradas em KRAUS e WOLFGANG(2000) e BETTINA et al. (1999).

Na literatura destacaram-se dois processos de filtragem aplicados de acordo com as necessidades do usuário. O primeiro processo constrói uma superfície de referência empregando todos os pontos coletados pelo sensor laser. Logo, são determinados os resíduos obtidos entre cada ponto originalmente coletado pelo sensor laser com a superfície de referência, atribuindo um peso específico a cada um dos resíduos, adotando-se o seguinte critério: os resíduos positivos obterão o menor peso deixando valor “0” ao maior resíduo positivo. Com relação aos resíduos negativos, estes obterão o maior peso. Em seguida, de acordo com um conjunto de restrições aplicadas pelo operador, serão afastados os pontos de menor peso. Assim procedendo-se,ao final do processo, o usuário disporá de uma massa de dados que representam o relevo. As restrições acima mencionadas foram estabelecidas de acordo com as características do terreno e diversos outros critérios fixados pelo fabricante da metodologia de filtragem.

O segundo processo de filtragem constrói uma superfície de referência por meio dos dados coletados como último eco de pulso recebido pelo sensor de varredura laser. Cada ponto medido é comparado com seus vizinhos, calculando-se para cada posição o coeficiente de correlação. De acordo com os parâmetros fixados pelo fabricante do processo são retirados os pontos que não atendam aos critérios adotados. Finalmente, é construída a verdadeira superfície de referência, a qual será comparada com os pontos restantes coletados pelo sensor aplicando a mesma metodologia, deixando duas massas de dados: uma com informação referida ao solo e outra com as demais informações coletadas.

Os dados brutos integrados durante a fase de processamento podem ser dispostos em diversos formatos de armazenamento de acordo com as necessidades do usuário. Freqüentemente é possível receber os dados em formato ASCII. Entretanto, durante as tarefas de filtragem, os dados refinados podem estar armazenados em outro tipo de formato, dado que o software para efetuar a filtragem emprega um formato proprietário que pode ser exportado a uma variada possibilidade de extensões, de acordo com a necessidade do usuário. A finalidade desta fase é deixar pronto o conjunto de dados, que serão processados para gerar o modelo numérico de elevações da superfície de estudo.

Uma vez concluída a primeira fase da metodologia proposta, iniciou-se a seqüência de procedimentos da segunda fase, onde é descrita a metodologia adotada para construir os modelos numéricos de elevações que serão analisados com a finalidade de avaliar a qualidade do produto gerado por meio dos sensores de varredura laser e determinar seu potencial cartográfico.

Modelos numéricos de elevações têm sido aceitos como produtos cartográficos, o que exige que o conteúdo de suas informações seja construído com os mesmos critérios científicos e precisão técnica alcançados por

qualquer outro produto de porte similar mantendo os padrões nacionais e internacionais adotados oficialmente. Porém a necessidade de gerar um produto que atenda às normas técnicas cartográficas vigentes requer uma metodologia sistemática que assegure a qualidade dos dados originais no produto cartográfico gerado.

A seguir serão descritas as fases desta metodologia, tendo como referência na FIG.3, que ilustra o fluxograma da geração do MNE obtido a partir de dados laser.

inicio

Preparo dos dados

Deterninação dos Parâmetrosdo M.N.E.

Construção do M.N.E.

Fim

FIG. 3 Fluxograma da Geração do MNE O primeiro trabalho a ser feito é conhecer a projeção e

o sistema de referência nos quais se encontram os dados coletados pelo sensor laser e definir o sistema de referência para o MNE a ser gerado, de acordo com as necessidades do usuário. Nessa fase será feita a respectiva conversão dos dados originais, se necessária.

A próxima tarefa a executar é determinar o emprego total ou parcial dos dados laser, devido à grande quantidade de dados obtidos pelo sensor de varredura.

A solução adotada neste trabalho foi construir uma metodologia que seleciona um conjunto de dados do arquivo original sem modificar a qualidade dos dados coletados pelo sensor e mantendo uma distribuição homogênea em toda a superfície de estudo. Esta metodologia foi construída com apoio do software Matchcad.

Na construção da solução proposta o primeiro passo foi selecionar um ponto de referência do universo de pontos dispostos nos arquivos de dados laser. Para tal fim foi empregado como ponto de referência o primeiro ponto do arquivo de dados; em seguida determinaram-se as distâncias entre o ponto de referência e os demais pontos presentes no arquivo de dados laser.

Uma vez calculadas as distâncias, foi adotado como critério de coleta, os pontos cuja distância ao ponto de referência fosse menor ou igual ao valor do raio inicial. Este raio foi determinado de acordo com a percentagem de dados a coletar. O raio inicial possui margem de tolerância de dois metros, fato que fornece um limite superior e

inferior. Esta condição permite manter no arquivo de pontos coletados somente os pontos que se encontram nessa faixa de espaçamento. Para poder coletar pontos em toda a superfície de interesse foi necessário repetir o mesmo procedimento incrementando o valor do raio inicial até que o valor do raio de coleta fosse maior o igual à máxima distância calculada entre o ponto de referência e os pontos presentes no arquivo de dados laser.

Esta metodologia foi implementada no Matchcad estabelecendo como condição que o valor do raio inicial seja adotado de acordo com a porcentagem de dados a coletar e que o incremento do raio mantenha a mesma magnitude que o raio inicial. A implementação realizada é descrita a seguir:

A = Arquivo de pontos laser. R = Raio de espaçamento entre o ponto de referência e seus vizinhos. RT = Raio máximo, determinado pela maior distância entre os pontos da mostra de dados. DELTA = Tolerância IR = Valor do incremento de raio de espaçamento. LI = Limite Inferior. LS = limite Superior. (Xo, Yo) = Coordenadas “X” e “Y” do primeiro ponto da amostra, adotado como ponto de referência. d = Distância entre o ponto de referência e cada ponto presente na amostra de dados.

B = Matriz de dados filtrados. Por meio das figuras 4,5 e 6 se pode observar graficamente o resultado da estratégia de filtragem de uma massa de dados espacialmente distribuídos em toda a superfície de interesse.

FIG. 4 Representação do 100% dos dados laser fornecidos

pela Geoid (17544 pontos) Fonte: software Datageosis versão professional

FIG. 5 Representação do 60% dos dados laser fornecidos

pela Geoid (10613 pontos) Fonte: software Datageosis versão professional

FIG. 6 Representação do 20% dos dados laser fornecidos

pela Geoid (3534 pontos) Fonte: software Datageosis versão professional

Finalmente, uma vez determinada a quantidade de

pontos laser que serão empregados, o passo a seguir é a determinação dos parâmetros do MNE.

Os parâmetros empregados para gerar um modelo numérico de elevações são: os limites da área de estudo, determinados pelas coordenadas de terreno dos pontos extremos do conjunto de dados a representar, a seleção do

espaçamento em X e Y, entre os pontos da superfície a gerar ou a seleção da quantidade de linhas e colunas da grade que representará a superfície da área de estudo; finalmente, seleciona-se o método de interpolação a ser empregado na construção do MNE.

O critério utilizado para determinar os limites da área de estudo foi empregar os pontos mínimos e máximos das áreas disponíveis com dados obtidos através do sensor de varredura a laser. Com relação ao espaçamento, a primeira ação é estimar a escala de representação do MNE e aplicar os critérios adotados pelos organismos oficiais responsáveis pelas normas cartográficas vigentes no país.

O problema é que as normas recomendam um espaçamento planimétrico em função da precisão vertical desejada para a confecção de cartas topográficas através de técnicas convencionais de fotogrametria digital, como se pode observar em (MENDONÇA, 2003).

Este fato sugere a necessidade de se criar um conjunto de normas técnicas específicas para outros métodos de geração de MNE, particularmente para os dados provenientes do sistema de varredura a laser. Apesar dos problemas descritos, ainda foi empregado como padrão de referência o espaçamento recomendado nas “Normas Provisórias para Fotogrametria Digital”. (DSG, 2000.) Em seguida foi adotado o método de Kriging como interpolador. Este método foi selecionado por ser considerado, do ponto de vista estatístico, um método ótimo de estimativa (FELICISIMO, 1994).

Finalmente, depois de dispor os parâmetros para a construção do MNE, iniciou-se a seleção do software empregado para processar a geração dos modelos. Neste trabalho adotou-se o software SURFER como ferramenta na construção dos modelos numéricos de elevações previstos no teste de avaliação.

O Surfer permite gerar uma superfície (.grd) de acordo com a solicitação do usuário, permitindo alterar qualquer parâmetro envolvido no processo. Inicialmente o software solicita carregar os dados que serão empregados como fonte de informação para o futuro MNE; esta operação é feita por meio da opção “Grid” do menu principal, seguindo-se da sub-opção “Data”, onde são selecionados o diretório e o nome do arquivo de dados a processar. Uma vez carregados os dados, será apresentada uma janela de identificação, como se pode observar na FIG.7, onde é necessário ajustar os parâmetros que foram previamente definidos para a geração do MNE.

FIG. 7 Seleção dos parâmetros da interpolação do MNE

Fonte: software SURFER versão 8.0

Finalmente, deve-se selecionar quais colunas do arquivo de dados corresponderão, respectivamente, às coordenadas X,Y,Z. Em seguida, pressiona-se a função “OK” para ordenar ao software a execução das operações que darão origem ao MNE requerido. 3. Metodologia Para Avaliação da Qualidade de um M.N.E. Obtido a Partir de Dados Laser

Convencionalmente os Modelos Numéricos de Elevações foram aceitos como produtos cartográficos, exigindo que o conteúdo de suas informações esteja construído com os mesmos critérios científicos e precisão técnica alcançados por qualquer outro produto de porte similar de acordo aos padrões nacionais e internacionais adotados pela organização que originou a informação.

A qualidade de um MNE depende da magnitude dos erros acumulados nas diferentes etapas de sua elaboração (FELICÍSIMO,1994.) À medida que o processo de produção de um MNE é mais prolongado aumentam as probabilidades de diminuir a qualidade dos dados que lhe deram origem, recordando que os modelos são visões simplificadas da realidade obtidas por processos de generalização, visando a obter a melhor representação possível da superfície de interesse, com custos computacionais relativamente baixos.

A necessidade de conhecer a qualidade dos MNE gerados a partir dos sistemas de varredura laser, possui um interesse especial em virtude do método de coleta dos dados altimétricos ser proveniente de uma moderna tecnologia cujo principal objetivo é oferecer uma alternativa aos tradicionais métodos de aquisição deste tipo de dados (BEHAM e VOSSELMAN, 2000). A seguir serão descritas as fases da metodologia proposta para avaliar a qualidade do MNE obtido a partir de dados laser

O para a execução dos testes foi necessária a elaboração de um MNE de referência, a partir de dados coletados diretamente no terreno, com emprego da tecnologia GPS. Para tal, foram utilizados receptores de precisão. Os parâmetros empregados na construção deste MNE serão os mesmos aplicados ao MNE produzido com os dados laser, tendo como critério de seleção uma região onde se pudesse dispor da maior quantidade de pontos GPS coletados. Nesse sentido, o MNE gerado com os dados laser foi construído com os mesmos limites da área selecionada a partir da coleta de pontos GPS. Desta forma, foi possível avaliar os resíduos obtidos na comparação dos valores das altitudes dos pontos GPS com os pontos da grade dos MNE construídos com os dados da varredura a laser.

O segundo teste empregou a totalidade dos pontos GPS disponíveis na área de estudo permitindo aumentar a amostra de dados empregados para o teste. A metodologia adotada para atingir este objetivo foi selecionar apenas os pontos laser presentes nas vizinhanças de cada ponto GPS.

Esta tarefa foi também realizada no Mathcad, onde foram implementados alguns procedimentos para determinar as distâncias de cada ponto GPS a cada ponto laser presente na área de estudo, tendo em consideração

que as informações dos pontos laser e GPS encontram-se dispostas em diferentes arquivos de dados.

Uma vez calculadas todas as distâncias aplicou-se como critério de coleta a seleção dos pontos laser cuja distancia entre cada ponto GPS fossem menores ou iguais a 3 metros.

Finalmente, logo após a coleta dos pontos laser vizinhos de cada ponto GPS foi calculado o valor médio de cada conjunto de dados coletados, e então determinadas as diferenças em relação aos pontos GPS empregados como referência.

A seguir pode-se apreciar o procedimento implementado no Mathcad, para o segundo teste:

A = Arquivo de pontos laser. B = Arquivo de pontos GPS. R = Raio de captura. Critério de coleta de dados (3 mts) U = Indica o numero do ponto GPS empregado para coletar os pontos laser que se encontram em seu entorno.

C = Matriz de pontos laser, coletados em o entorno do ponto GPS selecionado (U) E = Coluna X dos pontos laser coletados R = Coluna Y dos pontos laser coletados T = Coluna Z dos pontos laser coletados

4. Experimentos e Análise dos Resultados. Primeiramente foram analisados os diferentes conjuntos de dados laser, disponíveis no Instituto Militar de Engenharia, os quais foram fornecidos pelas empresas Geoid e Petrobrás, com a restrição de serem empregados exclusivamente para fins didáticos e de pesquisa. Em seguida, foi preparada uma coleta em campo de dados GPS, em uma das regiões disponíveis. Da coleta feita permitiu-se definir uma área apropriada para construir dois MNE; um a partir dos dados laser e outro com os dados GPS.

A FIG. 8 permite ilustrar a área selecionada para o primeiro teste alem da visualização da distribuição dos pontos laser e GPS na região de estudo.

FIG. 8 Representação da área do 1º teste (Pontos GPS em

amarelo e pontos laser em azul) Fonte: software Datageosis versão Professional

A TAB.1 a seguir apresenta os parâmetros para a geração dos MNE avaliados.

TAB. 1 Parâmetros Utilizados para a Geração dos MNE.

A TAB. 2 apresenta os resíduos obtidos da comparação feita entre os MNE gerados.

TAB. 2. Estatísticas dos Resíduos dos MNE

Após da comparação dos MNEs construídos foi aplicado o segundo teste obtendo-se os resultados apresentados na TAB. 3

TAB. 3 Estatísticas dos Resíduos do Segundo Teste

Infelizmente não foi possível atingir a precisão

anunciada pelos fabricantes, apesar de ter-se utilizado a mesma estação base para o posicionamento. Contudo, este fato não compromete a precisão do sistema. Ao contrario, sem manter controle em todas as variáveis presentes na operação do sistema, foi possível obter um erro médio planimétrico na faixa dos 0.88 metros e o erro médio altimétrico na ordem dos 0.48 metros, além de conhecer que a precisão dos pontos laser empregados como referência foram coletados com uma tolerância de 0.5 metros. 5. Conclusões e Sugestões

Os resultados obtidos nas áreas de teste, apesar de modestos, são bastante animadores quanto às reais possibilidades de emprego dos dados laser nas tarefas de construção de mapas topográficos.

A comparação feita no segundo teste entre os dados obtidos com o sensor laser e dados coletados no terreno com apoio do sistema GPS, evidenciam o alto nível de confiabilidade e precisão alcançado pelo sistema de varredura laser, permitindo considerar o sistema como uma metodologia alternativa aos procedimentos empregados tradicionalmente, outorgando aos usuários a possibilidade de empregar o sensor mais adequado a suas necessidades.

Tendo em consideração os resultados descritos acima e o padrão de exatidão cartográfica esperado para o mapeamento no Brasil pode-se concluir que o conjunto de dados laser, uma vez analisado como um produto cartográfico final, atende as exigências de precisão para o mapeamento em escala 1:10.000 e menores. Considerando esse conjunto de dados laser como um produto

cartográfico intermediário, é preciso empregar como padrão de referência o erro máximo admitido para o apoio terrestre e para as demais operações cartográficas, o qual indicaria que a precisão dos dados laser atende às exigências do mapeamento sistemático.

Estas conclusões foram obtidas em função dos testes realizados. Porém, sugere-se a aplicação de outros testes de qualidade em distintas regiões do país e com diferentes tipos de relevo e cobertura vegetal para certificar a definitiva precisão dos dados obtidos dos sistemas de varredura laser. 6. Referências BALTSAVIAS, E.P., Airborne Laser Scanning: Basic Relations and Formulas, Institute of Geodesy and Photogrammetry, Switzerland, 1999. BEHAM, A., MAAS, H.G., VOSSELMAN, G., Steps Towards Quality Improvement of Airborne Laser Scanner Data, Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, 2000. BETTINA, P., REISS, P., WOLFGANG, S., Laser Scanning, Surveying and Mapping Agencies are Using a New Technique for the derivation of Digital Terrain Models, ISPRS, Journal of and Photogrammetry and Remote Sensing, 1999.

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