Laser embarcado em VANT para mapeamento de terrenos e estruturas de vegetação

Tempo de leitura: 9 minutos

Novos scanners a laser extremamente leves para levantamento de nuvens de ponto com altíssima resolução.

 

O desenvolvimento de sensores a lasers mais leves tornou possível o embarque em veículos aéreos não tripulados (VANTs), com scanners a laser muito mais precisos, abrindo novas possibilidades no domínio da estreita faixa de mapeamento 3D. 

Para testar a capacidade de escaneamento embarcados em VANTs, um experimento de voo foi realizado utilizando o scanner RIEGL VUX montado sobre um drone do modelo RIEGL RiCOPTER. No experimento, tanto a topografia quanto a estrutura da vegetação de uma floresta aluvial ao longo do rio Pielach na Baixa Áustria foram capturados. A nuvem de pontos resultante tem uma densidade de mais de 1.500 pontos/m² e uma acurácia de mais que dois centímetros.

O Neubacher Au é uma área de conservação natural, perto da confluência dos rios Danúbio e Pielach (Figura 1). É uma paisagem altamente dinâmica devido à inundação periódica durante picos de cheias. A topografia fluvial inclui canais primários, canais secundários e lagoas marginais. A topografia desta área muda de acordo com a estrutura da vegetação.

Como se trata de uma área de retiro para habitats aquáticos e terrestres, florestas aluviais são de alto valor ecológico. Mapear essas áreas sensíveis com técnicas tradicionais terrestres ou aéreas é um desafio devido à alta complexidade do terreno e da vegetação.

O avanço recente de sensores a laser para levantamento com um peso inferior a 10 kg oferece novas perspectivas para mapeamento 3D de paisagens naturais complexas em alta resolução. Para testar o potencial de varrimento do laser embarcado em um VANT, uma experiência de voo foi realizada utilizando o sensor de RIEGL Vux montado sobre um VANT do modelo RIEGL RiCOPTER.

Figura 1 - O estudo de área do Neubacher Au: Sombreamento sobreposto com o mapa de densidade de pontos e trajetórias de vôo Figura 2 - Fotografia da plataforma do RiCOPTER UAS e sistema de sensor VUX durante decolagem na floresta aluvial
Figura 1 – O estudo de área do Neubacher Au: Sombreamento sobreposto com o mapa de densidade de pontos e trajetórias de vôo
Figura 2 – Fotografia da plataforma do RiCOPTER UAS e sistema de sensor VUX durante decolagem na floresta aluvial

SISTEMA DE SENSOR

A plataforma de suporte é um aeronave do modelo RIEGL RiCOPTER, um quadricoptero com 8 hélices e quatro braços de suporte dobrável, cada um transportando uma matriz coaxial de duas hélices ligados à estrutura principal de fibra de carbono. Um trem de pouso com amortecedores que permite pousos seguros. A carga útil máxima, incluindo baterias e todos os componentes do sensor é 16 kg. Na decolagem, com a massa máxima (MTOM) de 25 kg, o RiCOPTER atinge um tempo de voo de 30 minutos.

A altitude máxima de voo é de 150 m, mas os limites regulamentados a nível nacional para aeronaves não tripuladas civil precisam ser considerados. O sistema de sensor Vux é mecanicamente e eletricamente integrados na fuselagem da aeronave RiCOPTER. Ele consiste em um sistema global de navegação por satélite (GNSS), uma unidade de medição inercial (IMU) para capturar a trajetória de voo, o tempo de voo do scanner a laser VUX-1, uma unidade de controle e uma câmera de vídeo para pouso.

Além disso, duas câmaras Sony Alpha 6000 RGB podem ser montadas no VANT. O scanner apresenta uma taxa de medição eficaz de 350 kHz com um campo total de visão de 230°. Um campo de visão maior é benéfico para mapeamento de vegetação, pois as imagens podem ser capturadas acima da copa das árvores e ao lado. A precisão é de 10 mm que varia de acordo com o banco de dados do fornecedor. A Figura 2 mostra uma fotografia do VANT e o sistema de sensor logo após a decolagem, com a floresta de aluvial visível ao fundo.

Figura 3 - Diferenças de altura com código de cores dentro de faixa lisa sobrepõe áreas. Ao fundo: sombreamento DTM.
Figura 3 – Diferenças de altura com código de cores dentro de faixa lisa sobrepõe áreas. Ao fundo: sombreamento DTM.

AQUISIÇÃO DE DADOS

Os dados foram capturados em 26 de fevereiro de 2015, em condições de desfolhação das árvores. A tripulação consistia em um piloto controlando remotamente VANT e o sensor baseado tanto em uma linha de visão ou imagens de vídeo e um operador adicional presente no computador da estação terrestre para orientação do plano de voo. A obtenção da área de interesse foi baseada em um plano de voo padrão de varredura a laser aerotransportado com faixas longitudinais e transversais.

A distância da faixa regular do aeroporto era 40m e a altitude do voo foi de 50m acima do nível do chão, que era de cerca de 15m acima das árvores mais altas. Dependendo do alcance do alvo do sensor, o diâmetro de pegada do laser resultante era entre 1 e 2,5 centímetros, permitindo a detecção de pequenos objetos de vegetação. A decolagem e inicialização do sistema de navegação foram realizadas manualmente.

O sistema GNSS/IMU foi alinhado inicialmente no chão e após a decolagem por retrocessos do VANT. Depois de terminar o procedimento de inicialização, o piloto automático assumiu o controle do RiCOPTER e em seguida voou a trajetória programada de forma autônoma a uma velocidade 8 m/s.

Os parâmetros do voo e do scanner resultaram numa densidade média de 1.500 pontos/m² em faixa múltiplas sobreposições de modo que a vegetação foi capturada de todos os lados. A alta taxa de sobreposição foi utilizada para uma calibração completa de todo sistema de sensores e também para ajuste da faixa. Isso foi feito através de simultâneas minimalizações da distância de ajuste da faixa.

Com esse ajuste, o sistema de aquisição foi totalmente recalibrado. Isso inclui a estimativa dos parâmetros de calibragem do scanner (por exemplo, erro de escala telêmetro), fixação dos parâmetros de calibração (isto é, desalinhamento e alavanca de braço), e os erros de trajetória dependente da faixa (ou seja, GNSS e erros IMU). O ajuste conduziu a uma melhoria substancial da qualidade das nuvens de pontos adquiridas, resultando em uma precisão relativa final de 1,7 centímetros (Figura 3).

RESULTADOS E APLICAÇÕES

Figura 4a - Vista perspectiva de nuvem de pontos 3D coloridos por reflectância de alvos
Figura 4a – Vista perspectiva de nuvem de pontos 3D coloridos por reflectância de alvos

Enquanto o processamento minucioso dos dados do voo ainda estava em andamento, os primeiros resultados preliminares foram apresentados na Figura 4. A visão perspectiva da nuvem de pontos coloridos 3D resultante da reflexão dos alvos é ilustrada na Figura 4a, segundo a qual o tronco, caule e ramos mais espessos aparecem em tons avermelhados, indicando alta refletância do alvo e os valores mais baixos (verde para azul) são observadas para os galhos mais finos e suas pontas.

Figura 4b - Altíssima resolução de imagem próxima ao chão: rede de 5 cm e colina sombreamento sobrepostas com codificação de cores.
Figura 4b – Altíssima resolução de imagem próxima ao chão: rede de 5 cm e colina sombreamento sobrepostas com codificação de cores.

A Figura 4b mostra uma pequena parte dos cinco centímetros de resolução do modelo digital de elevação (DEM), o que demonstra que as características topográficas e até madeira morta pode ser mapeada com notável nitidez. Além disso, a densidade e coerência espacial das nuvens de pontos podem ser utilizadas para a caracterização da rugosidade do terreno com uma precisão melhor do que 10 cm. Um campo potencial de aplicação é a modelagem de inundação, onde, além de geometria, a rugosidade (resistência de fluxo) é um parâmetro de entrada importante.

As figuras 4a e 4b mostram o potencial da alta densidade de pontos 3D em nuvem para a modelagem detalhada de uma única árvore. Considerando que a cobertura completa de todos os lados de árvores individuais e do tronco até a copa é difícil de alcançar através do escaneamento terrestre a laser (TLS), a varredura a laser não-tripulada (ULS) torna-o possível graças à trajetória de um voo flexível.

Figura 4c - Seção horizontal da nuvem de pontos 3D em 1,30m acima do nível do solo utilizado para a medição de diâmetros de vapor. Cores individuais são utilizados para cada tira.
Figura 4c – Seção horizontal da nuvem de pontos 3D em 1,30m acima do nível do solo utilizado para a medição de diâmetros de vapor. Cores individuais são utilizados para cada tira.

As nuvens de pontos, assim, combinam as vantagens da TLS (curto alcance do sensor-alvo) e ALS (espaçamento do ponto regular planimétrico de perspectiva panorâmica). Comparado ao TLS, há menos sombra de digitalização em ULS, assim como o feixe de laser atravessa primeiro a área de dossel, bastante escassa antes de bater os galhos mais grossos e troncos de árvores perto do chão. Devido à alta taxa de varredura e a densidade ultra-alta do ponto resultante, muitos “ecos finais” atingiram a superfície do solo.

Isso permite a derivação de um modelo digital do terreno (DTM) de alta resolução com espaçamento de grade na faixa de 10 centímetros. O diâmetro na altura do peito (DBH) é um parâmetro importante na silvicultura, uma vez que em combinação com a altura da árvore, permite a estimativa de biomassa.

Considera-se que a obtenção de tamanho das árvores através do escaneamento a laser aerotransportado (ALS) já é o que denominamos “estado da arte”, ou seja, o mais alto nível de conhecimento sobre o assunto atualmente. A estimativa DBH baseada em sensoriamento remoto a laser atualmente só é viável através de escaneamento a laser terrestre (TLS), que é, ao mesmo tempo, demorado e trabalhoso em ambientes florestais.

A Figura 4c mostra uma seção horizontal do ponto de nuvem ULS incluindo todos os pontos a 1.20-1.40m acima do terreno. Neste conjunto de dados dos diâmetros de haste pode ser diretamente medido com precisão de centímetros. Cores individuais são usadas na Figura 4c para os pontos de cada voo de faixa, sublinhando a notável qualidade do georreferenciamento.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O experimento de campo utilizando o sistema de sensores RIEGL VUX montado no RiCOPTER UAS forneceu uma nuvem de ponto 3D homogênea com ultra-alta resolução de uma área aluvial complexa que compreende tanto a topografia e vegetação.

Com uma densidade de pontos de mais de 1.500 pontos/m², um encaixe de precisão vertical de menos de dois centímetros e uma captura 3D abrangente da forma do terreno e estrutura da vegetação, o experimento demonstrou o elevado potencial de varredura a laser embarcado para diferentes ciências e aplicações ambientais.

Fonte: GIM International

Assista a nossa palestra e entenda sobre a ciência que esta por traz do mapeamento área com drones.

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1 comentário


  1. Outra vez, parabéns pela matéria.
    Sempre trazendo novidades surpreendentes.

    Caio Saldanha,

    Responder

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