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ANÁLISE DA PRECISÃO DE DADOS PLANIALTIMÉTRICOS OBTIDOS
POR GNSS RTK E LASER SCANNER AÉREO NA UFPE-CAA
1 INTRODUÇÃO
A topografia, uma disciplina que evolui com o desenvolvimento tecnológico, tem suas origens na antiguidade com a utilização de técnicas rudimentares para medir terras e delimitar propriedades. Com o avanço dos anos, surgiram instrumentos cada vez mais precisos e sofisticados para a realização de medições topográficas, como o teodolito, o nível e a trena. A precisão na obtenção de coordenadas geográficas é crucial para diversas áreas, incluindo engenharia civil, arquitetura e cartografia. A popularização do GPS (Global Positioning System) na década de 1990 marcou uma evolução significativa nesse ramo, fornecendo uma ferramenta poderosa para a obtenção de coordenadas geográficas precisas. Conforme El-Rabbany (2019) destaca, o GPS revolucionou a maneira como as medições topográficas eram realizadas, melhorando a precisão e a velocidade na coleta de dados. Complementar ao GPS, o sistema GNSS RTK usa uma rede de estações de referência para corrigir as informações recebidas dos satélites e calcula as coordenadas em tempo real em ambientes abertos sem interferência de obstáculos. Li et al. (2020) indicam que o GNSS RTK é amplamente utilizado para coleta de dados de alta precisão em projetos de mapeamento e topografia. Por outro lado, a tecnologia LIDAR é um sensor remoto ativo que emite feixes de laser na banda do infravermelho próximo (IV) e é capaz de capturar informações sobre a superfície, modelando-a tridimensionalmente (Singh et al., 2017). Essa tecnologia permite gerar uma nuvem densa de pontos onde é possível detectar objetos, permitindo a modelagem tridimensional da superfície e a geração de produtos como o Modelo Digital de Terreno (MDT) e o Modelo Digital de Superfície (MDS) (Zhang et al., 2020). De acordo com Wang et al. (2021), o LIDAR é uma tecnologia que tem se mostrado cada vez mais eficiente para a coleta de dados de alta precisão em ambientes complexos, como florestas e áreas urbanas. Porém, o custo dos equipamentos e a necessidade de processamento pós-coleta podem ser fatores limitantes para a utilização da tecnologia em alguns projetos. Diante da existência de duas tecnologias distintas para a obtenção de coordenadas geográficas precisas e dos estudos existentes sobre o tema, torna-se pertinente a realização de uma análise comparativa entre elas. Este trabalho tem como objetivo avaliar a precisão relativa das coordenadas planialtimétricas obtidas através do GNSS RTK e da tecnologia LIDAR, auxiliando na escolha da melhor tecnologia para aplicações específicas e permitindo um maior entendimento sobre o funcionamento e limitações de cada uma delas. O levantamento foi realizado na UFPE/CAA com o GNSS i50 e o laser scanner Alpha Air 450, comparando os resultados seguindo o Decreto Lei 89.817, que estabelece normas para a Cartografia Nacional. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Área de estudo O estudo foi realizado na UFPE-CAA localizado em Caruaru, Pernambuco. A área escolhida foi selecionada com base em suas características topográficas, visto que
apresenta uma considerável variação de altitude, tornando-a adequada para a aplicação da metodologia. Adicionalmente, a área possui baixa incidência de obstáculos físicos e interferências ambientais, fatores que contribuem para a precisão e eficiência na coleta de dados. A Figura 1 ilustra a localização precisa da área de estudo e destaca os pontos de checagem que foram materializados para o levantamento. Figura 1 – Área de estudo. Fonte: (AUTORES, 2023). 2.2 Rastreio da base O início do estudo envolveu a configuração do receptor GNSS modelo i50, que foi utilizado para rastrear as coordenadas do ponto de partida do levantamento, o qual foi materializado com tinta branca no piso, conforme ilustrado na Figura 2. O rastreio durou aproximadamente três horas, a fim de alcançar uma precisão planialtimétrica na ordem de milímetros. A técnica RTK empregada requer que o receptor de referência capture continuamente os sinais dos satélites durante um período que seja suficiente para calcular com precisão os erros sistemáticos e aleatórios, caso o rastreio não respeite essa recomendação mínima poderão ocorrer divergências de coordenadas. Esta metodologia não apenas proporciona uma solução mais precisa e estável, mas também minimiza potenciais interferências eletromagnéticas que poderiam comprometer a qualidade dos sinais e, consequentemente, a precisão das coordenadas obtidas. Após a coleta dos dados foi realizada à correção das coordenadas utilizando o relatório de Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) do IBGE, apresentado na Figura 3. O PPP fornece detalhes cruciais sobre as correções orbitais aplicadas aos dados do GNSS para determinar coordenadas de posicionamento com alta precisão. Esta etapa é essencial, especialmente em locais carentes de estações de referência GNSS próximas, garantindo assim a integridade e a precisão dos dados coletados.
2.3 Pontos de checagem Conforme definido pela NBR 13133/2014, a realização de aerolevantamentos requer a instalação de pontos de controle geográfico para possibilitar a correção geométrica das imagens capturadas. A norma especifica que esses pontos devem ser distribuídos de forma uniforme por toda a área de estudo, a fim de assegurar uma cobertura abrangente e representativa do terreno investigado. Neste estudo, foram estabelecidos 19 pontos de checagem, marcados com tinta branca. As coordenadas desses pontos foram registradas utilizando o Receptor GNSS i73, operando em conjunto com o GNSS i50, que serviu como estação base. O receptor i73, atuando como Rover, foi empregado para capturar as coordenadas dos pontos marcados, com base nas informações transmitidas pela base i50, como ilustrado na Figura 4. Estes pontos foram fundamentais para a subsequente análise comparativa da precisão entre as diversas metodologias de levantamento empregadas no estudo. Figura 4 – Cadastro dos pontos de checagem. Fonte: (AUTORES, 2023). 2.4 Execução do voo para a coleta de dados LIDAR Após o cadastro dos pontos de checagem, iniciou-se a montagem do Drone DJI Matrice 300, equipado com o laser scanner CHC Alpha Air 450. Este dispositivo é dotado de um scanner laser de alto desempenho, uma câmera profissional de 24 MP e um sistema de navegação industrial, capaz de efetuar escaneamentos precisos a uma altitude de voo de 100 metros e uma velocidade de 10 m/s, cobrindo uma área de aproximadamente 2 km² com uma densidade de 200 pontos por metro quadrado. A primeira fase do processo envolveu o planejamento do voo utilizando o software UgCS, onde foram ajustas as configurações de sobreposição e altura de voo. Utilizaram-se dados do Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) da NASA, lançado em fevereiro de 2000 , para compensar variações no relevo do terreno e assegurar uniformidade nas faixas de escaneamento. O drone foi configurado para voar a uma altura de 40 metros acima do nível do solo com acompanhamento do terreno, garantindo uma altura de voo uniforme ao longo de toda região. A sobreposição lateral adotada foi de 70% e uma velocidade de 7 m/s. O drone e o laser foram previamente calibrados a fim de garantir a qualidade de
obtenção dos dados. A Figura 5 ilustra o plano de voo definido, enquanto a Figura 6 apresenta o equipamento montado, pronto para iniciar a missão pré-estabelecida. Figura 5 – Plano de voo elaborado. Fonte: (AUTORES, 2023). Figura 6 – Laser Scanner AlphaAir 450 acoplado no Drone Matrice 300. Fonte: (AUTORES, 2023). 2.5 Processamento dos dados LIDAR para obtenção da nuvem de pontos Após a conclusão do voo, iniciou-se o processamento dos dados obtidos em campo utilizando softwares especializados. O software CHCNav CoPre foi empregado para realizar o registro da nuvem de pontos e seu georreferenciamento, via Pós-Processamento Cinemático (PPK), através dos dados descarregados do laser scanner, o qual havia sido equipado com uma antena RTK. Esse método permite que os dados coletados durante o voo sejam refinados para alcançar maior precisão. Segundo Ehsani et al. (2015), o PPK é
2.6 Identificação dos pontos de checagem na nuvem de pontos e análise das coordenadas Os pontos de checagem foram identificados na nuvem de pontos no mesmo software empregado na análise, obtendo portando as coordenadas da amostra proveniente do laser scanner. Em posse das coordenadas obtidas por ambos os métodos, foram realizadas análises para avaliar as discrepâncias planialtimétricas e verificar a conformidade do levantamento com o padrão de acurácia posicional brasileiro, definido pelo Decreto-lei nº 89.817 de 1984. Este padrão especifica tolerâncias baseadas no Padrão de Exatidão Cartográfica (PEC) e Erro-Padrão (EP), variando de acordo com a escala dos dados e as classes A, B ou C. Em 2010, a Diretoria do Serviço Geográfico do Exército Brasileiro (DSG) publicou as Especificações Técnicas de Aquisição de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET- ADGV), um documento alinhado à Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) estabelecida pelo Decreto-lei nº 6.666 de 2008. Este documento introduziu uma classe mais restritiva para produtos cartográficos digitais (PEC-PCD), detalhando como os dados devem atender ao padrão de acurácia posicional. De acordo com este padrão:
- Noventa por cento (90%) dos pontos coletados devem apresentar discrepâncias posicionais iguais ou inferiores ao valor da tolerância PEC para a escala e classe testadas.
- O RMS das discrepâncias posicionais deve ser igual ou inferior ao valor da tolerância EP para a escala e classe testadas. A Tabela 1 apresenta um resumo dos valores de PEC e EP definidos pelo padrão Decreto- lei 89.817/ET-ADGV, onde “eq.” significa equidistância da curva de nível e “esc.” significa escala. Tabela 1 - Valores do PEC e EP. CLASSE (PEC) CLASSE (PEC- PCD) PLANIMETRIA ALTIMETRIA PEC (mm x esc) EP (mm x esc) PEC EP
- A 0,28 0,17 0,27 eq. 1/6 eq. A B 0,5 0,3 1/2 eq. 1/3 eq. B C 0,8 0,5 3/5 eq. 2/5 eq. C D 1 0,6 3/4 eq. 1/2 eq. Fonte: (AUTORES, 2023). A análise foi realizada através da obtenção da média, variância, desvio padrão e RMS. A equação de cada uma respectivamente pode ser visualizada abaixo. Os resultados numéricos e descritivos da análise estão apresentados na próxima seção. Todos os cálculos foram realizados no Microsoft Excel. (1) ( 2 )
Sendo: x̄ = Média; s² = Variância; s = Desvio padrão. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A comparação dos dados planialtimétricos foi conduzida seguindo a metodologia descrita anteriormente, com uma análise inicial focada nas coordenadas planimétricas e, subsequentemente, nas altimétricas. Para clarificar a origem dos dados, adotaram-se algumas siglas: "NP" para denotar os pontos derivados da nuvem de pontos gerada pela tecnologia LIDAR, e "RTK" para indicar os valores obtidos através do GNSS RTK. A análise começou com a comparação das diferenças entre as coordenadas este e norte coletadas por ambas as técnicas. Os dados então apresentados nas Tabelas 2 e 3, facilitando a avaliação direta das discrepâncias entre os métodos em termos de precisão posicional. Tabela 2 - Comparativo de dados planimétricos. PONTOS NORTE RTK (m) ESTE RTK (m) NORTE NP (m) ESTE NP (m) ΔN |RTK - NP| (m) ΔE |RTK
- NP| (m) 1 9089487,443 171420,560 9089487,443 171420,574 0,000 0, 2 9089486,099 171404,579 9089486,143 171404,554 0,044 0, 3 9089521,495 171395,599 9089521,507 171395,615 0,012 0, 4 9089532,829 171368,408 9089532,831 171368,404 0,002 0, 5 9089567,090 171350,851 9089567,097 171350,892 0,007 0, 6 9089566,598 171330,133 9089566,668 171330,160 0,070 0, 7 9089575,795 171295,273 9089575,763 171295,223 0,032 0, 8 9089587,577 171271,806 9089587,623 171271,806 0,046 0, 9 9089587,873 171241,732 9089587,892 171241,758 0,019 0, 10 9089612,053 171227,818 9089612,056 171227,832 0,003 0, 11 9089664,793 171217,250 9089664,784 171217,273 0,009 0, 12 9089692,022 171234,041 9089692,056 171234,041 0,034 0, 13 9089674,643 171261,524 9089674,663 171261,587 0,020 0, 14 9089672,714 171299,588 9089672,773 171299,651 0,059 0, 15 9089653,318 171309,876 9089653,347 171309,871 0,029 0, 16 9089660,842 171371,056 9089660,841 171371,037 0,001 0, 17 9089640,183 171403,981 9089640,237 171404,058 0,054 0, 18 9089628,401 171432,161 9089628,397 171432,130 0,004 0, 19 9089592,960 171467,316 9089593,022 171467,341 0,062 0, Fonte: (AUTORES, 2023).
capazes de fornecer dados de alta precisão. embora sujeitos a variações influenciadas por fatores como condições atmosféricas, qualidade e modelo dos equipamentos, e metodologias de coleta e processamento de dados. Apesar da alta precisão, houve pequenas diferenças entre os eixos, com a altimetria apresentando melhores resultados. A diferença média entre a altimetria e a planimetria foi de 0,7 cm, a qual pode ser atribuída a vários fatores, como uma menor variação na elevação do terreno nos locais de coleta. Com base nos resultados encontrados, é possível atestar a confiabilidade da precisão do laser scanner aéreo em comparação com um receptor GNSS RTK na obtenção de dados posicionais. A consistência dos resultados obtidos sugere que ambas as tecnologias podem ser utilizadas de forma eficaz para levantamentos topográficos. Comparando os valores do RMS obtido com os valores previstos em norma, também é possível verificar que, segundo os padrões técnicos vigentes, este estudo seria categorizado como Classe A, na planimetria e altimetria, para uma escala de 1/1000 e uma equidistância entre curvas de nível de 1 metro, conforme estipulado pelo Decreto-Lei 89.817/ET-CQDG. Isso valida a eficácia dos métodos utilizados e garante que os dados coletados atendem aos requisitos de precisão necessários para aplicações técnicas e científicas, além de confirmar que é possível utilizar o Alpha Air 450 sem o emprego de pontos de controle, otimizando os levantamentos topográficos, gerando dados de alta qualidade, particularmente valiosos para áreas de difícil acesso ou com vegetação densa. Apesar das vantagens do laser scanner aéreo em termos de precisão e capacidade de coleta de dados, é importante destacar algumas desvantagens. O custo elevado dos equipamentos e a necessidade de processamento pós-coleta são pontos de relevância. Além disso, a operação deste tipo de equipamento requer uma equipe treinada e softwares específicos, o que aumenta os custos devido à necessidade de contratação de mão de obra especializada. Ainda na esfera custo, a locação de uma diária do GNSS RTK gira em torno de 300 reais no mercado, tendendo a ser mais acessível, enquanto o laser scanner aéreo não se encontra facilmente para locação, exigindo a contratação de uma prestadora de serviços para realizar o levantamento. Em termos de eficiência, as diferenças também são significativas. O GNSS RTK é um método de coleta ponto a ponto, em contrapartida, o laser scanner aéreo consegue escanear uma área de 2 hectares em aproximadamente 30 minutos, gerando uma nuvem de pontos de alta densidade, proporcionando um detalhamento superior ao mapear toda a região. Portanto, a escolha da técnica mais adequada e com melhor custo-benefício será determinada pela necessidade e escopo do serviço. A decisão deve levar em consideração não apenas a precisão e aplicabilidade das tecnologias, mas também os recursos financeiros disponíveis e o tempo necessário para a execução dos levantamentos. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados deste estudo confirmam que o laser scanner CHC Alpha Air 450 oferece uma precisão posicional comparável à de um receptor GNSS tradicional. A implementação de tecnologias avançadas, como a empregada, otimiza significativamente o processo de levantamento topográfico. Este equipamento elimina a necessidade de pontos de controle e gera dados altamente precisos e confiáveis, mesmo em locais de difícil acesso ou áreas com densa vegetação. Tal eficiência aumenta de maneira significativa a produtividade em campo, além de permitir a execução de serviços que antigamente seriam impensáveis devido à falta meios ou limitações dos métodos existentes. Além disso, a evolução tecnológica observada no campo da topografia tem alcançado melhorias notáveis na qualidade e confiabilidade dos dados coletados. Esses avanços contribuem substancialmente para a otimização dos procedimentos de levantamento e para o aumento
da eficiência operacional nos projetos. Em suma, a adoção de tecnologias inovadoras está transformando a prática da topografia, permitindo a execução de levantamentos mais rápidos, precisos e confiáveis. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13133: Execução de levantamento topográfico. Rio de Janeiro, 1994. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14166: Rede de Referência Cadastral Municipal: Procedimento. Rio de Janeiro, 1996. BRASIL. Decreto nº 2.278, de 17 de julho de 1997. RAA - Regulamenta o Decreto-Lei nº 1177 de 21/06/1971 que dispõe sobre aerolevantamento no território nacional. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 1997. BRASIL. Decreto-lei nº 1.177, de 21 de junho de 1971. Dispõe sobre o aerolevantamento em território nacional. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 1971. BRASIL. Decreto-lei nº 243, de 28 de fevereiro de 1967. Fixa as Diretrizes e Bases da Cartografia Brasileira e dá outras providências. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 1967. BRASIL. Decreto-lei nº 5.334, de 6 de janeiro de 2005. Da nova redação ao art. 21 e revoga o art. 22 do Decreto nº 89.817, de 20 de junho de 1984, que estabelece as Instruções Reguladoras das Normas Técnicas da Cartografia Nacional. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 2005. BRASIL. Decreto-lei nº 5.452, de 1 de maio de 1943. Lex: coletânea de legislação: edição federal, São Paulo, v. 7, 1943. Suplemento. BRASIL. Decreto-lei nº 6.666, de 27 de novembro de 2008. Estabelece a Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE). Diário Oficial da União , Brasília, DF, 2008. BRASIL. Decreto-lei nº 89.817, de 20 de junho de 1984. Instruções reguladoras das normas técnicas da cartografia nacional quanto aos padrões de exatidão. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 1984. BRASIL. Lei nº 7.565, de 19 de dezembro de 1986. Dispõe sobre o Código Brasileiro de Aeronáutica. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 1986. BRASIL. Portaria nº 0637-SC-6/FA- 61 , de 05 de março de 1998. Aprova as Instruções Reguladoras de Aerolevantamento em território nacional. Diário Oficial da União , Brasília, DF, 1998. CHEN, R.; ZHAO, Y.; CHEN, Z.; ZHANG, H. An effective kinematic positioning method based on PPK for UAV. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTATIONAL SCIENCE AND ITS APPLICATIONS, 19., 2019, Saint Petersburg. Anais… Cham: Springer, 2019. p. 283-296. EHSANI, A. H.; OMIDALIZARANDI, M.; SABETGHADAM, S. Study on positioning accuracy enhancement of low-cost GNSS receivers using RTK and PPK methods. Measurement , n. 65, p. 32 - 40, 2015. EL-RABBANY, A. Introduction to GPS: the global positioning system. 2. ed. Boca Raton: CRC Press, 2019.
