MAPEAMENTO DIGITAL 3D NA ESCALA 1/5.000 A

MAPEAMENTO DIGITAL 3D NA ESCALA 1/5.000 A PARTIR DE
IMAGENS WORDLVIEW-2 E DADOS GPS, APLICADO A ESTUDOS
DE PARQUES EÓLICOS
Marcelo Francisco Moraes
Globalgeo Geotecnologias
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RESUMO: Este trabalho consiste na geração de Modelo Digital de Superfície (MDS), a
partir de imagens de alta resolução do sistema sensor WorldView-2, e levantamentos
topográficos e geodésicos de campo com suporte do sistema GPS, aplicado a estudos de
parques eólicos no nordeste brasileiro. Teve como finalidade a apresentação de métodos e
técnicas destinados a mapeamento 3D com avaliação positiva do uso de imagens dessa
natureza para análises espaciais complexas no setor de energia e suporte a análises
morfológicas do relevo.
ABSTRACT: This work consists of the generation of Digital Model of Superfície (MDS),
from high resolution images of the sensory system WorldView-2, and topographical and
geodesic surveys of field with support of system GPS, applied the studies of aeolian parks
north-eastern Brazilian. The presentation of methods and destined techniques had as purpose
the mapping 3D with positive evaluation of the use of images of this nature for complex space
analyses in the energy sector and has supported the morphologic analyses of the relief.
Palavras-chave: WorldView-2, Cartografia, Parque Eólico, Geomorfologia.
1. INTRODUÇÃO
Algumas das variáveis mais importantes para um bom aproveitamento da energia dos
ventos são a localização geográfica, a topografia, bem como possíveis inconsistências no
terreno, a climatologia, a pedologia e a altura dos aerogeradores em relação ao solo. Este
conjunto de fatores vêm definir a oscilação da intensidade de direção dos ventos em um
determinado intervalo de tempo. Essas condições definem a variação de intensidade e da
direção dos ventos num dado intervalo temporal. Neste ínterim, é necessário o bom
conhecimento topográfico da região onde planeja-se implantar parques eólicos, não
apenas para a real identificação do potencial energético dos ventos em um determinado
local, mas, também, para estabelecer o posicionamento correto das torres aerogeradoras
bem como toda a infraestrutura necessária para a implantação deste parque.
O trabalho consiste na apresentação e descrição das etapas principais do processo de
mapeamento cartográfico destinado à geração do Modelo Digital de Superfície (MDS)
compatível com a escala 1/5.000 (Padrão de Exatidão Cartográfica - PEC A), a partir de
imagens de satélites de alta resolução WorldView-2 e dados GPS provenientes de
levantamentos topográficos e geodésicos em campo. O mapeamento destina-se
prioritariamente à geração do modelo onde foram extraídas curvas de nível com 2 metros
de eqüidistância vertical. O Padrão de Exatidão Cartográfico (PEC) alcançado foi
comprovado a partir dos dados obtidos em campo, com base em experimentos reais com
demonstração analítica.
2. OBJETIVOS
Obtenção de MDS a partir de imagens estereoscópicas orbitais do satélite WorldView-2,
que possui resolução espacial de 50 cm, tendo como base coordenadas geodésicas
relativas a pontos de controle de campo. O mapeamento foi realizado no nordeste
brasileiro em uma área de interesse com, aproximadamente 480 km². Trata-se de um
estudo de caso bem sucedido onde imagens dessa natureza tiveram uso com êxito no
mapeamento proposto.
3. METODOLOGIA
As etapas do processo, com suporte do arcabouço metodológico, foram:
(a) Programação do satélite WorldView-2 para obtenção 480 km² de pares de imagens
estereoscópicas;
(b) Planejamento e execução de serviços de levantamentos topográficos e geodésicos de
campo com o propósito de geração de nuvem de pontos de controle, com precisão
submétrica, utilizando receptores GPS Hiper L1/L2;
(c) Avaliação dos dados de campo para a ortorretificação das imagens e validação do
MDS;
(d) Sistema geodésico adotado: WGS 84;
(e) Obtenção de pares epipolares para a futura extração do MDS;
(f) Coleta de tie points (pontos de enlace), coincidentes nas duas imagens (par estéreo) a
partir dos pontos notáveis obtidos em campo;
(g) Edição dos MDT a fim de minimizar os efeitos de distorção gerados pela ocorrência
de nuvens/sombras, tendo como base modelo pré-existente GDEM (Aster/NASA).
Os sistemas computacionais utilizados para o processamento das imagens e tratamento,
incluindo edições vetoriais foram:
• PCI Geomática v 10.3; e
• Global Mapper.
As imagens utilizadas para o mapeamento possuem as seguintes especificações
técnicas:
WORLDVIEW- 2 - ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS BÁSICAS
Informações de
lançamento
Data: 08/10/2009
Veículo de lançamento: Delta II 7920
Local de lançamento: Base aérea de Vandenberg,
Califórnia, EUA
WORLDVIEW- 2 - ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS BÁSICAS
Órbita
Altitude: 770Km
Tipo: Heliossíncrona, 10:30am passagem
descendente
Período: 100 minutos
Bandas do senso
Pancromática, Multiespectral e 4 novas bandas (azul
costal (coastal), amarelo, vermelho limítrofe, e
infravermelho-2)
Resolução espacial
50 cm (pancromático)
2,00 metros (multiespectral)
Resolução
Radiométrica
11 bits por pixels
Comprimento da
faixa
16,4Km no Nadir
Capacidade de
gravador de bordo
2199 GigaBytes
Angulo máximo de
visada
+/- 45° off-Nadir = 1036Km
Capacidade de
coleta
975 mil km por dia
Resolução temporal
1,1 dias 30° off Nadir
(revisita)
3,7 dias 20° off Nadir
Acurácia posicional
Acurácia especificada de 5m CE90% no Nadir
excluindo efeitos de terreno
Fontes:
www.globalgeo.com.br
www.digitalglobe.com
No que diz respeito aos levantamentos topográficos e geodésicos de campo, as
especificações técnicas foram:
Receptores GPS TOPCON HIPER L1L2, integrado (receptor, antena, bateria e
carregador) para levantamentos estáticos e cinemáticos, com 40 canais universais, capaz
de rastrear sinais de satélites GPS e WAAS (opcional), taxa de atualização de 1 Hz, 8 Mb
de memória interna (mais de 40 horas de rastreio CA+L1+L2 com intervalo de 15"), CoOp Tracking System (melhor recepção dos sinais em condições desfavoráveis), Advanced
Multipath Mitigation (redução dos efeitos de multicaminhamento) e Interface MINTER.
Precisão horizontal de 3mm + 1ppm para levantamento estático e rápido-estático e de
10mm + 1.5 ppm para levantamentos cinemáticos e RTK. Possibilidade de atualização
para tempo real cinemático (RTK) e até 96 Mb de memória interna. Possui 2 portas seriais
para dados e 1 porta para alimentação.
Os levantamentos foram no modo relativo e estático, tendo como bases estações da Rede
Brasileira de Monitoramento Contínuo GPS do IBGE para o pós-processamento,
considerando efemérides precisas.
4. RESULTADOS
Como resultados do mapeamento foram gerados produtos indicativos de modelagem da
superfície, com aplicações em interpretações de morfologia do terreno e identificação de
possíveis potenciais pistas de vento destinadas à instalação de torres eólicas e também ao
aproveitamento de energia desse tipo.
Para a classificação da base cartográfica de acordo com o PEC, é necessário definir
Ground Control Points (GCP - pontos de controle) com coordenadas geográficas obtidas
em pontos notáveis na imagem de satélite e na localidade propriamente dita. A aquisição
destes pontos foi realizada a partir de levantamento de campo utilizando dois receptores
de dupla frequência, e aplicando o método de posicionamento relativo estático rápido.
Para um melhor resultado, foi estabelecida uma freqüência de pontos de controle de modo
a não ultrapassar 10 km² entre eles.
Após a coleta, os dados foram pós-processados para que fossem obtidas a altitude
elipsoidal e ortométrica, além da latitude e longitude geodésicas. Essas coordenadas
convertidas em planialtimétricas (X, Y e Z) foram confrontadas com as coordenadas dos
pontos equivalentes na imagem de satélite ortorretificada. Para a determinação do PEC,
inicialmente foi realizada a análise de tendência utilizando distribuição de freqüência do
erro geométrico e a análise de precisão, para a classificação da base cartográfica.
A discrepância observada apresentou resultado aceitável em 97% das amostras coletadas.
O erro se propagou no sentido sudoeste. Esta tendência pode ser eliminada subtraindo-se
de cada coordenada lida o valor médio da discrepância calculada nesta direção. Obteve-se,
portanto, um modelo planialtimétrico compatível com o PEC a na escala 1:5.000.
A seguir são apresentadas Figuras 1, 2, 3, 4, 5 e 6 como resultados validados do processo
de mapeamento.
Figura 1: Recorte espacial da composição colorida das imagens WorldView-2.
A Figura anterior ilustra o recorte espacial da área de estudos e de interesse, na forma de um
composição colorida das imagens WorldView-2.
Figura 2: Localização (densidade e distribuição) dos pontos de controle.
A Figura anterior apresenta a localização dos pontos de controle GCP que representam
estações terrestres ocupadas com os receptores GPS L1/L2, numa distribuição homogênea
sobre a área de estudos e de interesse.
Figura 3: Modelo de superfície em escala de cores indicativas das variações altimétricas.
A Figura anterior ilustra o resultado do MDS obtido através das imagens WorldView-2 e com
apoio dos pontos de controle GCP. É apresentada uma convenção de cores representativa das
altitudes por intervalos de classe. Observa-se a riqueza de detalhes das feições do terreno,
permitindo não só extrair informações sobre o relevo, como também de compartimentos
geomorfológicos. É observada a ocorrência de um rio na área de interesse.
Figura 4: Modelo de superfície numa perspectiva particular.
A Figura anterior, a título de exemplo, é mostrada uma perspectiva particular do MDS, que
permite interpretações sobre o comportamento de relevo.
Figura 5: Modelo de superfície acoplada à imagem composta.
A Figura anterior é um tipo de imagem híbrida, resultante do MDS associado às imagens
WorldView-2, numa perspectiva particular. Imagens desse tipo também permitem
interpretações de textura, cor e forma dos objetos que compõem as feições do terreno.
Figura 6: Modelo de superfície numa perspectiva.
A Figura anterior é o MDS numa perspectiva distinta, onde as feições do terreno sugerem
interpretações de compartimentos geomorfológicos, importantes para estudos de implantação
de parques eólicos, principalmente na identificação de pistas de vento. Associado a esse
produto é possível associar dados de velocidade e direção dos ventos, e com estudos de outros
dados temáticos estabelecer áreas candidatas a se configurar como parques eólicos.
5. CONCLUSÕES
O potencial eólico na área de interesse pode ser analisado com base no MDS, onde
imagens de alta resolução WorldView-2 e dados de posição geodésica puderam ser
empregados. Análises espaciais complexas são possíveis de executar, em presença de
dados temáticos como geomorfológicos e ambientais. Forçantes físicas podem ser locadas
no MDS, no sentido de realização de simulações de pistas de ventos com o propósito de
produção de energia por meio de torres eólicas. Desta forma o estudo de caso serviu de
exemplo onde as imagens WorldView-2 empregadas representam fontes ricas de dados
para mapeamentos 3D, desde que com controle de campo apoiado por GPS. Essas
imagens permitem a extração de informações estratégicas importantes para estudos de
viabilidade de parque eólicos, na escala 1/5.000. Observou-se com segurança que a
metodologia adotada é válida quando objetiva-se analisar com critérios geométricos as
feições geográficas do modelo gerado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Geográficas Aplicados à Engenharia Florestal, Curitiba, PR. 2010.
NOVACK, T. et al Análise dos dados do satélite WorldView-2 para a discriminação de
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