Utilização de LiDAR embarcado ou fotogrametria RGB por VANT’s, qual a melhor opção?

Buscando respostas a um dos maiores questionamentos feitos por nossos clientes, tentamos aqui esclarecer as diferenças, vantagens e desvantagens do uso da fotogrametria RGB por VANT’s e do levantamento feito com sensores LiDAR por essas mesmas plataformas. fotogrametria

Drone com LiDAR embarcado ou fotogrametria, com uso de VANT? Tudo o que você precisa saber.

Com o desenvolvimento recente na área de levantamento com utilização de drones, tem havido muitos mitos e equívocos em torno de VANT’s com LiDAR e fotogrametria. Na verdade, essas duas tecnologias têm tantas diferenças como semelhanças. Portanto, é essencial entender que elas oferecem produtos significativamente diferentes, geram diferentes produtos finais e requerem diferentes condições de captura, mas, o mais importante, devem ser usadas ​​para finalidades distintas.

Não há dúvidas de que, em comparação com os métodos tradicionais de levantamento de áreas, ambas as tecnologias oferecem resultados muito mais rápidos e com uma densidade de dados muito maiores (ambas as técnicas medem todos os objetos visíveis sem interpolação). No entanto, a seleção da melhor tecnologia para seu projeto depende da finalidade do mesmo, condições ambientais, termos de entrega e orçamento, entre outros fatores. Esta publicação tem como objetivo fornecer uma visão detalhada dos pontos fortes e limitações do LiDAR e da fotogrametria para ajudá-lo a escolher a solução certa para seu projeto.

LiDAR x FOTOGRAMETRIA. Como funciona a ciência por trás destas duas tecnologias?

Como ponto de partida é importante ter uma visão mais próxima da ciência por trás das duas tecnologias. Em resumo:

LiDAR. Como funciona a ciência por trás:

LiDAR ou Light Detection and Ranging, é um método de sensoriamento remoto que utiliza a luz na forma de um laser para medir as gamas (distâncias variáveis). LIDAR funciona através do envio de pulsos, medindo as reflexões que retornam, e quanto tempo elas levam para o retornar. Utilizando esta informação, a posição da reflexão pode ser calculada em relação ao sensor. É chamado de sensor ativo, pois ele emite sua fonte de energia ao invés de detectar a energia emitida por objetos no chão.

Entre as informações que são geralmente estão incluídas nos dados LIDAR podemos destacar:

• A intensidade da reflexão;
• O tempo do pulso;
• O ângulo da reflexão em relação ao sensor; e muitas outras medições específicas do sensor

FOTOGRAMETRIA. Como funciona a ciência por trás:

A fotogrametria representa a criação do espaço-objeto (espaço tridimensional), utilizando o espaço-imagem (conjunto de imagens bidimensionais). O sistema bidimensional usado é o da própria câmara com as coordenadas preestabelecidas.

O sistema tridimensional é o sistema de coordenadas que formam o terreno que serão obtidas imagens. Essas coordenadas podem ser geodésicas (latitude, longitude, altura e altitude) ou cartesianas (X,Y,Z).

Depois de estabelecidos os dois sistemas, um conjunto de pontos de controle do espaço-objeto são escolhidos e alocados no espaço-imagem, para formar os dados de entrada para mapear um sistema no outro (COELHO, BRIT0 2007).

FOTOGRAMETRIA

Benefícios da fotogrametria 

A fotogrametria pode ser dividida em a fotogrametria métrica, que envolve trabalho quantitativo, como a determinação da posição de pontos do terreno, determinação de distâncias, de diferenças de nível, áreas, volumes, entre outros e a fotogrametria interpretativa ou fotointerpretação, em que as imagens são analisadas qualitativamente, com vista à identificação de objetos. A fotogrametria é considerada uma tecnologia passiva, baseada em imagens que são transformadas de 2D em modelos tridimensionais.

A limitação da fotogrametria é que ele só pode gerar pontos com base no que o sensor da câmera pode detectar iluminado pela luz ambiente.

Simplificando os conceitos, o LiDAR usa lasers para fazer medições, enquanto a fotogrametria é baseada em imagens capturadas, que podem ser processadas e combinadas para permitir medições.

Tanto a tecnologia LIDAR como a ciência por trás da fotogrametria, são consideradas ciências extremamente complexas, que para um bom nível de conhecimento demandam muito tempo de estudo.

LiDAR OU FOTOGRAMETRIA. Qual melhor opção para seu projeto?

O principal produto obtido com o uso do LiDAR é a chamada nuvem de pontos 3D. A densidade da nuvem obtida depende das características do sensor (frequência de varredura e taxa de repetição), bem como os parâmetros de voo. Supondo que o scanner está pulsando e oscilando a uma taxa fixa, a densidade da nuvem do ponto depende da altitude e velocidade do vôo da aeronave.

Diferentes casos de uso podem exigir diferentes parâmetros de geração da nuvem de pontos com uso de sensores LIDAR por VANT’s, por exemplo, para modelagem de linha elétrica, você pode parametrizar seu projeto para uma nuvem de pontos densa com mais de 100 pontos por metro quadrado, enquanto que para geração de um modelo digital de terreno (MDT) de uma área rural, sem muitas interferências, 10 pts/m² já são suficientes para garantir um resultado final de boa qualidade técnica.

Quando o assunto é fotointerpretação:

Também é importante entender que o sensor LiDAR é apenas uma ferramenta de coleta de posições de amostragem, sem RGB, criando um conjunto de dados monocromático, que pode trazer consigo desafios na interpretação. Para torná-lo mais significativo, os dados são frequentemente visualizados usando falsa-cor com base na reflexividade ou elevação.

Exemplo de nuvem de pontos antes e depois de adicionar um atributo de cor.

É possível sobrepor a cor nos dados obtidos por sensor LiDAR no pós-processamento com base em imagens ou outras fontes de dados, porém isso adiciona fatores de complexidade ao processo. A cor também pode ser adicionada com base na classificação (classificando cada ponto em um determinado tipo / grupo de objetos, por exemplo, árvores, edifícios, carros, terra, fios elétricos).

O processo fotogramétrico, por outro lado, pode gerar modelos 3D e 2D coloridos (nos vários espectros de luz) do terreno. O que a torna mais fácil de visualizar e interpretar do que os dados obtividos por sensores LiDAR.

Os principais produtos gerados pelos levantamentos fotogramétricos são os ortomosaicos ou mosaico de fotos, que traduz as imagens reais da área de estudo ou formas em um único arquivo, modelos digitais de superfície (MDS), Modelos Digitais de Terreno (MDT ou MDE) e a nuvens de pontos 3D criadas a partir de interpolação e processamento de centenas ou milhares de imagens. Os resultados finais fornecem uma excelente qualidade visual, podendo retratar em seus produtos ate 1cm do terreno real por pixel, o chamado GSD.

O que é o GSD:

GSD é uma sigla em inglês que significa Ground Sample Distance, na tradução literal significa “Distância de amostra do solo”, o GSD é a representação do pixel da imagem em unidades de terreno (geralmente em cm).

Na aerofotogrametria, o GSD é uma das variáveis mais importantes e é a primeira que deverá ser definida, ela garante a resolução espacial do seu mapeamento, ou seja, o nível de detalhamento. A escolha do GSD influência diretamente na nitidez do seu mapeamento, o tamanho do GSD é inversamente proporcional ao nível de detalhamento, ou seja, quanto maior o GSD, menor é o nível detalhamento e quanto menor for o GSD, maior será o nível de detalhamento.

Imagens aerotrianguladas e nuvem de pontos 3D gerada. Tela do software Pix4D.

FOTOGRAMETRIA 

Com isso em mente, a fotogrametria parece ser a tecnologia de escolha para casos de uso onde a avaliação visual é necessária (por exemplo, inspeções industriais, gerenciamento de ativos, agricultura de precisão, entre outros).

Particularidades dos sensores LiDAR

O LiDAR, por outro lado, tem certas características que o torna particularmente importante para casos de uso específicos. Os raios laser como tecnologia de sensores ativos podem penetrar na vegetação. O LiDAR é capaz de superar lacunas na superfície do terreno e alcançar objetos abaixo, por isso pode ser útil para gerar Modelos Digitais de Terreno (MDT) de alta precisão, onde se busca erro na casa dos milímetros.

O LiDAR também é particularmente útil para modelar objetos estreitos, como linhas de energia ou torres de telecomunicações, pois a fotogrametria pode depender de sensores específicos para reconhecer objetos estreitos e mal visíveis. Além disso, o LiDAR pode trabalhar em condições de iluminação precárias e mesmo à noite. Nuvem de pontos de fotogrametria são mais visuais (cada pixel tem RGB), mas muitas vezes com detalhes generalizados, por isso pode ser apropriado para objetos onde um nível inferior de detalhes geométricos é aceitável, mas a interpretação visual é essencial.

Porém, é importante dizer que nos últimos anos tivemos uma acelerada evolução nas tecnologias e sensores disponíveis para o processo fotogramétrico. Através de algoritmos de última geração e softwares de desenho assistido, parametrizados para uma melhor interpretação dos dados obtidos, já é possível criar projetos com uma incrível densidade de nuvem de pontos.

Recentemente, tivemos significativas experiências em projetos desenvolvidos em nosso escritório, onde através de rotinas e parâmetros desenvolvidos especificamente para atender o objetivo final do mesmo, alcançamos números superiores a 500pts/m² em nossa nuvem de pontos 3D.

Além do aprimoramento constante de filtragem dos Modelos Digitais de Superfície para obtenção de Modelos Digitais de Terreno, cada vez com maior nível de precisão tridimensional.

PRECISÃO, importante fator de decisão na avaliação destas duas tecnologias.

Vamos começar por definir qual é a precisão esperada. Na topografia, por exemplo, a precisão sempre tem duas dimensões: relativa e absoluta. A precisão relativa é a medida de como os objetos são posicionados um em relação ao outro. Já a precisão absoluta refere-se à diferença entre a localização dos objetos e a sua verdadeira posição na Terra (é por isso que qualquer projeto pode ter uma alta precisão relativa, mas baixa precisão absoluta).

O LiDAR é uma das tecnologias de topografia mais precisas existentes atualmente. Este é particularmente o caso de lasers terrestres onde o sensor está posicionado no chão, e sua localização exata é medida usando métodos geodésicos. Tal configuração permite alcançar precisões de nível milimétrico.

Alcançar um alto nível de precisão com o LiDAR embarcado é, no entanto, muito mais difícil, pois o sensor está em movimento. É por isso que o sensor LiDAR no ar sempre é acoplado à IMU (unidade de movimento inercial) e ao receptor GNSS, que fornece informações sobre a posição, a rotação e o movimento da plataforma de digitalização. Todos esses dados são combinados em tempo real e permitem alcançar alta precisão relativa (1-3cm).

A fotogrametria também permite alcançar precisões de nível de 1-3 cm, porém exige experiência significativa para selecionar hardware apropriado, parâmetros de voo e conhecimento de processamento avançado. Alcançar alta precisão absoluta requer o uso de tecnologia RTK / PPK e uma boa base de apoio terrestre com implantação de GCPs para referenciar o bloco fotogramétrico.

AQUISIÇÃO, PROCESSAMENTO E EFICIÊNCIA DE DADOS

Existem também diferenças significativas na velocidade de aquisição entre os dois. Na fotogrametria, um dos parâmetros críticos necessários para processar os dados com precisão é a sobreposição de imagem que deve estar no nível de 60-90% (frontal e lateral), dependendo da estrutura do terreno e do hardware aplicado. Já projetos que utilizam sensores LiDAR embarcados requerem apenas de 20 a 30% de sobreposição entre as linhas de voo, o que torna as operações de aquisição de dados muito mais rápidas.

Além disso, para uma fotogrametria de precisão absoluta elevada, são necessários mais pontos de apoio terrestre para alcançar a precisão do nível LiDAR. A medição de GCP’s normalmente requer métodos tradicionais de levantamento terrestre que significam tempo e custo adicionais.

Além disso, o processamento de dados LiDAR é muito rápido. Os dados brutos requerem apenas alguns minutos de calibração (5-30min) para gerar o produto final. Na fotogrametria, o processamento de dados é a parte mais demorada do processo geral. Além disso, requer computadores poderosos que podem lidar com operações em gigabytes de imagens. O processamento leva em média entre 5 a 10 vezes mais do que a aquisição de dados no campo.

Por outro lado, para muitos casos de uso, tais como inspeções de linha de energia e projetos mais específicos, as nuvens do ponto geradas por LiDAR exigem classificação adicional que podem ser muito trabalhosas em termos de mão de obra e muitas vezes requerem softwares com alto custo de obtenção (por exemplo, TerraScan).

Dito isso, vale ressaltar que mesmo com um maior tempo de realização, comparado ao uso de sensores LiDAR, o método de levantamento embarcado ou mapeamento aéreo por parâmetros fotogramétricos chega a ser até 30x mais rápido do que levantamentos tradicionais de campo.

LiDAR x FOTOGRAMETRIA. Quando o custo se torna fator decisivo:

Quando analisamos o custo total dos levantamentos por sensores LiDAR embarcados e fotogrametria, há vários itens que devem a serem considerados.

Primeiro de tudo, o esquipamento. Os conjuntos de sensores LiDAR (scanner, IMU e GNSS) custam entre R$ 200.000 – R$ 900.000, mas para a maioria dos casos de uso, os dispositivos high-end são preferíveis. Com tamanho investimento você seguramente irá buscar um VANT’s que ofereçam o máximo de segurança possível para o embarque do sensor LiDAR. Com isso em mente, soma-se o custo de um bom multirotor para a realização das operações, logo algo em torno de R$ 75.000 – R$ 150.000 adicionais para a plataforma VANT apropriada. Tudo somado, chegamos ao custo de até R$ 1.150.000 para um único conjunto de levantamento com sensor LiDAR. Um custo elevadíssimo com um payback de longo prazo.

Para fotogrametria, tudo que você precisa é um VANT equipado com uma boa câmera, e estes tendem a ser muito mais baratos, comparados aos sistemas LiDAR. Na faixa R$ 30.000 – R$ 60.000, você pode encontrar uma ampla seleção de dispositivos profissionais multirotores. Com um investimento um pouco mais significativo entre R$ 150.000 –  R$ 300.000, você pode comprar equipamentos com tecnologia RTK / PPK já embarcadas, como o DJI Matrice 600 ou dispositivos de asa fixa Sensfly eBee e PrecisionHawk Lancaster, entre outros modelos de fabricação nacional.

Custo de processamento

Outro item de custo importante é um software de processamento. No caso do LiDAR, normalmente é disponibilizado gratuitamente pelos fabricantes de sensores.

No entanto, pós-processamento e a classificação da nuvem de pontos pode exigir o uso de software pagos, como o TerraScan que acrescenta algo em torno de R$ 120.000 a R$ 180.000 por uma única licença. Já os preços de software para análises e processamentos fotogramétricos estão mais perto do nível de R$ 1.200 por mês por licença.

Obviamente, outro fator importante que influencia o custo do serviço é o emprego de mão de obra especializada e o tempo de aquisição e interpretação dos dados. Aqui, o LiDAR tem uma vantagem significativa em relação à fotogrametria, uma vez que não só requer significativamente menos tempo para processar os dados, mas também para colocar e marcar os GCPs.

CONCLUSÕES

Ao comparar LiDAR e fotogrametria, entendemos que ambas as tecnologias têm suas aplicações, bem como limitações, e na maioria dos casos de uso elas são complementares. Nenhuma dessas tecnologias é melhor do que a outra e nenhuma delas abrangerá todos as possibilidades de uso.

O LiDAR traduz um ganho mais significativo, quando o objeto do projeto tiver como finalidade estruturas estreitas como linhas de energia ou torres de telecomunicações e para mapear áreas abaixo de locais com alta densidade de relevo. Porem deve se considerar o custo significativamente maior na contratação.

A fotogrametria será a melhor opção para projetos que exigem dados visuais. Como por exemplo, inspeções de estruturas, gerenciamento de ativos, agricultura de precisão, mapeamento aéreo. Para muitos projetos, ambas as tecnologias podem trazer dados valiosos, por exemplo, mapeamento de sites de mineração ou movimentos de terra. A escolha do método depende de avaliações particulares de cada projeto, como, tempo de execução, orçamento e condições de captura.

LiDAR e fotogrametria são tecnologias poderosas se você for criterioso na contratação de profissionais com capacitação. É claro que, com a diminuição dos preços do hardware e software, ficarão cada vez mais acessíveis. Ambas as tecnologias estão em processo de evolução constante e quando se trata de aplicações de VANT’s. Certamente testemunharemos novas e disruptivas aplicações

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