COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T91– A27

AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE DISCRIMINAÇÃO DE ALVOS NATURAIS E ARTIFICIAIS PELO SATÉLITE IKONOS

José Duarte Correia

FUNDAÇÃO INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA – IBGE

Ademar de Brito Filho Alexandre Bastos Cobra Ribeiro

Demetrius Meira Ferreira Marcos José Cavalcanti

FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.

RESUMO Furnas Centrais Elétricas S.A. efetuou, em parceria com o IBGE, um estudo inicial de viabilidade do uso de imagens IKONOS nas atividades de suas unidades de Planejamento, Engenharia, Meio Ambiente e Patrimônio, que compreendem, dentre outras: o mapeamento do sítio das usinas para a otimização do potencial hidrelétrico; o planejamento de novas linhas de transmissão; e o monitoramento de desmatamentos, de crescimentos urbanos indevidos nas adjacências do reservatório e de invasões nas faixas de servidão das linhas de transmissão. Os ensaios basearam-se em imagens adquiridas em JUL 2000 relativas ao sítio da Usina Hidrelétrica de Funil. De uma maneira geral, tanto os alvos naturais como os artificiais estabelecidos foram bem identificados nas imagens, contudo convém se realizarem mais ensaios antes da sistematização do uso destas imagens por parte de FURNAS. ABSTRACT Furnas Centrais Elétricas S.A. made, altogether with IBGE, an initial study about the use of IKONOS images in the activities of the Planning, Engineering, Environment and Patrimony Sections, for example: mapping of power plant sites in order to improve the hydroelectric potential; new transmission lines planning; and monitoring illegal deforestations, improper urban areas growths near the reservoirs and invasions in the servitude strip of the transmission lines. The tests were based on images acquired in 2000, July, covering the Funil Power Plant site. In a general way, the natural targets as well as the established artificial ones were well identified in the images, however it is recommended more tests before the systematic use of these images by FURNAS.

1 - INTRODUÇÃO FURNAS Centrais Elétricas S.A. constantemente busca formas mais eficientes e econômicas de realizar suas atividades para o cumprimento de suas inúmeras atribuições. Dentre estas tarefas, destacam-se: o mapeamento do sítio das usinas para a otimização do potencial hidrelétrico; o planejamento de novas linhas de transmissão; e o monitoramento de desmatamentos, de crescimentos urbanos indevidos nas adjacências dos reservatórios e de invasões nas faixas de servidão das linhas de transmissão. Neste sentido, logo após a disponibilização de imagens de alta resolução espacial do satélite IKONOS para a comunidade civil, FURNAS decidiu avaliar o seu uso por meio da execução de ensaios em um pequeno sítio de usina hidrelétrica – Usina de Funil – localizado no extremo noroeste do estado do Rio de Janeiro, integralmente contido na folha topográfica São José do Barreiro – SF.23-Z-A-IV-2 – na escala 1:50.000 publicada pelo IBGE. No intuito de desenvolver mais rapidamente a avaliação pretendida, convidou o IBGE para colaborar nesta tarefa.

2 - OBJETIVOS Os principais objetivos consistem em se avaliar a capacidade de: identificar e extrair feições cartográficas; efetuar atualização cartográfica e mapeamentos novos nas escalas de interesse de FURNAS e do IBGE, bem como na definição de alvos naturais e artificiais duradouros (formatos e dimensões) e sua densidade mínima de ocorrência para a realização de correção geométrica rigorosa das imagens, o que garantirá também um melhor registro de imagens multitemporais. Considera-se, em todo este trabalho, alvo natural aquele que já exista na região a ser imageada (interseção de rodovias, pontes, edificações, etc.), enquanto que o artificial corresponde ao que foi construído especificamente para o propósito do imageamento. 3 - IMPLANTAÇÃO DOS ALVOS ARTIFICIAIS

Foram implantados em dois períodos (MAI e JUN 2000), porque tanto o IBGE como FURNAS estiveram alternadamente em greve. Embora se desejasse ensaiar um maior número de tipos de alvo, a conclusão dos trabalhos foi antecipada em virtude de não se ter conseguido a informação do período programado para a aquisição das imagens. Quanto às características necessárias para a detecção dos alvos, a SPACE IMAGING recomendou o seguinte: dimensão mínima equivalente a um círculo com diâmetro de 2 metros; e superfície nivelada, lisa, pintada em cor clara não-brilhante, bem contrastada com o fundo (escuro) e sem obstruções ao seu redor em relação a inclinação máxima especificada para a aquisição das imagens, que foi de 26º no caso em questão. Implantaram-se seis tipos de alvos, conforme a Tabela 1:

TABELA 1: Alvos implantados

A1:

bases de concreto quadradas de 4m x 4m e pintadas na cor branca;

A2:

tabuleiro xadrez quadrado 4m x 4m, pintado sobre base existente e subdivido em quatro quadrados, sendo dois brancos e dois pretos;

A3:

quadrado 2m x 2m pintado na cor branca sobre base existente;

A4:

tabuleiro xadrez quadrado 6m x 6m, pintado sobre base existente e subdivido em nove quadrados, sendo cinco brancos e quatro pretos;

A5:

cruz de 7,5m x 7,5m e espessura de 1,5m pintada na cor branca sobre base existente; e

A6:

bases de torres de linha de transmissão pintadas de branco.

4 - IMAGEAMENTO Os dados de aquisição das imagens 11 bits que cobrem o sítio da Usina de Funil encontram-se na Tabela 2, e o esquema geral das imagens (118 km² ao custo de R$ 10.000,00) está apresentado na Figura 1. Estas imagens foram fornecidas para FURNAS em cinco CD-ROMs, subdivididas conforme apresenta a Figura 1; projetadas em UTM e referidas a WGS 84; no formato GeoTiff; no nível de correção GEO (Standard Geometrically Corrected); e geradas pela fusão da banda pancromática com as multi-espectrais (produto denominado Pan Sharpened) com reamostragem por Interpolação Bicúbica com pixels de 1m de tamanho. 5 - SELEÇÃO DOS ALVOS NATURAIS O critério principal de escolha dos alvos naturais foi o contraste da borda do alvo com a sua vizinhança. Os alvos escolhidos foram:

• Calçada; • Caminho, canto / interseção;

• Campo de futebol gramado; • Canteiro em estrada; • Cerca de madeira; • Heliponto; • Parede de edificação; • Piscina; • Rotatória em entroncamento; • Telhado de amianto; • Telhado de barro; e • Viaduto.

FIGURA 1 – Esquema geral das imagens IKONOS cobrindo o reservatório de Funil

TABELA 2 – PRINCIPAIS DADOS DE AQUISIÇÃO DAS IMAGENS Imagem Sensor

Data Hora Azimute

Sensor Elevação Sensor

Azimute Sol

Elevação Sol

CENAS*

1 IKONOS -2

11 JUL 2000

12:38 109,8º 50,8º 41,3º 33,0º 1

2 IKONOS -2

11 JUL 2000

12:37 100,3º 51,8º 41,2º 33,0º 2, 3, 4 e 5

* – A subdivisão em cenas foi realizada para permitir a gravação em CD-ROMs.

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6 - DETERMINAÇÕES GPS Na sua quase totalidade, as determinações GPS dos alvos mostradas na Tabela 3, ocorridas em OUT 2000, foram efetuadas pelo método diferencial duplo utilizando-se georre-ceptores Magellan Promark X, isto é, com duas bases simultâneas – SAT 91.818 (estação GPS principal da Usina de Funil) e SAT 91.819 – com as seguintes características (ambas foram implantadas pelo IBGE anteriormente):

TABELA 3: Determinações em GPS

Taxa de rastreio: 1 s Tempo de rastreio:

20 min

PDOP máximo: 2,9 Distância máxima às bases:

14 km

Apenas houve disponibilidade de antenas anti-multicaminhamento para as estações base, enquanto que nas estações-alvo apenas se utilizaram as pequenas antenas que acompanham os georreceptores. Os cálculos se efetuaram via o programa MSTAR versão 2.06, modelo submétrico, e os valores finais de coordenadas foram obtidos pela média ari-tmética da dupla determinação. Espera-se, para cada alvo, um erro planimétrico total menor do que 0,5m e um erro altimétrico (elipsoidal) menor do que 1m, sendo ambos considerados relativamente às estações base SAT 91.818 e SAT 91.819. Num total de 26 alvos medidos, as variações máximas de coordenadas entre as duas determinações GPS de cada alvo se encontram na Tabela 4.

TABELA 4 – Discrepâncias máximas nas determinações duplas GPS

∆N ( cm )

∆E ( cm )

∆H (Elips) ( cm )

13 47 80 7 - AVALIAÇÂO DO GEORREFERENCIAMEN-TO DAS IMAGENS Procedeu-se a comprovação do erros planimétricos das imagens originais em confronto com o valor 50m especificado pela SPACE IMAGING para o nível GEO de processamento das imagens, resultando nos valores da Tabela 5, ou seja, as diferenças entre as coordenadas, N e E, dos alvos nas imagens originais e as coordenadas GPS (médias das duplas determinações) correspondentes.

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Como se pode observar, há uma tendência sistemática resultando num erro planimétrico médio de 232m que, no entanto, não está de acordo com a premissa dos 50m.

TABELA 5 – Erros médios de Georreferenciamento das imagens

Cena Nº Estações

Erros Médios

GPS N (m) E (m) 1 2 - 43 243 2 8 - 45 222 3 8 - 48 240 4 3 - 36 235 5 5 - 46 200

8 - ALTITUDES ORTOMÉTRICAS Os valores das altitudes ortométricas, que serão requeridos no futuro processo de ortorretificação das imagens, poderão ser deduzidas a partir do valor médio encontrado para as diferenças entre as alturas elipsoidais determinadas por GPS (no decurso das medições dos alvos) em 5 RNs da folha topográfica São José do Barreiro e suas respectivas altitudes ortométricas. Este valor médio obtido foi de -3,1m (com variação máxima de 50cm em relação a este valor), correspondendo a uma estimativa local da ondulação geoidal referida a WGS 84. 9 - RESPOSTAS ESPECTRAIS DOS ALVOS ARTIFICIAIS De um modo geral, as bordas ficaram indefinidas em quase 1m, em função da não coincidência dos limites dos alvos com a rede de pixels, mesmo após a utililzação das técnicas de realce. Os comentários, a seguir apresentados, não devem ser considerados ao pé da letra, pois a detecção de alvos não depende apenas de si próprio, mas também do seu contraste com as feições vizinhas, e, assim, por exemplo, um alvo que não tenha respondido bem nas situações aqui apresentadas, poderá se comportar de forma oposta em outros casos.

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TABELA 6 - Principais características apresentadas pelos alvos artificiais foram:

A1:

o Alvo 1 foi facilmente identificado pelo brilho da pintura branca, mas a sua borda ficou mal definida em função da sua não orientação para o Norte (direção de reamostragem das imagens originais). Já o Alvo 2 foi bem identificado e teve sua borda bem definida em decorrência da sua orientação para o Norte;

A2:

a não orientação para o Norte, causou uma má definição das bordas do Alvo 3;

A3:

praticamente orientado para o Norte, mesmo possuindo dimensões pequenas, o Alvo 4 comprovou o que fora recomendado pela SPACE IMAGING quanto às dimensões mínimas para um alvo ser detetado pelo sensor;

A4:

o Alvo 5 apresentou um excelente resultado em todos os aspectos;

A5:

o Alvo 6 – cruz – não apresentou bom resultado em função do pequeno contraste de sua cor branca com o cinza claro da plataforma em que fora estabelecido. Certamente se o seu contorno for pintado em preto, daria um melhor resultado; e

A6:

as torres de transmissão, enquanto alvos naturais, são bem identificáveis nas imagens IKONOS, mas não se conseguem definir bem os locais para as determinações GPS. Entretanto, a pintura da base na cor branca resolve o problema: Alvo 7 (solo exposto salpicado com cal) e melhor ainda o Alvo 8 (base de concreto magro, pintada em branco).

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10 - RESPOSTAS ESPECTRAIS DOS ALVOS NATURAIS Aqui vale também o comentário inicial do item anterior. As principais características apresentadas pelos alvos naturais foram: • Calçada: excelente resultado (Alvo 21); • Caminho, canto / interseção: as interseções aparece-ram bem (Alvo 9 e

Alvo 11), porém as imagens ficam um pouco borradas quando bem ampliadas para a identificação da estação GPS. Por outro lado, os cantos de caminho não respondem bem. Para se atenuar este problema, estabelece-se a estação GPS na interseção virtual entre os alinhamentos das bordas contíguas (Alvo 24);

• Campo de futebol gramado: o canto apresentou excelente resultado (Alvo

12) pelo contraste com a faixa de solo exposto ao redor; • Canteiro em estrada: excelente resultado (Alvo 17);

• Cerca de madeira: excelente resultado no caso de limites de curral (Alvo 28), pelo fato do sensor inclinado gerar uma maior faixa na imagem em função da altura considerável da cerca (2 m). Neste caso, escolhe-se a base do canto de cerca. No Alvo 16, a cerca da propriedade respondeu bem, mas a identificação da estação GPS – interseção de coluna da porteira com o caminho – ficou prejudicada;

• Heliponto: bem identificado pelo contorno da sua plataforma (circular),

entretanto as marcações em branco não contrastaram bem com a plataforma cinza clara (Alvo 20);

• Parede de edificação: excelente resultado, face ao contraste de paredes

claras com o solo e face à inclinação do sensor, escolhendo-se as bases dos cantos das paredes como locais ideais para as estações GPS (Alvo 10, Alvo 23 e Alvo 26);

• Piscina: excelente resultado, pela sua forma bem definida e pelo contraste

apresentado pela água (azul) em relação ao piso em pedra São Tomé (Alvo 14);

• Rotatória em entroncamento: excelente resultado em função do seu

formato geométrico regular (Alvo 22); • Telhado de amianto: excelente resultado quando está novo (Alvo 25 e

Alvo 27) ou pintado de branco (Alvo 15 e Alvo 19); • Telhado de barro: bom resultado (Alvo 13) pelo tipo de feição bem

definida (retangular), mas, de um modo geral, nem sempre contrasta bem com o solo; e

• Viaduto: excelente resultado em função do contraste do asfalto (preto) da

Via Dutra com o concreto (cinza claro) do viaduto (Alvo 18).

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Um alvo de telhado de zinco medindo aproximadamente 5m por 5m (coordenadas aproxima-das: N=7.508.460m e E=541.540m) foi reconhecido em JUN 2000 e imageado em JUL 2000, mas já não foi encontrado em OUT 2000 (medições GPS). Trata-se de um tipo de alvo que aparece bem nítido nas imagens, por vezes de forma ofuscante, porém é muito perene nos casos em que corresponder a pequenas coberturas em propriedades rurais (de modo análogo ao telhado de amianto) como é o caso em questão. 11 - AGRADECIMENTOS Agradecemos, em especial, aos servidores do IBGE: Dalvan Francisco de Souza, José Carlos Corrêa, Lúcio da Costa Figueiredo e Sheila de Azevedo Andriotti pela superação dos problemas técnico-administrativos advindos da necessidade de implantação dos alvos em curto espaço de tempo, em meio a um longo período de greve, bem como por ocasião das determinações de coordenadas GPS dos mesmos. 12 - CONCLUSÕES

O erro médio de georreferenciamento das imagens originais (GeoTiff) foi avaliado em 232m, antepondo-se aos 50m preconizados pela SPACE IMAGING. As imagens IKONOS atendem satisfatoria-mente à identificação de feições cartográficas neces-sárias ao mapeamento nas escalas de interesse de FURNAS – 1:2.000 e menores – e consequentemente também nas de interesse do mapeamento sistemático do IBGE – 1:25.000 e menores. A extração de feições destinadas à atualização cartográfica e aos monitoramentos fica ainda condicionada à realização de novos ensaios de obtenção de ortoimagens, em função da qualidade geométrica requerida por cada escala específica. Entretanto, isto somente será possível por ocasião da liberação das novas versões dos programas IMAGINE (ERDAS) e GEOMATICA (PCI), os únicos que conseguirão interpretar os dados complementares recentemente liberados pela SPACE IMAGING para se efetuar a retificação rigorosa das imagens (modelagem física do sensor no instante da aquisição das mesmas). De forma análoga, dependerão também os novos mapeamentos a serem realizados com imagens IKONOS, em substituição ao procedimento fotogramétrico convencional. Os alvos artificiais devem ser construídos de tal forma que fiquem orientados para o Norte (lados orientados na direção N-S ou E-W), em virtude da reamostragem regularmente efetuada nas imagens fornecidas. O melhor local para as determinações GPS em cada alvo é o seu ponto central, e a sua identificação na imagem fica facilitada quando se desenha um polígono

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(vetorial) com o formato e as dimensões conhecidas do alvo, deslocando-o sobre o alvo (imagem) até atingir uma posição centrada. Deste modo, supera-se a indefinição das bordas, isto é, a não coincidência dos limites do alvo com as bordas dos pixels (apesar das técnicas de realce). Dentre os alvos artificiais ensaiados, o simples alvo quadrado de 2m x 2m pintado na cor branca (Alvo 4) é adequado, assim como as bases de torres de linhas de transmissão quando pintadas na cor branca. O melhor resultado ficou com o tabuleiro xadrez de 6m x 6m. Por outro lado, acredita-se que a cruz (Alvo 6) possa também dar um excelente resultado quando pintada em branco alternadamente com preto no preenchimento do vazio do quadrado circunscrito a ela. O critério de escolha de locais de maior durabilidade está diretamente ligado ao grau de preservação que o local pode proporcionar. Algo que não deve ser desprezado é o planejamento e manutenção da pintura do alvo artificial e limpeza ao seu redor, por demandar tempo e recursos. Por exemplo, o Alvo 4 (solo pintado de cal) perdeu suas características rapidamente pelo crescimento de vegetação, como se pode observar em sua foto na época da determinação GPS (OUT 2000). Quanto aos alvos naturais, os que apresentaram excelentes resultados foram: calçada; canto de campo de futebol gramado; canteiro de estrada; cerca de madeira especialmente em currais de maior porte; parede de edificação pintada em cor clara; piscina; rotatória; telhado de amianto e viaduto. Quanto à maior durabilidade, devem-se destacar o viaduto e o telhado de amianto/zinco e/ou paredes em edificações de maior porte (telhados em pequenas propriedades rurais alteram muito de forma e posição) ou em locais preservados. Vide os recortes de imagens de 170m x 170m, ao anexo deste trabalho, que se encontram na escala aproximada de 1:2.000, com as fotos dos respectivos alvos. Finalmente, convém se alertar para a necessária união das instituições de governo no sentido de constituírem um banco, de uso comum, de alvos naturais e artificiais de controle de imagens, evitando-se, assim, superposições de trabalho e conseqüentes desperdícios de recursos. 13 - SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS Em continuidade aos ensaios iniciais descritos neste trabalho, sugerimos que sejam realizadas as seguintes atividades: • Testes de realce de imagem para aprimorar a definição das bordas de

cada alvo, destinada a uma melhor identificação dos locais das estações GPS;

• Adoção de novos tipos de alvo natural, como, por exemplo, árvore isolada

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com pouca folhagem (a base deverá ser bem identificada em função das visadas oblíquas do sensor);

• Idem para alvos artificiais, tanto no tocante ao formato como às

dimensões; • Definição da densidade mínima de alvos (por unidade de área),

necessária ao processo de ortorretificação, em função da escala considerada;

ANEXO: RECORTES DE IMAGENS A L V O 1

A L V O 2

13

A L V O 3 A L V O 4 A L V O 5

14

A L V O 6

A L V O 7

A L V O 8

15

A L V O 9 A L V O 10

A L V O 11

16

A L V O 12

Foto inexistente

A L V O 13 A L V O 14

17

A L V O 15 A L V O 16 A L V O 17

18

A L V O 18 A L V O 19 A L V O 20

19

A L V O 21 A L V O 22 A L V O 23

Base sul de muro na cor branca, medindo 10m de comprimento por 3 m de altura

20

A L V O 24 A L V O 25 A L V O 26

21

A L V O 27 A L V O 28