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b�c d c e f c g h i jQc e k – Aquisição de Dados, Cartografia,

Perfilador Laser, Sistemas de Informações Geográficas,Mapeamento, Mapeamento a Laser.l�k g m n�o

– Este trabalho apresenta o Perfilador Laser oumapeamento a laser, sistema baseado em tecnologialaser, aerotransportado, e com características quepermitem a aquisição de milhares de pontos por segundo.Todos esses pontos são georrefenciados e possuem errosna ordem dos decímetros. O Perfilador Laser vem sendoutilizado em todo o mundo, porém destacam-se asaplicações no setor elétrico. O funcionamento dessesistema e as principais aplicações da área de distribuiçãode energia elétrica são apresentados e discutidos. Embreve o Brasil terá essa tecnologia à disposição através daentrada em operação de um equipamento extremamentepreciso e do desenvolvimento de soluções particulares aosetor elétrico brasileiro.

p q r s�t�u�v�w�x�y�z�vCom a popularização dos Sistemas de InformaçõesGeográficas – SIG aplicados ao gerenciamento de redesde distribuição de energia elétrica, as atenções sevoltaram aos processos de aquisição de dados,digitalização, e a importante tarefa de atualização deinformações.

Mundialmente, o setor de geoprocessamento trabalhacom números que relacionam o desenvolvimento desistemas com a aquisição de dados na ordem de 1:3, ouseja, gasta-se três vezes mais com a formação da base dedados de que com o sistema computacional propriamentedito.

Entende-se por aquisição de dados todas as tarefasreferentes ao levantamento de dados, transformaçõesnecessárias, digitalização e inclusão no banco de dadosgeográfico. Dados referentes às estruturas e equipamentosda rede elétrica, como transformadores e postes, são maisfáceis e quase que imediatamente adquiridos. Aatualização desses dados também é executada de maneirarápida já que todas as atualizações da rede sãodocumentadas computacionalmente, permitindo aintegração de sistemas.

No entanto, informações sempre atualizadas referentes anovos clientes, loteamentos, construções, vegetação eobstáculos nas faixas de linha de transmissão de energiasão difíceis de se obter. Muitas empresas fizeram altosinvestimentos na aquisição de base de dadoscartográficos, mas esqueceram-se que essas basesficariam desatualizadas em curto espaço de tempo.

Outro aspecto importante, que muitas vezes pordificuldades técnicas ou financeiras é suprimido, é olevantamento da terceira coordenada (cota) do terreno.Um modelo digital de terreno – MDT pode ser bastanteútil em projetos de ampliação de redes ou no traçado denovas redes.

Procurando preencher essas deficiências de informações,tanto de atualizações como de cotas, o Perfilador Laseraerotransportado tem sido utilizado com sucesso em todoo mundo. Essa tecnologia também é conhecida comomapeamento a laser.

A técnica mais antiga de obtenção de dados topográficos,o levantamento de dados em campo, é um processo lento,caro e trabalhoso. O perfilamento a Laser veio trazerrapidez não só na obtenção, como também noprocessamento dos dados digitais, permitindo coletar aelevação do terreno de várias dezenas de quilômetrosquadrados em um único dia, e levando-seaproximadamente cinco vezes esse tempo, ou seja, cincodias para processar esses dados e gerar o modelo digitalde superfície. Comparativamente, o levantamento emcampo levaria meses para coletar e processar os dados damesma área.

Essa tecnologia de última geração permite que a partir deum vôo sobre uma determinada região possam serdeterminados milhares de coordenadas (X, Y, Z). Essespontos se distribuem sobre o solo e sobre estruturasverticais como prédios e pontes. Todo o processo é digitale automático, o que proporciona maior precisão,confiabilidade e redução de prazo e preço da execução deprojetos[1].

Outra característica ímpar do Perfilador Laser é acapacidade de detectar a geometria de cabostransmissores de energia elétrica e de suas estruturasassociadas. Essas informações possibilitam a modelagemda catenária e do solo, permitindo calcular flechas,distâncias mínimas ao solo, e a interferência davegetação[2].

Pretende-se neste trabalho descrever o funcionamento doPerfilador Laser, a tecnologia intrínseca, as principaisaplicações no setor elétrico mundial e as soluções queestão sendo propostas em termos do setor elétricobrasileiro.

{ q |6}�u�~*r ����w�v�u������ }�uMapas topográficos de elevação da superfície da Terrapromovem informações cruciais para uma série deaplicações científicas, militares e para os setores públicos

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e comerciais. Apesar de informações de topografia seremobtidas, armazenadas e analisadas por vários séculos,novas tecnologias para melhorar os mapas topográficoscontinuam a ser desenvolvidas. Inicialmente os mapas decurva de nível eram criados a partir de dados obtidosatravés de métodos de levantamentos em campo. Nosúltimos cinqüenta anos, a fotografia aérea e maisrecentemente os sistemas óticos digitais tambémpassaram a ser usados. Nos últimos cinco anos, oPerfilador Laser, também conhecido como altímetro laserou ainda LiDAR (��� ` � ] ��X ] X \ ] � _ � [ � ���'[ � ` � � ` ), sistemaque faz uma varredura do terreno a partir de tecnologialaser, está se tornando a ferramenta operacional preferidaem empresas de mapeamento, aerolevantamento efotogrametria.

A utilização do laser como instrumento de sensoriamentoremoto vem, na verdade, acontecendo há mais de 30anos. Nas décadas de 60 e 70, vários experimentosdemonstraram o poder do uso do laser em satélites, napercepção lunar, em monitoramentos atmosféricos eestudos oceanográficos. Na década de 80, a altimetria alaser passou a ser essencialmente feita através deinstrumentos transportados por aeronaves, como porexemplo, os equipamentos desenvolvidos pela NASA: oAOL (�] U�_ ��� X Y � \ ��\ X [ � _ ` Y [ ��� � \���� ���� ) e o ATM(�� Y a _ Y � X�� _ �*_ ` Y [ ��� � \�� [ � �*X Y ). Perfiladores Lasertambém tem sido utilizados com sucesso em missõesespaciais. A NASA tem duas missões planejadas: a VCL,envolvendo cobertura de vegetação e a GLAS,envolvendo aplicações de geociências. O PerfiladorLaser também tem sido usado para gerar mapasdetalhados de Marte, através do MOLA (� [ Y ��'a X Y � X Y�*[ X Y��W ] � U�X ] X Y ), atualmente em órbita ao redor doplaneta. Todavia, apenas nos últimos cinco anos foi que oPerfilador Laser passou a ser usado comercialmente.

O Perfilador Laser é capaz de gerar modelos digitaisdensos e precisos de topografia e da estrutura vertical dasuperfície alvo, tornando-se uma ferramenta atraente parausuários finais de dados topográficos em várias áreas deaplicação. Para qualquer aplicação que exija modelosdigitais de elevação com alta densidade, alta resolução eprecisão da ordem de decímetro, o Perfilador Laseroferece capacidade técnica ímpar, baixo custooperacional e tempo de pós-processamento reduzido,quando comparado às formas tradicionais delevantamentos de dados.

Os componentes básicos do sistema do Perfilador Lasersão: um laser \ [ � � X Y , um GPS ( �'W _ a [ W���_ � ] � _ � � � `� � ] X U ), o INS (Sistema Inercial de Navegação), e umrack de controle, onde se encontra o computador quegerencia o sistema, conforme ilustrado na figura 1.

O sistema pode ser instalado tanto em aviões como emhelicópteros. Uma característica que torna o PerfiladorLaser único é o fato dele poder ser utilizado dia e noite, jáque não é necessário luz solar para se obter asinformações. Seu princípio de funcionamento estábaseado na emissão de feixes laser em direção àsuperfície terrestre (figura 2). Na superfície terrestre estesfeixes são refletidos por obstáculos, que podem ser

construções ou o próprio terreno, e são captados pelosensor (figura 3). Para cada feixe emitido é registrado otempo de percurso aeronave – terreno/obstáculo –aeronave. A partir do tempo de percurso do laser épossível determinar distância percorrida utilizando paratal a velocidade da luz.

Figura 1 – Componentes do Perfilador Laser.

A posição, orientação e variação de altitude da aeronavesão combinadas através de metodologias deprocessamento para produzir uma posição tridimensionaldo ponto da superfície da Terra que foi iluminado porcada pulso laser. Para grandes áreas, são necessáriasvárias linhas de vôo com uma sobreposição planejadapara permitir uma cobertura contínua. Uma vezprocessados os dados obtidos a partir do Perfilador Laser,do GPS e do INS, é possível gerar um modelo digital deterreno (DTM) e modelo digital de elevação (DEM) daárea levantada.

Figura 2 – Funcionamento do Perfilador Laser.

O Perfilador Laser só consegue fazer uma medição detempo por vez. Essa restrição é compensada através daemissão de milhares de feixes por segundo. Para se criarum mapa tridimensional (figura 4), são efetuadas entre2.000 e 80.000 medições por segundo, cada uma delasemitidas para pontos diferentes da superfície. Para tantosão utilizados espelhos móveis que funcionam como

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defletores do laser. O espelho direciona o laser para osolo, mudando essa direção a cada segundo. O feixe laseré escaneado em linhas quase perpendiculares à direçãoem que a aeronave está voando. Como a aeronave estáem movimento, ela mede pontos em linhas diferentes acada vez, produzindo faixas com valores da elevação dasuperfície que a depender do tipo de Perfilador Laser,podem variar de 50 m a 9 km de largura. O diâmetro daárea de cobertura de cada feixe laser no solo tambémpode variar de 20 cm a 25 m.

Figura 3 – Emissão de feixes laser.

O Perfilador Laser, operando na posição infravermelhado espectro, gera dados com medidas precisas dasestruturas construídas pelo homem ou das superfíciesnaturais que podem ser usados para construir modelotridimensional de edificações e modelo tridimensional devegetação. Em aéreas urbanas, edificações podem serextraídas do contexto e telhados e muros podem sermodelados a partir dos dados de elevação. Além deedificações, outras estruturas construídas pelo homem,como linhas de transmissão, torres e pontes podemtambém ser observadas nos dados do Perfilador Laser.Quanto à vegetação, pesquisadores têm conseguidoseparar árvores individuais de florestas, extraindo algunsatributos diretamente dos dados de elevação, como área ealtura da copa. Como o laser tem um feixe estreito, opulso muitas vezes penetra através de pequenas aberturasnos extratos da vegetação, refletindo a partir desuperfícies mais baixas permitindo assim o mapeamentoda superfície abaixo da vegetação. O mapa resultantedessa nova superfície pode ser usado em análiseshidrológicas e geomorfológicas, em que informaçõessobre a elevação do terreno são necessárias para o estudoda direção do fluxo da água, erosão e controle deinundações.

Como a área de cobertura de cada feixe pode variar de 20cm a 25 m, é possível que uma porção do laser encontreum ou mais objetos antes de atingir o solo. Esses

encontros geram retornos parciais do feixe de laser,caracterizando o caminho percorrido pelo feixe. OPerfilador Laser armazena dados do primeiro pulsoretornado do feixe e também do último pulso retornadopelo mesmo feixe. De posse desses dois tipos deinformações, é possível gerar modelos digitais a partir doprimeiro pulso, do último e de ambos. Essa característicatem sua importância reforçada pela facilidade em seextrair estruturas verticais.

Cada pulso laser que retorna ao equipamento trazinformações não só da estrutura vertical da superfície,como textura, altura e formato de objetos, mas também dareflectividade desses estruturas, detectadas através detécnicas avançadas de processamento e classificação.Modelos temáticos podem ser gerados a partir da análisedessas informações, representando a densidade ou alturade uma floresta, mostrando o percentual de superfíciesporosas (vegetação, areia, terra) contra não porosas(asfalto, concreto).

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Figura 4 – Modelo digital de elevação.

Em conjunto com o Perfilador Laser, é acoplada umacâmera de vídeo que documenta todo o vôo, registrandoem cada � Y [ U�X dados da coordenada (X,Y) da cena. Deposse dessas imagens, é possível realizar pesquisas defeições conhecidas e referenciá-las aos pontos coletadospelo Perfilador Laser.

Também é comum utilizar uma câmera digital associadaao equipamento laser para auxiliar na visualização dageometria e brilho da superfície, levando-se em conta aalta resolução de suas imagens. Além disso, a câmeradigital pode operar com várias bandas espectrais.Portanto, a combinação das técnicas de perfilamento alaser e de fotografia digital multi-espectral ou termalotimiza uma série de tarefas de sensoriamento remoto queaté pouco tempo requeria muita análise e interaçãomanual. Uma desvantagem em relação à combinação dacâmera digital ou da câmera de vídeo ao Perfilador Laseré que as primeiras necessitam ser operadas à luz do dia.

A imagem digital é uma matriz de células onde cadacélula contém um valor. No caso de imagenstradicionais, as células contêm valores de brilho; no casode imagens de elevação, elas contêm valores de elevação.

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O Modelo Digital de Elevação é uma representaçãomatemática contínua que descreve o formato dasuperfície onde a elevação é função da longitude elatitude. Dois tipos de MDE são úteis: o modelo digitalde superfície (MDS), que contém os valores da elevaçãoda Terra como ela se encontra, incluindo árvores eedificações; e o Modelo Digital de Terreno (MDT), quederiva do MDS, após a aplicação de funções que filtram avegetação e as estruturas construídas pelo homem. Elecontém a elevação pura do terreno semelhante aos mapastopográficos.

Tanto os modelos digitais de elevação, quanto as imagensdigitais de elevação podem ser utilizados para se obtervisão ortogonal e visão oblíqua da superfície. Ambostambém são considerados representações de dimensão 2.5ao invés de tridimensional. Isto ocorre porque, para cadalocalização da superfície, somente uma elevação é obtida,quando na verdade pode haver várias superfícies comdiferentes valores de elevação no mesmo local: umaponte tem a superfície de cima e outra em baixo, mas só ade cima é detectada pelo laser e mostrada nos modelos.Portanto uma representação verdadeiramentetridimensional, imagem ou modelo, deve suportar váriosníveis verticais de qualquer estrutura, ou seja, para se teruma visão oblíqua real, de qualquer perspectiva, sãorequeridos dados verdadeiramente 3D para que se possaobter dados da parte inferior da ponte.

� q ��|6��r ����y���}'��w�v�|6}�u�~*r ����w�v�u������ }�uDe acordo com suas características funcionais, asprincipais aplicações em que o Perfilador Laser tem sidoutilizado são: criação de MDT (Modelo Digital deTerreno); monitoramento de linhas detransmissão/distribuição e da vegetação próxima, commodelagem de catenária e localização de torres;monitoramento e propagação de inundações;monitoramento de erosão; modelagem hidrológica; naárea florestal na determinação de altura de vegetação eremoção virtual de cobertura vegetal; modelagemtridimensional de cidades; cálculos de volumes extraídosde jazidas; na área de telecomunicações especialmente noestudo de propagação de sinais.

Especificamente na área de distribuição de energiaelétrica destacam-se as seguintes aplicações: de linhas detransmissão/distribuição, mapeamento urbanos e,enchentes urbanas.

� � � � �� jQc g� k � f c g n�� g g � o � ��� g � f � � m � � � oUma das aplicações mais significativas da altimetria alaser vem beneficiar o setor elétrico. O Perfilador Laser,tem capacidade de mapear torres, linhas de transmissãode energia de alta e baixa tensão, e instalações elétricas,como subestações (figuras 5 e 6)[3]. Essas aplicaçõesvem sendo utilizadas, há alguns anos, com sucesso emtodo o mundo, fundamentalmente na obtenção de dadosespaciais e tridimensionais dessas estruturas.

Esse mapeamento é feito geralmente a partir de pequenaaeronave ou helicóptero, voando a altitudes de 300 a400m, com velocidade de 100 a 180 km/h, cobrindo umaárea tipo “corredor” com largura de 50 a 200 m. Podemser mapeados centenas de quilômetros por dia, sem anecessidade de ocupar fisicamente a área, representandouma grande diferença nesta técnica quando comparada atécnicas concorrentes, como o levantamento em campo,que depende da altura da vegetação, densidade deflorestas além de requisitos de infra-estrutura, levandosemanas ou meses para cobrir a mesma área.

As exigências operacionais e de manutenção do setorelétrico requerem uma elevada quantidade de dados,principalmente com relação a características físicas dasestruturas de transmissão (dados espaciais de cabos,transformadores e torres), além das características doterreno onde estão inseridas

Observa-se que tanto para projetistas como para empresasprestadoras de serviço, existem algumas funções básicasque podem ser estudadas a partir dos dados adquiridospelo Perfilador Laser, e são descritas a seguir:

• Monitoramento de linhas de transmissão com oobjetivo de manutenção e atualização de dados;

• Identificação de locais com risco de interferência devegetação ou do terreno com os cabos energizados;

• Localização de trechos onde os níveis mínimos desegurança relativos a distâncias mínimas (cabo/solo ecabo/vegetação) não são aceitáveis.

Através de um levantamento com o Perfilador Laser épossível coletar uma nuvem muito densa de pontos aolongo de uma linha ou corredor e quase sempre commúltiplos retornos do pulso laser: o primeiro provenienteda própria estrutura da linha (cabos e torres) e o últimopulso com informações da superfície do terreno. Atravésde algoritmos de pós-processamento combinados com osvalores de intensidade de reflectância, é possível separare classificar esses diferentes pulsos, proporcionando ageração de novas informações.

Após o processamento e classificação dos dados torna-sepossível a modelagem geométrica tridimensional dosobjetos (figuras 7 e 8)[4], possibilitando uma série deanálises como a localização de interferência de árvores eoutras estruturas na faixa de domínio, localização detorres e modelagem da catenária dos cabos. Adeterminação e vetorização da catenária é de extremaimportância pois permite que sejam calculadas asdistâncias em relação à vegetação e a altura mínima emrelação ao solo em condições extremas de temperatura(figura 9).

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Figura 5 – Linha de transmissão de energia elétrica

Figura 6 – Subestação de energia elétrica

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Figura 7 – Modelo 3D de linha de transmissão

Figura 8 – Modelo 3D de linha de transmissão

Figura 9 – Modelagem de vão em linha de transmissão

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� � � � �Qi jQk � k g��6f � c Qc gUm dos graves problemas que atingem os centrosurbanos, com relativa freqüência, são as enchentes. Asconseqüências desses eventos são prejuízos sociais eeconômicos de alta magnitude mas que infelizmente nãoconseguem fazer com que investimentos sejam realizadosem programas de planejamento urbano como omapeamento das regiões constantemente afetadas,mediante estudos hidráulicos e estatísticos.

Estão atualmente disponíveis modelos computacionaisprecisos que fazem uso de equações complexas,modelando o fluxo de água em três dimensões. Recursoscomputacionais não são mais restrições como no passado.Profissionais capacitados e com vasta experiência emproblemas de drenagem urbana estão ávidos por aplicartodos esses conhecimentos de maneira prática.

Entretanto, muitos projetos acabam não fazendo uso detoda a ciência existente pela falta de dados topográficosprecisos. As cartas topográficas, quando existentes, sãodesatualizadas e em escalas incompatíveis com o tipo deresultado que se deseja.

Com a utilização do Perfilador Laser será possível obter,de maneira precisa, informações relativas ao relevo daregião estudada e possibilitará a geração de cartas deenchentes.

A distribuição de energia elétrica poderá se beneficiar àmedida que terá a informação de regiões mais sujeitas àinundações, possibilitando a implantação de programasespeciais nessas regiões como mudança do gabarito delocalização dos medidores de energia elétrica, relocaçãode transformadores, e melhor proteção de subestações.

O caso da cidade de União da Vitória no estado do Paranáé um bom exemplo desse tipo de aplicação. União daVitória está localizada às margens do rio Iguaçu e aolongo do último século vem sofrendo constantesenchentes. Fruto da preocupação das autoridadesmunicipais, estaduais e dos próprios moradoresorganizados em uma associação, vários estudos foramrealizados de maneira a se obter os níveis atingidos pordiferentes probabilidades de enchentes. De posse dessesníveis, a integração com sistemas de informaçõesgeográficas (figura 10) foi o passo definitivo quepossibilitou a prefeitura gerar um novo plano deocupação do município. A concessionária local dedistribuição também se valeu dessas informações paraalterar a altura dos medidores de energia de residênciasque constantemente eram atingidas pelas enchentes.Antes dessa providência, era constante os riscos deacidentes e custos de religamento de energia após asenchentes. A figura 11 mostra a região de União daVitória atingida por enchentes em média a cada 5 anos.

Figura 10 – Integração sistema de informações geográficas commétodos hidrodinâmicos

Figura 11 – Mapa de enchente para 5 anos de recorrência.

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� � � � ��c ��k c n�k � o �6f � c QoUma outra aplicação da altimetria laser que despertagrande interesse é a informação 3D de ambientesurbanos. Devido ao aumento da densidade de pontos quepodem ser coletados através do sistema de levantamentoaerotransportado laser, os dados de altimetria laser temfornecido cada vez mais informações a respeito defeições urbanas, tornando-se portanto uma excelentealternativa para levantamentos fotogramétricos.

O potencial dos dados laser para geração de modelos 3Dde feições urbanas tem sido investigado por muitosautores nos últimos anos. deriva parâmetros para modelosCAD 3D de primitivas básicas de edifícios através dométodo dos mínimos quadrados, minimizando a distânciaentre o modelo digital de superfície gerado pelo laserscanner e os correspondentes pontos na primitivageométrica do edifício.

A geração de mapeamentos urbanos baseados unicamenteem dados adquiridos pelo Perfilador Laser geralmentetem a forma apresentada na figuras 12 e 13[5].

A partir desse mapeamento é possível identificar novasconstruções e arruamentos apenas sobrepondo duasimagens tomadas em diferentes datas. Essa tecnologiatem sido muito utilizada em empresas de distribuição deenergia para cadastrar novos consumidores e loteamentos.

Outra facilidade do mapeamento urbano em 3D é acriação de cidades virtuais onde é possível realizar umpasseio pelas ruas de uma cidade verificando fachadas eestruturas elétricas.

Figura 12 – Mapeamento urbano 3 D.Figura 13 – Mapeamento urbano.

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� q ��v�s�� r w�}�u'��y���}'��~*r s'��r �A introdução da tecnologia de Perfilamento Laser oumapeamento a laser, possibilitará o desenvolvimento desoluções inéditas para o setor de distribuição de energiaelétrica, com ganho de produtividade em atividadesconvencionais de aquisição e atualização de dados e comobtenção de informações antes não disponíveisautomaticamente, como por exemplo geometria deestruturas de transmissão.

Esses dados e soluções permitirão que sistemascomputacionais sejam desenvolvidos e tragam rapidez eprecisão a tarefas importantes, quer seja na manutençãode redes elétricas, quer seja no planejamento de novasredes.

O nível de precisão, a velocidade e a versatilidadepermitida pela tecnologia tem chamado a atenção dosconhecedores dos métodos tradicionais limitados.

As soluções que foram descritas neste trabalho sãorealidade mundiais e estarão disponíveis àsconcessionárias de distribuição de energia do Brasil, embreve espaço de tempo. O LACTEC – Instituto deDesenvolvimento para Tecnologia estará operando aindaeste ano um equipamento com essas características,trazendo soluções adaptadas às especificidades do nossopaís.

� q u�}�~*}�u���s �'r �����'r �'��r v���u���~*r �����

[1] Axelsson, P. � ] X ` Y [ ] X � � X � _ Y � _ Y ��W [ ] [ � _ Y U��Y � X � ] [ ] � _ � [ � ��� _ �*_ ` Y [ ��� � \ ��[ ] [ �\ � V � � ] � _ � � ^Symposium on Digital Photogrammetry. Instanbul,Turquia. 1998.

[2] Axelsson, P. “Processing of Laser Scanner Data –Methods and Algorithms”. � _ V Y � [ W _ �� � _ ] _ ` Y [ U�U�X ] Y � [ � � �'X U�_ ] X � X � � � ` ^ Vol. LXI.1999.

[3] Medvedev, E. “Combining Laser and DigitalPhotography Data for Automation of OrthophotoMap Production”. � � � � ] X Y � [ ] � _ � [ W �� Y a _ Y � X���X U�_ ] X� X � � � `���_ � � X Y X � \ X�[ � ����� � � a � ] � _ � . San Francisco,CA. 2001.

[4] Medvedev, E. “Automatic Calibration Procedure forLaser Scanning Systems”. � � � � ] X Y � [ ] � _ � [ W � Y a _ Y � X�'X U�_ ] X � X � � � `���_ � � X Y X � \ X [ � ����� � � a � ] � _ � . SanFrancisco, CA. 2001.

[5] Optech Inc. ��[ ] [��6Y _ \ X � � `�� [ � V [ W � _ Y�] � X ��� � �*[ X Y � � ] X U�� ^ Canadá. 2002.