UNICV - ARTES - FOTOGRAFIA E ÁUDIOVISUAL - FOTOGRAMETRIA E A FOTOINTERPRETAÇÃO - GEOPROCESSAMENTO

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Letícia Roberta Amaro Trombeta S SOLUÇÕES GaH INTEGRADASFotogrametria e fotointerpretação Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Sintetizar conceitos, características e etapas do desenvolvimento tecnológico da fotogrametria. Desenvolver a definição de escalas e cálculo de área de recobrimento em fotografias aéreas. Diferenciar alvos com base em elementos-chave para interpretação de imagens. Introdução As fotografias e imagens aéreas permitem enxergar e analisar terreno de forma sistêmica (em conjunto) e multitemporal (em diferentes datas) de áreas de interesse para diversas aplicações, sendo bastante utilizada na produção de mapeamentos e extração de dados topográficos. Neste capítulo, você vai aprender conceitos fundamentais para aplicar de maneira correta a fotogrametria e fotointerpretação, as quais são amplamente utilizadas para a análise e a identificação de objetos e fenô- menos que ocorrem na superfície terrestre. Assim, você verá os conceitos fundamentais em fotogrametria, conhecendo a importância da escala e do seu cálculo, necessário para determinar recobrimento do terreno pelas fotografias Por fim, vai aprender sobre os procedimentos e elementos utilizados para estabelecer chaves de interpreção para as fotografias e imagens aéreas. Fotogrametria e observação de terreno A fotogrametria surge no final do século XIX, na Europa, como método utilizado para fotografar monumentos de grande valor arquitetônico, porém,2 Fotogrametria e fotointerpretação com o nome de fotopografia, iconometria ou metrofotografia. Somente mais tarde, no ínicio do século XX, é empregada como técnica para o mapeamento da superfície terrestre. O considerado "pai" da fotogrametria foi Aimé Laussedat (1819-1907), oficial do Corpo de Engenheiros do exército francês que se baseou nos princí- pios geométricos da perspectiva, utilizando fotografias no lugar de desenhos (ROCHA et al., 2010). Em 1858, Gaspard Felix Tournachon (1820-1910), conhecido como Nadar, iniciou a prática de utilizar fotografias aéreas para mapeamentos, quando, a bordo de um balão, a 80 metros de altura da superfície, obteve as primeiras fotografias aéreas das proximidades de Paris (Figura 1). Além de também foram utilizados pombos e pipas para fotografar o terreno entre o final do século XIX e o início do século XX. ADAR PHOTOCRAPHIE PHOTOCRA Figura 1. Caricatura de Nadar tirando foto- grafias aéreas - "Nadar elevando a fotografia à altura da Arte", de Honoré Daumier (1863). Fonte: Minkoff (2011, documento on-line). Com a Guerra Mundial (1914-1918), as fotografias áreas ganharam notoriedade e começaram a ser intensamente usadas para fins militares, com o objetivo de reconhecer o terreno em campo inimigo por meio das fotografias do seu território.Fotogrametria e fotointerpretação 3 A fotogrametria é a arte, a ciência e a tecnologia utilizada para obter informações qualitativas de objetos, elementos e fenômenos do ambiente, estabelecida por um conjunto de técnicas e processos de registros, medições e interpretações fidedignas de fotografias e padrões de energia eletromagnética de imagens de satélite (THOMPSON, 1966; FITZ, 2008) Com isso, a fotogrametria permite executar medições precisas utilizando fotografias métricas, sendo sua maior aplicação no mapeamento topográfico e na fotointerpretação para determinar a forma, a dimensão e a posição dos objetos contidos na imagem (INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA, 1999). Ou seja, a fotografia e a imagem de satélite são capazes de apresentar detalhes do terreno que são utilizados para interpretá-lo e medi-lo. As imagens da superfície terrestre podem ser obtidas a partir de sensores portáteis insta- lados em plataformas terrestres, aéreas e orbitais, e esses sensores podem ser câmeras fotográficas, câmeras de vídeo, sistemas de varredura e radares (FLORENZANO, 2011) (Figura 2). avião campo Figura 2. Níveis de obtenção de imagens por sensoriamento remoto. Fonte: Florenzano (2011, p. 48). termo fotogrametria, etimologicamente, deriva de três raízes gregas: que significa luz; gramma, que significa gravar ou escrever; e metria, que significa medida ou medição. Portanto, sua correspondência etimológica é "medições gráficas por meio da luz". Cientificamente, a American Society of Photogrammetry define fotogrametria como a ciência e a arte de obter medidas dignas de confiança utilizando-se fotografias (PAREDES, 1987).4 Fotogrametria e fotointerpretação Inicialmente, a análise do terreno se deu a partir das fotografias aéreas, por meio de câmeras embarcadas em pombos, balões e, mais tarde, aviões. Posteriormente, evoluiu para as imagens formadas a partir de respostas espec- trais, captadas por sensores que orbitam a Terra e captam essas informações por meio dos satélites artificiais. Em termos conceituais, a fotografia aérea é um registro instantâneo dos detalhes do terreno, determinada, principalmente, pela distância focal da lente da câmera, pela altura de do avião no momento da captura e pelos tipos de filmes e filtros utilizados. A fotografia aérea é uma perspectiva geome- tricamente relacionada com o tipo de câmera usada. As fotografias aéreas se dividem em fotografia vertical, tirada com o eixo da câmera apontado para baixo (ponto nadir; extremidade inferior de uma direção que coincide com a linha de gravidade), essencialmente na vertical; e fotografia oblíqua, tirada com o eixo da câmera inclinado em relação à vertical do lugar (linha de gravidade). Antes de iniciar a prática de interpretação de imagens de sensores remotos, é necessário destacar suas diferentes posições de tomada, que resultarão em visões diferentes do objeto na superfície terrestre. Com isso, as imagens com visão vertical, também chamadas de visada nadir, são registradas por sensores a bordo de aeronaves ou satélites, nos quais o objeto ou lugar é visto do alto, de cima para baixo. As imagens com visão oblíqua apresentam uma visada lateral, com ângulos de inclinação, com o objeto ou lugar visto de cima e um pouco de lado; e as imagens horizontais, quando se está no chão, com o olhar no mesmo nível do objeto ou lugar (FLORENZANO, 2011) (Figura 3). a b Figura 3. Exemplos de (a) visão horizontal; (b) vertical e (c) oblíqua. Fonte: Florenzano (2011, 43).Fotogrametria e fotointerpretação 5 As fotografias aéreas podem ser influenciadas por dois grupos de fatores: pelo ser humano, tais como distância focal da lente, altura de voo, combinações de filmes, filtros e ângulo da lente; pela natureza, a exemplo da cor dos objetos fotografados, da posição do objeto com relação ao ângulo de incidência do sol, da bruma atmos- férica, entre outros. A qualidade da fotografia pode ser controlada pela sensibilidade do filme utilizado. Isso dependerá da seleção do espectro visível (todo ou partes) que será registrada ou, ainda, de parte do espectro invisível, como a luz infraver- melha (Quadro 1 e Figura 4). Quadro 1. Relação de tipos de filmes utilizados e as fotografias resultantes Sensibilidade Fotografias Tipo de filme do filme resultantes Preto e branco Faixa do visível Preto e Fotografias pancromático branco ou com os objetos pancromáticas representados em tonalidades de cinza Preto e branco Infravermelho Preto e branco Fotografias com os infravermelhas objetos representados em tonalidades de cinza com realces Colorido Faixa do visível Coloridas ou Fotografias com os naturais objetos representados nas mesmas cores vistas pelo olho humano Colorido Infravermelho Coloridas Fotografias em que próximo infravermelhas os objetos não são ou falsa-cor representados com suas cores verdadeiras6 Fotogrametria e fotointerpretação a b d Figura 4. Fotografias aéreas com diferentes tipos de (a) preto e branco pancromático; (b) preto e branco infravermelho; (c) colorido natural; (d) colorido falsa-cor. Fonte: Florenzano (2011, p. 20). Alguns estados e municípios possuem acervos próprios de fotografias aéreas com a utilização de filmes diversos, que podem ser utilizados, por exemplo, para reconstituição de cenários, avaliação das mudanças ocorridas no território ao longo do tempo, entre outras aplicações. Nos levantamentos aerofotogramétricos atuais, o mais comum é que se use câmeras fotográficas digitais, e não mais software Google Earth oferece, para algumas regiões do mundo, uma série histórica de imagens de diferentes anos, gratuitamente. Link O vídeo no link a seguir mostra mudanças no território de algumas cidades do mundo com base na análise de diferentes imagens disponibilizadas no Google Earth.Fotogrametria e fotointerpretação 7 A fotogrametria se divide em fotogrametria métrica e fotogrametria inter- pretativa. A fotogrametria métrica define as medidas precisas na determinação de formas e dimensões de objetos no terreno, sendo utilizada em levantamentos planimétricos e topográficos e podendo determinar distâncias, ângulos, volume, área, elevação, tamanho e formas dos objetos. A fotogrametria interpretativa é responsável pelo reconhecimento dos objetos dispostos na superfície terrestre, sendo dividida em fotointerpretação e sensoriamento remoto. Com os avanços da tecnologia e da informática, a fotogrametria digital ganhou espaço e passou a ser integrada com dados de laser scanner terrestre e aéreo, imagens de satélites de alta resolução, possibilitando o processamento e a geração de modelos digitais de superfície (MDS), extração automática de feições do terreno e integração com os sistemas de informações geográficas (SIGs) (GRUEN, 2008). Atualmente, a fotogrametria tem sido muito empregada partir de drones. O que antes era feito com câmeras enormes a bordo de aviões com pilotos e equipes, hoje, com drones, é feito sobrevoando um terreno de forma autônoma com um objeto voador acoplado com câmeras e guiado por um sistema GPS. Saiba mais No vídeo do link a seguir, você pode saber mais sobre a regulamentação para utilização de drones no Brasil. Essa tecnologia permitiu o ganho de tempo e a diminuição das despesas na aquisição de fotografias aéreas. Para a utilização de fotografias aéreas em aparelhos estereoscópicos, emprega-se técnicas da aerofotogrametria, como a esteroscopia, na elaboração de cartas e mapeamentos topográficos e na identificação de feições do relevo. Estereoscopia Em 1901, o alemão Pulfrich introduziu na fotogrametria o chamado índice móvel ou estereoscopia, utilizando um par de fotografias aéreas, sendo possível,8 Fotogrametria e fotointerpretação além de observar o relevo, medir as variações de nível do terreno, utilizando visão binocular (permite a percepção de profundidade). O equipamento utilizado para dar a perspectiva de imagem tridimensional é o estereoscópio (Figura 5) a partir de pares de fotografias estereoscópicas. Com os avanços da informática e o desenvolvimento de novas tecnologias, os estereoscópios têm sido substituídos por hardwares, softwares e óculos especiais para serem utilizados em pares de fotografias estereoscópicas digitais por meio do computador. 56 74 mm 250 mm Figura 5. Estereoscópio de mesa. Fonte: G.I.S. Ibérica (2003, documento on-line). Esse par de fotografias aéreas ou por estereoscópico é tomado em ângulos diferentes, permitindo que um mesmo objeto apareça nas duas fotografias, sucessivamente; com a fusão entre elas, tem-se a percepção estereoscópica ou tridimensional. O mesmo objeto aparece nas duas fotografias pelo método que tem que ser seguido na linha de voo, com sobreposição das fotografias aéreas em 60% na direção longitudinal ao longo da linha de e sobreposição de 25 a 30% entre as linhas de voo para a obtenção da percepção estereoscópica (Figura 6).Fotogrametria e fotointerpretação 9 60% Linha de voo 25% Figura 6. Linha de de recobrimento para obtenção de pares de fotografias aéreas estereoscópicas. Fonte: Adaptada de Fontes (2005). Com essas fotografias e a aplicação da estereoscopia, é possível analisar e extrair o modelado do relevo, suas formas e feições, bem como identifi- car com maior facilidade os elementos do terreno por meio da perspectiva tridimensional. Escalas e cálculo da área de recobrimento em fotografias aéreas A escala da fotografia aérea é decorrente da relação entre a distância focal da câmera e a altura de voo da aeronave. Entende-se ainda que, quando a distância focal aumenta, a escala das fotografias torna-se maior; logo, para qualquer altura de voo, as câmeras com lentes de distância focal longa podem produzir fotografias de escala maior do que as de distância focal curta. Se uma fotografia for ampliada ou reduzida, a distância focal para essa fotografia será também mudada em proporção direta com o valor da ampliação ou redução. Quando o objetivo for analisar o terreno, a informação da escala é essencial. No caso das fotografias aéreas, a escala é importante e informativa; a partir dela, é possível determinar a área de recobrimento da superfície terrestre na imagem. Para calcular a escala da fotografia aérea, são necessários dois dados: altura do no instante em que se tirou a foto e a distância focal da câmera para a obtenção da foto (valor fixo, a depender da câmera).10 Fotogrametria e fotointerpretação Atenta-se para o fato de que a altura de voo não é uma variável constante, sendo diferente em todos os pontos da fotografia aérea, justamente pelas ondulações do terreno provocadas pelo relevo. Por isso, adota-se uma altura de voo média, definida a partir da média aritmética entre a menor e a maior altura de voo da área fotografada. Essa variação de escala tem um limite e não pode ultrapassar 10% das diferenças de altura de em cada imagem. Na identificação da escala, aplica-se a seguinte relação matemática: E=f/H Onde: E = escala da fotografia aérea; f = distância focal da câmera; H = altura de Exemplo Uma fotografia aérea obtida numa altura de de 1.224 m (metros), utilizando uma câmera com objetiva grande angular de 153 mm (milímetros), apresenta uma escala de Resolução: 1) E = 1.224 m m 1.224 m A operação deve estar na mesma unidade de medida. 3) 1) Se objetivo é identificar a escala da fotografia aérea, esta deve sempre ter seu numerador igual a 1, então, divide-se numerador por ele mesmo (para obter valor igual a 1) e, na sequência, denominador pelo numerador. 4) E = 1:8.000Fotogrametria e fotointerpretação 11 De posse da escala e das dimensões da fotografia aérea, é possível calcular a área coberta por essa imagem, que tem uma dimensão útil de 23 cm (excluindo as áreas de sobreposição). Para calcular a área, aplica-se a seguinte relação matemática: E, em seguida, Onde: L = medida do lado da foto; = dimensão útil da fotografia aérea; E = escala da fotografia aérea. Exemplo Considere uma fotografia aérea com dimensão útil de 23 cm e escala de Resolução: Outra informação importante sobre as fotografias aéreas é a área de recobrimento do terreno, utilizada para definir número de fotografias correspondentes à cobertura de uma área de interesse, como, por exemplo, quantas fotografias deverão ser utilizadas na sua área de estudo. Considerando que a cobertura aérea deve atender a sobreposição longitudinal de 60% e de 30% entre as faixas laterais, a área de cobertura única de uma fotografia (sem sobreposição) corresponde ao produto da dimensão representativa de 40% (100% menos 60%) longitudinalmente e 70% (100% menos 30%) de faixa lateral. Com isso, para estabelecer a área de cobertura única da fotografia, aplica-se a seguinte relação matemática: única = 28% X foto12 Fotogrametria e fotointerpretação Sendo 28% uma constante, que representa percentual útil do modelo Tem-se: Área única Para definir a quantidade de fotos necessárias para cobrir uma área, por exemplo, de 100 é preciso somente dividir valor da área de interesse pelo valor da área de cobertura única da foto e acrescentar 15% no número de fotos por segurança. Assim: - Área. fotos = 100 = 105 fotos + 15% de segurança Área 0,95 única Com esses valores, é possível fazer todo planejamento do estudo da área de interesse, bem como estabelecer os custos necessários, na aquisição das imagens, e tempo estimado na interpretação e na análise das fotografias aéreas. Elementos para interpretação de imagens As imagens obtidas por meio dos sensores remotos registram a energia captada do objeto observado no terreno. Independentemente da resolução ou da escala das imagens, apresentam elementos básicos para sua interpretação e análise, permitindo o estabelecimento de chaves de interpretação para as fotografias e imagens. Observar a superfície da Terra a partir de uma perspectiva aérea permite identificar objetos, padrões, fenômenos e interações que ocorrem no Planeta e que dificilmente seriam compreendidos com um visada terrestre por conta do alcance do olho humano. O desafio é observar e interpretar ao mesmo tempo uma área extensa de vários metros quadrados ou quilômetros quadrados; portanto, esse exercício de análise de fotografias e imagens aéreas requer treinamento e prática A partir dos elementos ou variáveis de tonalidade, cor, textura, tamanho, forma, sombra, altura, padrão e localização, é possível extrair informações de objetos, áreas e fenômenos das fotografias e imagens, mudando apenas o seu significado. A tonalidade em diferentes níveis de cinza (do preto ao branco) está relacionada com a quantidade de energia refletida ou absorvida por umFotogrametria e fotointerpretação 13 determinado objeto do terreno. Ou seja, se o objeto reflete mais energia do que absorve, a sua tonalidade será próxima do branco e, se absorver mais energia do que refletir, tenderá ao preto, conforme apresenta a Figura 7. serra do Mar Ubatuba oceano Atlântico Figura 7. Diferenças de tonalidades dos objetos na superfície terrestre. Fonte: Florenzano (2011, p. 53). Nota-se, na Figura 7, que a área urbana, a qual está refletindo muita energia, apresenta tonalidades claras, enquanto a água do mar e a vegetação densa, que absorvem muita energia, são representadas por tonalidades mais escuras. Com isso, é necessário ter habilidade e muito treino na observação e na interpretação das imagens e fotografias aéreas pancromáticas (tons de preto ao branco). Embora o olho humano possa diferenciar muitos tons de cinza, não está acostumado a enxergar os objetos nessas tonalidades. A cor é o elemento que permite a análise das variações de energia refletida ou emitida pela su- perfície fotografada ou imageada a partir de diferentes cores. As fotografias e imagens aéreas coloridas são mais facilmente interpretadas, havendo um grande ganho de informação visual na composição colorida. Também podem apresentar combinações de cores que representam a cor real do objeto ou de cores distintas, que destacam algum elemento de interesse de forma mais evidente, chamadas de composição falsa-cor (Figura 8).14 Fotogrametria e fotointerpretação Figura 8. Imagem de satélite de alta resolução de Dubai, obtida com satélite Sentinel e composição das bandas para a obtenção de falsa-cor. Fonte: TommoT/Shutterstock.com A textura é outro elemento muito importante na interpretação e refere- -se ao aspecto liso (uniforme) ou rugoso dos objetos visualizados, contendo informações em relação às variações (frequência de mudanças) de tons, níveis de cinza ou cor de uma imagem. Na Figura 9, pode-se observar a textura em relação ao relevo, onde as áreas que apresentam mais rugosidade têm relevo mais ondulado, com declividades mais fortes, enquanto áreas com representação de uma textura mais lisa têm relevo mais plano Figura 9. Imagem de satélite de alta resolução do parque nacional do Grand Canyon com diferentes texturas obtida com satélite Sentinel. Fonte: TommoT/Shutterstock.comFotogrametria e fotointerpretação 15 O tamanho é o elemento que tem relação com a escala da fotografia ou imagem aérea. Possibilita realizar a distinção dos objetos do terreno avaliando a sua extensão, medindo comprimento (m), largura (m), perímetro (m), área e/ou volume e comparar aos objetos vizinhos (Figura 10). Figura 10. Tamanho do estádio do em relação à sua vizinhança. Fonte: Florenzano (2011, p. 56). Jensen (2009) afirma que o tamanho de um objeto é uma das características mais distintivas e importantes durante a interpretação do terreno, de modo que o analista pode excluir ou inferir muitas alternativas possíveis. A forma é também um elemento de grande relevância na interpretação, e alguns objetos, feições e superfícies são identificados apenas com base nesse elementos ao descrever sua forma (linear, curvilínea, circular, triangular, elíptica, radial, retangular, etc.). É o caso de estruturas ou elementos lineares, como estradas e rios, identificados facilmente, e áreas de agricultura com presença de pivôs centrais para irrigação, com forma circular, ou talhões de culturas, entre outras (Figura 11).16 Fotogrametria e fotointerpretação Figura 11. Formas geométricas de uma área de agricultura com diferentes culturas. Fonte: Budimir Florenzano (2011) salienta, ainda, que formas irregulares indicam objetos naturais (matas, relevo, etc.) e formas regulares, objetos artificiais (constru- ídos pelo homem), como indústrias, aeroportos, áreas de reflorestamento e agrícolas, etc. Outro elemento que auxilia a interpretação é a sombra, que pode apresentar características da forma e dos tamanhos dos objetos no terreno. No entanto, também pode causar algumas complicações, pois esconde a superfície, podendo prejudicar a interpretação desses objetos. Por isso, a tomada das fotografias e imagens aéreas deve ser realizada por volta do horário de meio-dia, para que apresente a menor sombra possível. o padrão é o elemento que se refere ao arranjo espacial e à organi- zação na superfície, demonstrando como os objetos estão dispostos no terreno e quais podem estar de maneira aleatória ou ordenada. A partir desse elemento, também podem ser observados os padrões espaciais das unidades residenciais e o arruamento de um bairro, que podem auxiliar na aferição do nível socioeconômico de seus moradores, como pode ser observado na Figura 12.Fotogrametria e fotointerpretação 17 ogle Earth Figura 12. Diferenças no padrão de ocupação em uma área no município do Rio de Janeiro/RJ. Fonte: Google Data da imagem: 30/06/2018. Por fim, a localização geográfica pode auxiliar na resolução de dúvidas quanto à interpretação dos objetos, sendo um critério de exclusão para objetos que não estariam dispostos em determinada porção do terreno de acordo com a sua localização - por exemplo, na identificação de tipos de vegetação que são predominantes em localidades específicas da superfície terrestre. As observações dos elementos em fotografias ou imagens auxiliam no esta- belecimento de chaves de interpretação para os objetos ou alvos da superfície terrestre. Cada tipo de fotografia e imagem, a depender das suas características específicas, pode ter uma chave de interpretação construída por seu intérprete. As chaves consistem na descrição de um conjunto de elementos de interpre- tação que caracterizam um determinado objeto. Elas sintetizam e orientam o processo de análise e interpretação de imagens. Utilizadas como guia, essas chaves ajudam o intérprete na identificação correta de objetos e feições repre- sentados em uma fotografia aérea ou imagem orbital de maneira consistente e organizada (FLORENZANO, 2011, p. 61)18 Fotogrametria e fotointerpretação Com isso, devem ser caracterizadas as formas, os padrões, as tonalidades ou cores, o tamanho e a textura dos elementos identificados na fotografia ou imagem específica para a montagem de uma chave de interpretação única, sendo que cada produto pode apresentar chaves de interpretação diferentes. Referências FITZ, P.R. Cartografia básica. 2. ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2008. FLORENZANO, T. G. Iniciação em sensoriamento remoto. 3. ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2011. FONTES, L. C. A. A. Fundamentos de aerofotogrametria aplicada à topografia. Salvador: Universidade Federal da Bahia, 2005. Disponível em: http://www.topografia.ufba.br/ Acesso em: 29 out. 2019. G.I.S. IBÉRICA. Estereoscopos. 2003. 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In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CARTOGRAFIA, 21., Anais [...]. 2010. THOMPSON, M. M. (Ed.). Manual of Photogrammetry. Falls Church: American Society of Photogrammetry, 1966.Encerra aqui trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra.Conteúdo: S a SOLUÇÕES GaH EDUCACIONAIS INTEGRADAS