Apostila ( 13 )- Topografia

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Autora:

Profª Maria Cecília Bonato Brandalize – PUC-PR

18. Fotogrametria

18.1. Definição de Fotogrametria

a)Ciência e arte de obter medidas dignas de confiança utilizando-se fotografias (American Society of Photogrammetry).

b)Ciência, tecnologia e arte de obter informações seguras acerca de objetos físicos e do meio, através de processos de registro, medições e interpretações de imagens fotográficas e padrões registrados de energia eletromagnética (Photogrammetric Engineering and Remote Sensing).

18.2. Objetivo

Realizar medições sobre fotografias para a elaboração de mapas topográficos/geodésicos planialtimétricos.

18.3. Divisão

a)Métrica: realiza medidas precisas e computações para a determinação da forma e tamanho dos objetos fotografados.

b)Interpretativa: lida com o reconhecimento e a identificação destes mesmos objetos. Dentre elas, podemos encontrar:

b.1)Sensoriamento Remoto: ciência cujos aparelhos são capazes de captar e registrar características das superfícies, sub-superfícies e de corpos sobre as superfícies, abrangendo, em seu mais alto grau, instrumentos que não requerem contacto físico com estes corpos para a coleta das informações desejadas. Capta imagens através de câmaras multiespectrais, sensores infravermelho, scanners térmicos, radares, microondas ...

b.2)Fotointerpretação: é o estudo sistemático de imagens fotográficas para propósitos de identificação de objetos e julgamento da sua significância. Sua finalidade é o levantamento de mapas temáticos.

Tanto o Sensoriamento Remoto como a Fotogrametria Métrica estão sendo largamente empregados como ferramenta no planejamento e gerenciamento de projetos que envolvem o meio ambiente e/ou recursos naturais. Ambos são utilizados como base de dados gráfica para projetos de SIG (Sistemas de Informações Geográficas) ou Geoprocessamento.

18.4. História

Embora os princípios da projeção ótica de imagens tivessem surgido 350 a.C., com Aristóteles, a Fotogrametria só foi empregada pela primeira vez em 1849, pelo exército francês e, portanto, logo após o surgimento do primeiro processo fotográfico prático, em 1839.

18.5. Aplicações

As principais são:

a)Elaboração de

mapas topográficos (planialtimétricos)

mapas temáticos (solos, vegetação, relevo)

fotoíndices e mosaicos

Segundo a finalidade a que os mapas se destinam, define-se:

a escala da fotografia

o tipo de câmara a ser utilizada

o tipo de filme

a quantidade de pontos de apoio etc.

b)Projetos

rodoviários

ferroviários

de obras de artes especiais como: pontes, bueiros, encanamentos, oleodutos, linhas de transmissão, barragens...

de controle à erosão

de controle às cheias

de melhoramento de rios e portos

de planejamento e desenvolvimento urbano e rural

de restauração/conservação de patrimônios

ambientais

c)Estudos

pedológicos (ou de solos)

florestais

geológicos

climáticos

médicos e cirúrgicos (através de fotografias de raio X)

d)Tributação e cadastramento

urbano

rural

19. Classificação

Se faz segundo o tipo e posição espacial da câmara e segundo a sua finalidade.

a)Fotogrametria Terrestre

Utiliza-se de fotografias obtidas de estações fixas sobre a superfície do terreno, com o eixo ótico da câmara na horizontal. (Fotografias horizontais)

·· Topográfica: utilizada no mapeamento topográfico de regiões de difícil acesso.

·· Não Topográfica: utilizada em atividades policiais, na solução de crimes e de problemas de tráfego (acidentes de trânsito); na medicina, em tratamentos contra o câncer; na indústria, na construção de barcos ou no estudo das deformações de um determinado produto; etc..

b)Fotogrametria Aérea

Utiliza-se de fotografias obtidas de estações móveis no espaço (avião ou balão), com o eixo ótico da câmara na vertical (ou quase).

c)Fotogrametria Espacial

Utiliza-se de fotografias obtidas de estações móveis fora da atmosfera da Terra (extraterrestres) e das medições feitas com câmaras fixas (também chamadas câmaras balísticas) na superfície da Terra e/ou da Lua.

Quando a Fotogrametria (aérea, terrestre ou espacial) utiliza-se do computador para a elaboração de mapas, ou seja, todo o processo de transformação da imagem fotográfica em mapa é realizado matematicamente pelo computador, diz-se que aquela é Numérica.

Atualmente, além do processo de transformação da imagem fotográfica em mapa ser realizado pelo computador, o produto que gerou o mapa, no caso a fotografia, e o próprio mapa gerado, podem estar armazenados em meio magnético na forma de imagem. Neste caso, a Fotogrametria passa a ser denominada Digital.

20. Problemas da Fotogrametria

Estão relacionados com:

a)As condições de obtenção e preservação dos negativos e seus produtos.

posição do avião (linha e altura);

distorção das lentes e imperfeições óticas;

estabilidade da câmara (inclinação e choques);

invariabilidade do filme (material);

condições atmosféricas;

processos e produtos da revelação.

b)A transferência das informações contidas nos negativos (originais) para o papel (carta ou mapa).

equipamentos;

operadores.

c)A superfície terrestre, que não é plana, horizontal e lisa.

modelo matemático utilizado (elipsóide);

a imagem fotográfica, distorcida, não representa a realidade.

21. Câmaras Fotogramétricas

21.1. Considerações Gerais

Toda câmara fotográfica constitui uma imitação grosseira do olho humano e, como tal, está sujeita a limitações quando da obtenção de informações, registrando apenas a faixa visível do espectro eletromagnético.

A concepção básica de qualquer câmara é a mesma.

Trata-se simplesmente de uma caixa com uma de suas faces internas sensibilizada quimicamente, tendo, na face oposta a esta, um pequeno orifício. Esta abertura é feita de forma a permitir que a luz refletida/emitida por uma cena entre na caixa e atinja a face sensível (filme), registrando assim a imagem.

Existem dois tipos de câmaras fotogramétricas: a terrestre e a aérea.

21.2. Câmara Terrestre

Características:

permanece fixa durante o tempo de exposição;

o objeto fotografado geralmente está fixo;

o tempo de exposição do filme é relativamente longo e só diminui quando o objeto a ser fotografado estiver em movimento;

utiliza emulsão de baixa sensibilidade e de granulação fina;

o formato do filme é pequeno;

seu funcionamento pode ser manual ou automático.

 

21.3. Câmara Aérea

Características:

está em movimento (velocidade constante) durante o tempo de exposição;

o objeto fotografado pode ser fixo ou móvel;

o tempo de exposição é bastante curto;

o obturador é de altíssima eficiência (95%);

utiliza emulsão de altíssima sensibilidade;

apresenta grande capacidade de armazenamento de filme;

o formato do filme é grande;

o filme é planificado durante o tempo de exposição;

seu funcionamento é todo automático.

21.4.Comparação entre uma Câmara e o Olho Humano

Câmara:

imitação grosseira do olho humano;

registra a informação luminosa através do filme;

o registro é feito num pequeno intervalo de tempo, quase que instantaneamente (1/2000 s);

o raio luminoso passa por uma proteção que é o filtro;

o  diâmetro  do  feixe  luminoso, conforme sua intensidade, é controlado pelo diafragma;

para a formação da imagem, utiliza-se de um sistema de lentes convergente;

todo mecanismo mencionado acima está envolvido por uma armação.

Olho Humano:

câmara fotográfica perfeita;

registra a informação luminosa através da retina (cujo ponto principal é a fovea);

o registro é feito continuamente e ao mesmo tempo;

a interpretação da informação, feita pelo cérebro, é instantânea;

o raio luminoso passa por uma proteção que é a córnea;

o diâmetro do feixe luminoso, conforme sua intensidade, é controlado pela membrana íris;

para a formação da imagem, utiliza-se do cristalino;

está envolvido pela esclerótica.

22. Câmaras Aéreas

As câmaras aéreas, já mencionadas anteriormente, estão classificadas em relação:

22.1. Ângulo de Campo

Ângulo de Campo (a) é o ângulo de abrangência da câmara.

Tipos de câmaras:

a)Pequeno: a < 50°

Obtém fotografias de ângulo pequeno.

Empregada em:

Trabalhos de reconhecimento com fins militares.

Vôos muito altos, para a confecção de mapas de áreas urbanas densas.

Confecção de ortofotomapas e mosaicos de áreas urbanas com construções muito altas.

b)Normal: 50° £ a < 75°

Obtém fotografias de ângulo normal.

Empregada em:

Trabalhos cartográficos (confecção de mapas básicos).

Confecção de mosaicos e ortofotomapas de áreas urbanas não muito densas.

Mapeamento de regiões com muita cobertura vegetal.

c)Grande-angular: 75° £ a < 100°

Obtém fotografias de ângulo grande.

Empregada em:

Trabalhos cartográficos com maior economia.

Serviços de aerotriangulação.

Confecção de mapas topográficos.

Confecção de mapas em escalas grandes.

Medições fotográficas.

d)Super-grande-angular: a ³ 100°

Obtém fotografias de ângulo muito grande.

Empregada em:

Trabalhos cartográficos com a vantagem de uma cobertura fotográfica muito maior.

22.2. Distância Focal

a)Pequena: 55 £ f £ 100mm.

Associada a uma câmara super-grande-angular.

Emprego: cartografia convencional.

b)Normal: 152 £ f £ 210mm.

Associada a uma câmara grande-angular ou normal.

Emprego: cartografia convencional.

c)Grande: 305 £ f £ 610mm.

Associada a uma câmara de ângulo pequeno.

Emprego: militar (trabalhos de reconhecimento).

22.3. Formato

a)Com Formato:

os filmes são marcados de modo a permanecerem fixos durante o tempo de exposição;

estas marcas podem ter: 18x18cm, 12x18cm, 6x9cm e 23x23cm, ou ainda, 23x46cm (formato especial).

b)Sem Formato:

São de dois tipos:

b.1)Faixa Contínua:

a passagem de luz é contínua e é feita através de uma fenda;

o avanço do filme é sincronizado com a velocidade da imagem.

Obtém fotografias de faixa contínua.

b.2)Panorâmica:

utiliza um sistema de varredura lateral (abertura de até 180°) que é perpendicular à linha do vôo;

utiliza-se de mecanismos óticos giratórios para a varredura.

Obtém fotografias panorâmicas.

22.4. Inclinação do Eixo Ótico

a)Verticais:

o eixo ótico da câmara pode estar inclinado entre 0° e 3°.

Obtém fotografias verticais.

b)Oblíquas:

o eixo ótico da câmara possui uma inclinação entre 3° e 90°.

Obtém fotografias oblíquas Altas (na qual aparece o horizonte) e fotografias oblíquas Baixas (na qual não aparece o horizonte).

22.5. Uso ou Finalidade

a)Cartográfica ou Métrica:

seus elementos de orientação interna são perfeitamente conhecidos e de alta precisão.

Obtém fotografias cartográficas.

b)Reconhecimento:

seus elementos de orientação interna não são conhecidos com exatidão.

Obtém fotografias de reconhecimento.

c)Especial:

são  câmaras  modificadas  para  a  obtenção  de  fotografias especiais. Ex.: fotografias Trimetrogon, Multiespectrais, Convergentes Simétricas e Assimétricas, e Transversais.

23. Principais Elementos da Câmara Métrica Aérea

Das câmaras métricas são exatamente conhecidos os valores: da distância focal, da posição das marcas fiduciais, do eixo ótico, do plano focal e do formato.

Os elementos principais desta câmara são:

23.1. Corpo

pode ser parte integrante do cone ou ser independente;

contém um mecanismo-guia (manual ou automático) que fornece e controla a energia destinada a operar a câmara;

este mecanismo obedece a um ciclo que envolve, entre o término de uma exposição e o início de outra os seguintes passos:

1o. Interromper o sistema de vácuo (liberar o filme)

2o. Avançar o filme

3o. Acionar o sistema de vácuo (planificar o filme)

4o. Fazer nova exposição (acionar o obturador)

23.2. Magazine

compartimento fechado onde estão acondicionados os rolos de filme (expostos e não expostos) e também os mecanismos de planificação e avanço do mesmo;

o filme pode ser planificado por: tensão, peso, pressão e vácuo;

os filmes podem ser de 120m e Æ = 0,13mm ou de 150m e Æ = 0,10mm.

23.3. Cone

compartimento hermeticamente fechado que suporta:

a)Objetiva ou Sistema de Lentes

Lentes: estabelecem a convergência dos raios luminosos procedentes de um número infinito de pontos objetivos da superfície terrestre, projetando-os sobre o plano focal.

Algumas definições básicas:

Eixo Principal ou Eixo Ótico: a reta determinada pelos centros de curvatura das superfícies esféricas que formam as faces da lente. Este passa pelo centro da fotografia ou ponto principal (PP).

Centro Ótico: o ponto (no sistema de lentes) onde os raios incidem e não sofrem desvios (H).

Ponto Focal: ponto de convergência dos raios incidentes paralelos ao eixo ótico e situado sobre este eixo. Todos os raios se cruzam neste ponto, também chamado de Foco (F).

Plano Focal: plano perpendicular ao eixo ótico e que passa pelo ponto focal. Também chamado de plano imagem ou plano de foco infinito.

Distância Focal: distância entre o ponto focal (no plano focal) e o centro ótico (do sistema de lentes) (f).

Fórmula das Lentes

A lei fundamental das lentes, aplicada a objetos situados a uma distância finita das lentes, nos diz que: "A recíproca da distância focal é igual à soma das recíprocas das distâncias entre a imagem e o objeto".

onde

i é a distância imagem (das lentes ao plano focal)

o é a distância objeto (das lentes ao objeto)

Para as câmaras métricas, o objeto fotografado se encontra praticamente no infinito e, em decorrência disso, 1/o tende a um valor nulo. Portanto, seguindo a lei, i = f.

Desta forma, por estar o objeto fotografado a uma distância muito grande das lentes, consideram-se os raios de luz por ele emitidos/refletidos como praticamente paralelos.

Conclusão: a)O plano de exposição do filme (onde o mesmo é planificado) coincide com o plano focal das lentes da objetiva, ou seja, as imagens se formam neste plano focal; b)Quanto mais distante o objeto da câmara, mais próximo das lentes estará o ponto focal.

Qualidade das Lentes

As lentes, por não serem perfeitas, produzem uma imagem imprecisa. Estes defeitos da imagem recebem o nome de aberrações.

A combinação de lentes e de alguns elementos adicionais podem minimizar estes defeitos. Entre eles:

aberração esférica

 causa: polimento das lentes

coma

 causa: polimento das lentes

astigmatismo ou curvatura de campo

 causa: polimento das lentes

aberração cromática

 causa: diferentes características refrativas das várias cores que compõem a luz branca.

distorção radial

 causa: polimento das lentes

distorção tangencial

 causa: não centragem das lentes

As quatro primeiras aberrações prejudicam a nitidez da imagem fotográfica (círculo de confusão), enquanto que as distorções prejudicam a geometria (posição) dos objetos na imagem.

O valor da distorção deve ser corrigido pois varia de 2 a 50 micras, dependendo da câmara utilizada.

Exemplos de objetivas usadas em câmaras métricas:

1)f = 88mm, distorção de 7 micras.

2)f = 152mm, distorção de 2 micras.

3)f = 210mm, distorção de 4 micras.

4)f = 305mm, distorção de 3 micras.

5)f = 610mm, distorção de 50 micras.

O poder de resolução das lentes é um aspecto importante e é definido como a medida da capacidade da lente em separar detalhes pequenos e próximos uns dos outros ou objetos de maior ou menor nitidez.

Diafragma: é o elemento que controla a quantidade de luz que atinge o filme durante o tempo de exposição, isto é, determina a abertura física da lente permitindo maior ou menor iluminação da imagem.

A iluminação da imagem está relacionada à distância focal e à abertura (circular) do diafragma.

É proporcional à quantidade de luz que passa através da abertura das lentes (diafragma) e à área de abertura (pd2/4) e, portanto, proporcional a d2.

A iluminação da imagem também é afetada pela distância imagem na seguinte proporção:

1/i2 = iluminação

Para o objeto situado no infinito, i = f, portanto:

1/f2 = iluminação

De onde deduz-se que:

d2/f2 = diâmetro do diafragma / distância focal = iluminação

d/f = fator de iluminação ou brilho

f /d = índice do diafragma ou "f-stop"

Os valores mais comuns de "f-stop" são: 4,0; 5,6; 8,0 e 11,3.

Quanto menor for o valor de "f-stop", maior será a abertura do diafragma e, conseqüentemente, maior será a iluminação da imagem.

Obturador: controla o tempo de exposição da imagem, ou seja, o tempo durante o qual a luz passa através da lente. Medido em fração de segundos, deve variar em relação à velocidade do avião, à altura de vôo e à iluminação da imagem.

Os intervalos de um obturador, quanto ao tempo de exposição, variam de 1/100 a 1/2000 do segundo.

Nenhum obturador possui, na prática, 100% de rendimento. Este rendimento é influenciado pelos seguintes fatores:

Diâmetro de abertura

Ajuste da velocidade (abertura e fechamento)

Modelo e posição do obturador

Assim, a EXPOSIÇÃO TOTAL da imagem é dada pela relação:

área diafragma x tempo exposição

Filtros: permitem reduzir os efeitos da bruma atmosférica (poeira), fazem a distribuição homogênea da luz, protegem a lente contra partículas em suspensão durante a decolagem e o pouso do avião e permitem a absorção de cores para evidenciar contrastes entre os objetos fotografados.

Os filtros, assim como os objetos, absorvem algumas cores da luz, deixando passar outras.

O tempo de exposição da imagem deve ser maior quando se utilizam filtros.

A tabela abaixo indica o tipo e a finalidade dos filtros empregados em aerofotogrametria.

Filtro

Finalidade

Vermelho

absorve o azul, o vermelho e o ultravioleta

clareia objetos vermelhos e amarelos, escurece o azul da água e do céu, elimina a névoa

Verde

absorve o azul, o vermelho e o ultravioleta

escurece o céu e clareia a vegetação

Azul

absorve o vermelho, o amarelo, o verde e o ultravioleta

clareia os objetos azuis e acentua a névoa e a bruma

Amarelo

absorve o azul e o ultravioleta

escurece o azul do céu e destaca as nuvens.

Ciano

absorve o vermelho

ressalta objetos azuis e verdes

Magenta

absorve o verde

ressalta objetos vermelhos e azuis

Polarizador

elimina reflexos e brilhos causados pelo ultravioleta e pelo azul

escurece o céu, clareia as nuvens e elimina o brilho das superfícies aquáticas

b)Cone Interno

Sua função é servir de suporte à objetiva (sistema de lentes) e ao marco (plano focal). O material com que é fabricado possui um coeficiente de dilatação térmica bem pequeno a fim de manter as lentes, seu eixo ótico e o marco em posição rígida (calibrada).

O marco, além de definir o plano focal, contém outros elementos que ficam registrados na imagem do negativo durante a exposição. São eles:

altímetro: registra a altitude de vôo num intervalo de 0 a 9000 metros.

relógio: registra o instante da tomada da fotografia. Utilizado para determinar a altura de objetos verticais (árvores, edifícios) pelo método da altura do sol e outros.

nível de bolha: registra a inclinação da câmara no instante da tomada da fotografia. A inclinação registrada pode variar até 5°.

identificação da câmara: registra a distância focal, a marca, o tipo e o número de série da câmara utilizada. Serve para controle dos intervalos de calibração.

marcas fiduciais: normalmente quatro, definem o formato (tamanho) da imagem. Podem estar localizadas no centro das bordas do plano focal ou nos cantos deste. A interseção destas marcas define o ponto principal da fotografia (PP).

número de ordem das fotografias: registra um número seqüencial em cada fotografia, para controle posterior das faixas e blocos.

indicador do sistema a vácuo: registra uma letra na borda da fotografia se o sistema a vácuo da câmara estiver funcionando perfeitamente, caso contrário, não registra nada.

23.4. Acessórios

servem para garantir o correto posicionamento da câmara e facilitar a navegação aérea. Os principais são:

a)Sistema de Suspensão

Também chamado de "berço" da câmara, é o dispositivo sobre o qual a câmara é apoiada, mantendo os seus graus de liberdade de rotação no espaço, minimizando os efeitos da vibração do avião e conservando o eixo ótico o mais vertical possível.

Quanto ao apoio da câmara sobre o berço, temos:

Montagem fixa: a câmara é fixada no avião através de marcos metálicos e isolada com borracha ou esponja para protegê-la das vibrações.

Montagem azimutal: a câmara é fixada como para a montagem anterior, adicionando-se ao conjunto um anel que irá permitir uma rotação da mesma em torno do  próprio eixo, de ±30°.

Montagem sobre plataforma estabilizada: permite que sempre haja a coincidência do eixo ótico da câmara com a direção vertical (vertical do lugar).

b)Sistema de Controle

Permite controlar todos os fatores que afetam a tomada das fotografias aéreas, entre eles:

o funcionamento da câmara;

o sistema de vácuo;

o avanço do filme;

a quantidade de filme usado;

o tempo de exposição;

a abertura do diafragma;

a iluminação e as condições atmosféricas.

c)Instrumentos Auxiliares de Orientação

Os principais são:

Giroscópio: mantém a câmara na posição vertical dentro de certos limites.

Apr: ou "analytical profile recorder", é um instrumento baseado na emissão de ondas eletromagnéticas que tocam o solo e são refletidas para o aparelho situado a bordo do avião. O intervalo de tempo decorrido desde a emissão até o retorno da onda é registrado e a altura do avião determinada com uma precisão de ±3 metros.

Intervalômetro: controla o recobrimento longitudinal das fotografias entre estações de exposição sucessivas com base na velocidade do avião e na escala.

Visor: é uma janela através da qual o operador da câmara observa a região que está sendo fotografada e, entre outras coisas, consegue identificar se o vôo está sendo realizado como planejado.

23.5. Relação entre os Elementos da Câmara

O ângulo de campo (a) é dado pela seguinte relação:

 

onde

d' = diagonal da fotografia

(não confundir com -d- diâmetro do diafragma)

Para uma fotografia quadrada, teremos:

Para uma fotografia retangular, teremos:

O rendimento de um obturador obedece a seguinte relação:

      e     

onde

Rt  =  rendimento teórico

Re  =  rendimento efetivo ou Eficiência

onde

t0  =  tempo total de exposição

te  =  tempo decorrido desde o início da abertura até o final

 do fechamento do obturador

t1  =  tempo que o obturador leva para abrir-se

t2  =  tempo que o obturador permanece aberto

t3  =  tempo que o obturador leva para fechar-se

23.6. Calibração da Câmara Aérea

Quando é fabricada e antes de ser posta em uso a câmara deve passar por um processo de calibração.

A calibração permite a determinação precisa de certas constantes da câmara que servirão para orientar os aparelhos que irão restituir (transformar em mapa) a imagem fotografada.

Os métodos utilizados na calibração de câmaras aéreas são:

1)De laboratório

2)De campo

3)Estelar

23.7. Exercícios

1.Qual é a distância imagem de um objeto situado a 50m de uma câmara com distância focal de 75mm?

2.Qual é a distância imagem de um objeto situado a 5000m de uma câmara com distância focal de 75mm?

3.Considerando-se uma câmara aérea de distância focal igual a 152mm com um formato de negativo de 23cmx23cm, calcular a abertura do ângulo de campo e, em função deste, determinar qual o tipo de câmara utilizado.

 

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