Ortorretificação, como funciona?

Você sabe como funciona o processo de ortorretificação e quais os resultados obtidos com este processamento?

Na publicação anterior nós explicamos o que é ortorretificação e para que serve. Agora, entenda como funciona!

O ponto de partida neste processamento é uma imagem georreferenciada que vai se tornar ortorretificada. Frequentemente, o georreferenciamento inicial da imagem é feito a partir dos parâmetros orbitais do satélite ( informações fornecidas pelo satélite junto com a imagem bruta) e tem uma precisão limitada pela precisão do sistema de GPS e de controle de atitude do satélite. Esta precisão pode ser melhorada a partir do georreferenciamento com pontos de controle coletados em campo.

Matéria prima

Para ortorretificar uma imagem, são necessários no mínimo dois ingredientes básicos, e um terceiro opcionalmente:

• Um Modelo de Elevação, que é uma informação em forma de imagem (Raster) que retrata a topografia do local recoberto pela imagem que será ortorretificada.  O formato preferido para este dado é um Modelo Digital de Terreno, (MDT) no qual a vegetação e as edificações foram removidas, ou seja, é a altimetria a partir do nível do chão sem qualquer objeto. Senão houver  MDT, o Modelo Digital de Superfície (MDS), que é a altimetria no topo da vegetação e das edificações pode igualmente ser usado.
• Os Coeficientes Polinomiais Racionais (RPCs) ou parâmetros orbitais, fornecidos pela estação com a imagem bruta, que retrata especificamente a atitude do sensor com relação a superfície da Terra no exato momento em que a imagem foi gerada.
• Opcionamente, pra se obter o melhor resultado na ortorretificação, se recomenda utilizar pontos de controle (ou de apoio) no chão, que são pontos na imagem, que sejam de fácil localização, nitidamente visíveis na imagem e  facilmente localizados e acessados no solo para terem suas coordenadas medidas por GPS para servirem de base de referência ou amarração no processo de ortorretificação.

Quando a ortorretificação é realizada usando um Modelo Digital de Elevação (seja de terreno ou de superfície), os RPCs do sistema imageador e os pontos de controle,  então as informações reunidas permitem alcançar um resultado de grande precisão de localização cartográfica.

Quanto mais preciso, e maior a resolução do MDT ou MDS e dos pontos de apoios, melhor será a precisão de localização final do produto ortorretificado. Você poderá consultar em outro post deste blog a metodologia de se medir a precisão cartográfica de uma imagem.

Remover a influência do relevo é um dos objetivos mais importantes do processo de ortorretificação. O efeito do relevo no momento do imageamento distorce a posição dos alvos para uma posição externa com relação ao centro da câmera. Por esta razão, o processo de ortorretificação tem um impacto mais forte nas áreas de relevo acentuado. Em regra geral, ao ortorretificar uma imagem de alta resolução, se deve usar um modelo de elevação de 10 m de resolução ou melhor.  Em áreas montanhosas, se recomenda usar um modelo de elevação de maior resolução ainda.  Obviamente, um modelo mais preciso é o ideal, porém, em muitos casos, não existe disponibilidade de modelos tão precisos, e criar um seria muito caro ou levaria muito tempo. Então na prática o que realmente conta é a acessibilidade.

Métodos

Dois métodos podem usados para ortorretificar imagens com qualidade.

• O mais comum é o método analítico, que não se preocupa com as especificidades ou a geometria de coleta do dado, mais que se remete exclusivamente ao RPC (Coeficientes Polinomiais Racionais) para implementar a ortorretificação. As vantagens deste método é que ele é fácil para ser implementado porque não requer informações geralmente confidenciais e não publicadas sobre o modelo de cada sensor.
• O segundo método de ortorretificação é baseado em modelos físicos  que tomam em conta inúmeros fatores que influenciam o resultado no momento do imageamento. Um dos mais conhecidos é chamado de "modelo rigoroso" ou "modelo de câmera". Eles se baseiam em informações específicas de cada sensor e pode ser obtido junto ao operador do sistema de coleta de dados.  Por esta razão, muitos softwares comerciais de processamento de imagens não possuem  este método. Este modelo toma em conta inúmeros fatores técnicos não levados em conta no método analítico, tal como a posição exata do satélite no espaço no momento do imageamento, as características eletrônicas e óticas do sistema e os efeitos atmosféricos.  Esta metodologia leva a resultados mais precisos, porém, a melhora é mínima e talvez não justifica o trabalho e a dificuldade adicional.

Observação

A luz deste exemplo, veja a importância de ter um modelo de altimetria compatível com a realidade do local recoberto pela imagem ortoretificada.

Na parte superior,  a imagem PLEIADES modo PSM de 50 cm de resolução sobre o Rodoanel no sul da cidade de São Paulo, ortoretificada com um modelo de altimetria anterior as obras de terraplanagem para a construção da rodovia. A estrada está sinuosa pois na altimetria ainda tem morros no local da estrada...

Na parte inferior,  a imagem PLEIADES modo PSM de 50 cm de resolução sobre o Rodoanel no sul da cidade de São Paulo, ortoretificada com um modelo de altimetria posterior as obras de terraplanagem para a construção da rodovia realizado com dados LiDAR. A estrada está reta pois a ortoretificação tomou em conta as alterações da altimetria introduzidas com a terraplanagem, o espaço ocupado pela estrada é conforme a realidade do local. 

Veja a seguir um exemplo de relatório de ortoretificação fornecido ao cliente junto com a ART para certificar a data da imagem e a precisão absoluta de localização resultante do processamento: Exemplo de Relatorio Final de Ortoretificação com pontos de controle em campo

É um processo que visa corrigir uma imagem, de modo que cada pixel é colocado na posição geométrica teórica como se eles tivessem sido imageados na vertical ou mais próximo desta situação. Desse modo, a ortorretificação tem por objetivo gerar uma imagem em que as distorções internas (do sistema)  e externas (da paisagem) são corrigidas, tornando as coordenadas mais precisas, e corrigindo os efeitos de perspectivas e a influência do relevo (vales e morros) sobre a geometria da imagem.

Com as medidas de distâncias, áreas e direções mais precisas, a imagem ortorretificada pode ser considerada um produto de maior qualidade cartográfica, pois está mais fiel a realidade e oferece melhores resultados nos trabalhos de engenharia.

Porém, pode-se afirmar que é impossível remover todas as distorções geométricas de uma imagem, já que visualizamos o dado num plano, através da tela do computador ou no papel, enquanto a superfície da Terra é curva.

 Ilustração: David DiBiase, Penn State University

As ilustrações acima são um exemplo. Mostram um caminho cortando uma área florestal, no sentido noroeste para sudeste. Do lado direito, temos a imagem resultante da ortorretificação, na qual é fácil perceber que a distorção no caminho, que aparecia ondulado próximo ao rio, foi corrigida, e a estrada ficou reta. Isto acontece porque o efeito causado pela topografia do local foi corrigido.

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Esta publicação foi escrita por Laurent Martin, formado em Agronomia e com Mestrado em Sensoriamento Remoto Aplicado no Reino Unido, é responsável pela direção da EngeSat.