Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Projeto µVANT - uma parceria DNPM/UNB para desenvolvimento e uso de µVANTs
na fiscalização de atividades minerais não tituladas
Cristina Prando Bicho 1
Lenildo Santos da Silva 2
Waltudes Costa Medeiros1
Cristiano Alves da Silva1
Fernando Evangelista Kutchenski Junior 1
Rodolpho de Oliveira Gondim2
José Carlos de Santana Junior 1
Evangelos Dimitrios Christakou2
Helano Regis da Nobrega Fonteles 1
Arnaldo Bezerra Lopes de Almeida 1
1
Departamento Nacional de Produção Mineral - DNPM
S.A.N. Quadra 01 Bloco B 70.041-903, Brasil
{cristina.bicho, waltudes.medeiros, fernando.kutckshenki, cristiano.silva, helano.fonteles,
jose.santana, arnaldo.almeida}@dnpm.gov.br
2
Universidade de Brasília - UNB
Campus Universitário Darcy Ribeiro - 70.900-970- Brasília - DF, Brasil
{lenildo,evangelus}@unb.br
[email protected]
Abstract. This paper presents the results of the UAV Project, a partnership between UNB and DNPM focused
on development of UAVs and their use in monitoring irregular mining activities. High degree of informality,
inherent to these activities, makes it difficult to get reliable data about production aspects and location area. Use
of UAVs offers the possibility to acquire high temporal resolution data at very high spatial resolution, helping to
solve these problems. In addition, UAV has low-cost operation and maintenance, and can be used to acquire
data even in areas difficult to access or that present a risk to inspection activities. Equipment developed by UNB
fits into micro UAVs category and the main features are:1,90 meters wingspan; 1 kg payload; total weight of 2.5
kg; and 90 minutes autonomy. Results exceeded initial expectations, particularly regarding to high quality, high
resolution and accuracy of aerial photographs and data processing facility, based on automated methods. The
ability to use UAV without being noticed didn´t work in all circumstances, restricting the flagrant assessment.
The main restrictions to our UAVs operation are the reduced range (4km) and inability to fly with rain and
strong wind. Despite the limitations, advantages of using UAVs for mining inspection are incontestable and
DNPM will incorporate the technology in their routine.
Palavras-chave: UAV, mining, inspection, image processing, VANT, mineração, fiscalização, processamento
de imagens.
1. Introdução
A Diretoria de Fiscalização do DNPM possui uma coordenação específica (Coordenação
de Ordenamento da Extração Mineral - CORDEM) para fiscalizar as atividades minerais não
tituladas. Em virtude do alto grau de informalidade que caracteriza tais atividades, a obtenção
dos dados em campo apresenta diversos complicadores, tais como: evasão dos mineradores ao
verificar a presença dos fiscais; obtenção de informações pouco confiáveis sobre produção;
lavras numerosas, muitas vezes em áreas de difícil acesso, dispersas por uma grande extensão
geográfica; e, em alguns casos, riscos à integridade física dos fiscais de campo. Estes
obstáculo dificultam a elaboração de um diagnóstico e a proposição de soluções.
O uso do µVANT como plataforma de sensoriamento remoto possibilita a obtenção de
dados de altíssima resolução espacial e temporal, a um custo baixo de operação e manutenção,
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o que facilita o monitoramento da atividade, a delimitação da área de extração e a
identificação de aspectos da produção, tais como número de trabalhadores, equipamentos,
volume, dentre outros. O µVANT possibilita a fiscalização em áreas de difícil acesso e, em
muitos casos, é possível voar sem ser notado, o que permite a autuação em flagrante.
Diante da constatação da aplicabilidade da tecnologia a CORDEM criou um projeto, junto
à UNB, com o objetivo de: a) desenvolver µVANTs que atendam as demandas específicas da
fiscalização; b) definir metodologia para processamento das fotografias aéreas e vídeos
resultantes dos sobrevoos; 3) treinar equipes do DNPM para operar os equipamentos.
A Faculdade de Tecnologia da UNB possuía um protótipo de µVANT. Partindo-se deste
protótipo foram incorporadas modificações para se chegar a um equipamento melhor
adaptado às necessidades da Diretoria de Fiscalização do DNPM.
O µVANT desenvolvido pela UNB (figura 1) possui 1,90m de envergadura, capacidade
de carga paga (payload) de 1kg, peso total de 2,5kg, motor elétrico brushless, baterias com
capacidade de 5.000mAh, câmera de vídeo para transmissão da visão frontal e câmera para
registro fotográfico. Possui autonomia de 90min e o alcance de 4km a partir da base.
Figura 1 - Características do µVANT desenvolvido pela UNB para o DNPM.
O voo é todo controlado pelo piloto através da visualização, pelo monitor, do vídeo
executado on board e transmitido em tempo real. O sobrevoo pode ser feito tanto de forma
manual, onde o piloto controla todo o percurso do voo, quanto no modo automático. O piloto
automático é capaz de percorrer um voo pré-programado, onde se estabelece as coordenadas e
alturas dos pontos. A decolagem e pouso são realizadas manualmente pelo piloto.
2. Metodologia
Ensaios de campo foram planejados para avaliar o desempenho do µVANT nos diferentes
cenários de fiscalização mineral, levando-se em conta a variabilidade de relevos, dos métodos
de extração e dos bens minerais. Com base nos resultados definiram-se modificações no
protótipo da UNB para melhor atender as especificidades da fiscalização. As etapas de campo
serviram ainda para testar as diferentes configurações da aeronave e treinar os operadores de
VANTs.
Um aspecto crucial do projeto consistiu no treinamento dos operadores de µVANTs. O
treinamento foi realizado em cinco etapas: 1)Treinamento teórico e instrução de uso do
simulador; 2) Voo em simulador; 3) Voo em terceira pessoa - nesta etapa os profissionais
praticam voo com visão direta do aeromodelo; 4) Voo em primeira pessoa - consiste no
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treinamento de voo sem visão direta do aeromodelo. Nesta etapa, os aeromodelos são
reformulados para incorporar características que possibilite uma maior semelhança com os
µVANTs. O treinamento passa a ser realizado em duplas, de modo que as decisões em todas
as etapas (pré voo, voo e pós-voo) sejam tomadas em conjunto; 5) Operação de µVANTs.
O tempo de treinamento depende muito da habilidade e da dedicação do futuro piloto. No
total, seis profissionais do DNPM foram treinados, tendo sido necessário cerca de 15 meses e
mais de 260 horas de treinamento para cada piloto.
Visando aumentar a segurança da operação com µVANTs, criou-se uma norma, no
DNPM, para que todos os voos sejam realizados com a presença de dois pilotos.
O planejamento dos levantamentos em campo envolve a definição dos alvos da ação,
elaboração do plano de voo em software específico e gravação do plano no µVANT. Em
virtude dos limites do enlace do sinal entre equipamento e a base, e visando garantir a
segurança na fase de testes, os voos foram configurados para atingir uma distância máxima de
2,5km a partir da base. Ressalta-se que o alcance do µVANT entregue ao DNPM é de 4km.
Todos os voos, automáticos ou manuais, são desenvolvidos em altitudes que permitam a
visada direta entre o VANT e a base, de forma a garantir a transmissão de controle e de dados.
Sendo, então, imprescindível a avaliação do relevo no local. Nas operações de lançamento,
feitas por impulso manual, e pouso são consideradas as condições do vento e do espaço
necessário para aterrissar.
As etapas de campo foram desenvolvidas com finalidades específicas para o
desenvolvimento do projeto. Ensaios realizados na região do Seridó (RN/PB), Silvânia (GO)
e Pirenópolis (GO) serviram para identificar especificidades das operações da fiscalização;
propor e testar modificações no protótipo da UNB; e obter conjunto de fotografias aéreas para
análise da precisão e desenvolvimento de metodologia de processamento dos dados. As etapas
efetuadas na Chapada do Apodi (CE) e no Vale dos Dinossauros (PB) tiveram como foco
principal o treinamento dos pilotos e a avaliação do uso do equipamento em operações de
rotina.
Partindo da premissa que o DNPM irá utilizar o µVANT em diversas superintendências
do País, optou-se por utilizar softwares gratuitos para processamento em campo das imagens
obtidas. Após avaliar algumas opções disponíveis no mercado, optou-se pelo uso do software
ICE. Este software gera mosaicos sem levar em consideração as correções inerentes às
deformações do sensor e do relevo. O mosaico resultante não possui coordenadas geográficas,
mas através de um processo simples de georreferenciamento em ambiente SIG, atende boa
parte das demandas imediatas de campo que não necessitam de grande precisão locacional.
Para a geração de mosaicos controlados, foram testados softwares de processamento de
fotografias aéreas e imagens de satélite (INPHO, GRASS, ENVI e ERDAS) . Programas desta
natureza exigem um padrão de qualidade muito rigoroso para as fotografias aéreas, além de
ser necessário introduzir dados de calibração e distorções da câmera. O processamento é
bastante trabalhoso e demorado.
No decorrer do projeto, surgiram softwares direcionados ao processamento de dados
VANTs, tais como PIX4D, Dronemapper e Photoscan Professional. Os dois primeiros foram
testados na versão on line e, o último, através de uma licença temporária, em desktop. Nestes
programas, não é necessário informar dados de calibração e distorções da câmera, pois os
mesmos são calculados a partir das fotografias aéreas. O processo é todo automatizado e os
resultados obtidos foram muito satisfatórios, mesmo quando da introdução de conjunto de
fotografias com grandes variações nos ângulos de visada.
Nos mosaicos controlados, a posição das fotografias aéreas é obtida através do registro de
voo da aeronave.
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3. Resultados e Discussões
Os resultados e discussões serão descritos com base nos ensaios de campo planejados
para avaliar diferentes situações de fiscalização.
3.1. Fiscalização de atividades de mineração não tituladas com grande número de lavras
ocupando extensas áreas geográficas
As etapas de campo realizadas na região do Seridó (PB/RN) e Chapada do Apodi (CE)
tiveram como foco a fiscalização de atividades não tituladas, cuja característica principal é a
presença de um grande número de lavras dispersas em uma extensa área geográfica. Os
resultados demonstram que é possível identificar, com precisão, as áreas mineradas, podendose diferenciar aquelas ativas das inativas. As fotografias aéreas obtidas a 200m de altura
apresentaram resolução aproximada de 6cm, considerada adequada para visualização das
lavras, equipamentos e veículos presentes no local (figura 2).
Figura 2. Mosaico de fotografias aéreas obtidas pelo µVANT a uma altura de 200m. Resolução
5,69cm. Extração de calcário para produção de pedra portuguesa, Chapada do Apodi (CE).
Na região do Seridó, as atividades de extração de caulim se estendem por uma área de
aproximadamente 80km. A visualização do vídeo em tempo real permitiu observar a extração
como um todo. Posteriormente foram definidos planos de voo localizados. A Figura 3 exibe a
tela visualizada pelo piloto durante o voo, contendo informações da altura, velocidade, carga
da bateria, coordenadas, dentre outras informações necessárias para manter o controle da
aeronave, além da imagem do terreno.
Figura 3 - Tela de visualização dos parâmetros de voo e da transmissão de vídeo em tempo real.
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Imaginava-se que fosse possível operar o µVANT sem que os mineradores notassem que
estavam sendo fiscalizados, criando o fator surpresa que permitiria a autuação em flagrante.
No entanto, no Seridó e na Chapada do Apodi, apesar da área minerada ocupar uma extensa
região, o que em tese facilitaria uma ação discreta, os municípios possuem forte dependência
econômica da mineração e qualquer movimento diferente desperta a desconfiança na
população local. Como as estradas de circulação são restritas e muito utilizadas, é difícil a
operação não ser percebida. Em ambos os casos foi notório o "desaparecimento" dos
mineradores nos dias que se seguiram à chegada da equipe do DNPM.
A expectativa de efetuar o levantamento sem ser notado baseava-se na premissa de que
seria possível voar grandes distâncias a partir da base. No entanto, esta premissa não se
confirmou pelos seguintes motivos: a) O alcance do sinal de comando e controle é limitado a
4km; b) Para obter fotografias com alta resolução, visando identificar pessoas e
equipamentos, é preciso voar em baixas alturas (200m, em média). Isto faz com que pequenas
variações no relevo criem obstáculos para transmissão do sinal, diminuindo o alcance da
aeronave; 3) A pouca experiência dos pilotos do DNPM faz com que o consumo de bateria
durante o voo seja alto. A título de exemplo, o instrutor chega a fazer um voo, em condições
idênticas de vento, percurso e horário, com consumo de bateria até 30% menor do que um
piloto recém treinado. Obviamente, isto reduz o alcance da aeronave.
Nestes casos, apesar da ausência do fator surpresa, que compromete o flagrante da ação, é
inegável o ganho no dimensionamento da atividade de extração. O DNPM vem estudando
estratégias para minimizar a exposição das ações com µVANTs.
3.2 Fiscalização da extração de areia no rio Piracanjuba, município de Silvânia (GO)
O ensaio para sobrevoar o rio Pirancanjuba, onde existe uma alta incidência de dragas
para extração de areia, teve por objetivo testar modificações na aeronave e obter conjunto de
dados para processamento em campo.
Em virtude da chuva intermitente e dos fortes ventos (40km/h), optou-se por agilizar o
levantamento, executando a maioria dos voos de forma manual, sem definição de plano de
voo. Foram realizados 11 voos em uma área de 30km do rio. A estratégia estabelecida
demonstra que, apesar da rapidez na execução dos levantamentos manuais, a não definição de
um plano de voo automático fez com que alguns trechos do rio não fossem imageados.
Logo após o pouso, fez-se a seleção visual das fotografias aéreas visando a identificação
dragas. Através do software ICE, foram gerados mosaicos que permitiram visualizar a
atividade como um todo (figura 4), possibilitando a imediata tomada de decisão.
Figura 4 - Vista geral da atividade de extração de areia e detalhe da draga. Resolução espacial 4,8cm.
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Os testes na aeronave envolveram modificações no perfil e tamanho da asa, além da
inclusão de um estabilizador específico para câmera fotográfica. O comprimento da asa, que
passou de 1,68m para 1,90m de comprimento, e a mudança no perfil permitiram uma melhor
taxa de subida e possibilitando um aumento no transporte de carga útil para até 1kg.
A inclusão do estabilizador específico para a máquina fotográfica não surtiu os efeitos
esperados. Além de não ter melhorado significativamente a qualidade das fotografias aéreas,
aumentou o peso do equipamento, o que resultou na diminuição da autonomia. Por este
motivo, optou-se por não utilizar o estabilizador nos µVANTs do DNPM.
3.3. Fiscalização da extração de Quartzito no município de Pirenópolis (GO)
A etapa de campo de Pirenópolis teve por objetivo avaliar a precisão das fotografias
aéreas obtidas através do µVANT. Para atingir este objetivo foram coletados 50 pontos com
GPS topográfico de precisão em uma das pedreiras sobrevoadas.
Dois sobrevoos, de aproximadamente 10 minutos cada, foram executados sobre a pedreira
da Prefeitura, sendo um deles a 150m e outro a 200m de altura. A geração do modelo digital
de elevação e do mosaico resultante destes voos foi realizada pelo software PIX4D, online.
Os pontos obtidos com GPS de precisão foram utilizados no processamento dos dados,
assim como os registros de voo da aeronave. O mosaico gerado a partir das 284 fotografias
aéreas obtidas através do voo a 150m de altura, apresentou uma resolução média de 5.97cm.
As estimativas de erro, reportadas em relatório automático gerado pelo software, foram de
0.144m, 0.259m e 0.477m para as coordenadas X, Y e Z, respectivamente.
Para geração do mosaico a partir dos dados de voo de 200m de altura foram utilizadas 199
fotografias, recobrindo uma área de 1.24km2. O mosaico gerado apresentou resolução de
6.4cm e erros médios de 0.322m, 0.237m e 0.372m para as coordenadas X, Y e Z,
respectivamente.
A alta resolução das fotografias aéreas permite identificar equipamentos e pessoas
trabalhando na extração (figura 5a). O modelo digital de elevação (figura 5b) possibilita o
cálculo aproximado do volume das pilhas de rejeito e do material retirado da jazida.
A
B
Figura 5. a) Fotografia aérea, com resolução de 5.9cm, onde observa-se a presença de
equipamentos, veículos e pessoas na lavra de quartzito.
b) Visualização do modelo digital de elevação sobreposto pelas fotografias aéreas
Devido à alta reflectância do quartzito, foi necessário modificar os parâmetros de
configuração da câmera fotográfica (ISO, abertura e velocidade do obturador) do µVANT
para melhorar o contraste na área da jazida.
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3.4. Sítios Paleontológicos da Bacia do Rio do Peixe (PB)
No região do Vale dos Dinossauros, município de Sousas (PB), o objetivo do
levantamento foi verificar a efetividade do uso dos µVANTs em áreas com registro de
pegadas de dinossauros. O local foi selecionado visando atendimento da demanda do
Ministério Público para avaliar possíveis atividades minerais em um raio de 2km a partir dos
sítios paleontológicos conhecidos na região.
Em um voo executado a 50m de altura, na área do Monumento Natural do Parque dos
Dinossauros, foi possível identificar o rastro com as pegadas de dinossauros, conforme
observado na figura 6.
Figura 6. Fotografia aérea obtida a 50m de altura, com resolução de 2cm, exibindo pegadas de
dinossauros. Monumento Natural do Vale dos Dinossauros, município de Sousa (PB).
4. Conclusões
• Os resultados obtidos superaram as expectativas iniciais do projeto, principalmente no que
diz respeito ao processamento automatizado dos dados e à alta resolução, qualidade e
acurácia das fotografias aéreas;
• O "fator surpresa" das operação com µVANT s não se concretizou nos ensaios de campo
realizados na Chapada do Apodi (CE) e na região do Seridó (RN/PB), frustrando a
expectativa de autuação em flagrante. Nestes locais, as atividades não tituladas tem como
característica a presença de numerosas lavras dispersas em grandes áreas geográficas. As
vias de circulação são restritas e muito utilizadas pela população, que apresenta grande
dependência econômica da atividade mineral. Qualquer movimentação que foge à rotina do
local passa a ser monitorada pela população e torna-se difícil atuar de forma despercebida;
• Na fiscalização de extração de areia no rio Piracanjuba foi possível operar o µVANT sem
ser notado, provavelmente em função da presença da mata ciliar e da característica sócio
econômica da região. O rio corre por dentro de fazendas e a mineração não é a principal
atividade da região;
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• Uma das grandes vantagens de uso do µVANT na fiscalização é a possibilidade de
sobrevoar as áreas no horário mais adequado para identificar as atividades de mineração;
• O desenvolvimento recente de softwares para processamento de dados VANT, de modo
automatizado e a um custo baixo, favorece a disseminação do uso da ferramenta no
DNPM;
• Ensaios de campo foram essenciais para avaliar necessidades de modificação no protótipo
da UNB e testar o uso da ferramenta em situações reais de fiscalização;
• A utilização de um estabilizador específico para a câmera fotográfica aumentou o peso da
aeronave e não proporcionou uma melhora significativa na qualidade das fotografias
aéreas, tendo sido descartado seu uso nos µVANTs do DNPM;
• O uso dos µVANTs não se aplica a todas as situações de fiscalização. As principais
limitações identificadas foram o alcance reduzido (4km) e a impossibilidade de voar na
presença de chuva e de vento forte;
• A aplicabilidade do µVANT do DNPM restringe-se a áreas pequenas, não podendo ser
comparado aos levantamentos aerofotogramétricos de grande porte;
• Para levantamentos de extração ilegal ainda não mapeadas, o µVANT permite a realização
de um voo experimental a grandes altitudes (500m) onde, após a definição das áreas de
extração em vídeo, é realizado o sobrevo em altitude mais baixas;
• Devido às constantes mudanças de luminosidade, seja em função do horário ou da
cobertura de nuvens, é necessário configurar a câmera fotográfica (ISO, abertura e
velocidade do obturador) do µVANT antes da realização do voo.
• Mesmo nas condições atuais, com voos sendo realizados a uma distância máxima de 2,5km
da base, é possível geral com confiabilidade dados como: extensão da área minerada,
acompanhamento dos trabalhos de lavra em minerações legalizadas (concessões de lavra) e
não tituladas (irregulares), paralisação das atividades de lavra sem prévia comunicação ao
DNPM, dentre outras demandas da fiscalização.
Agradecimentos
À empresa russa Agisoft, desenvolvedora do software Photoscan Professional, pela
disponibilização de licença temporária para testes, por intermédio da empresa TerraSense,
representante do software no Brasil.
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