LEVANTAMENTO TRIDIMENSIONAL DE ÁREAS DE RISCO
UTILIZANDO TÉCNICAS DE PERFILAMENTO A LASER: MUNICÍPIO DE
RECIFE/PE-BRASIL
Survey of three-dimensional risk areas using Laser Profiling Techniques: city of
Recife / PE-Brazil
AURÉLIO LÚCIO DE MELO E SILVA JÚNIOR1
MIRELE VIEGAS DA SILVA2
1
Prefeitura da Cidade do Recife
Secretaria de Mobilidade e Controle Urbano
[email protected]
2
Universidade Federal da Bahia
Departamento de Transportes e Geodésia
[email protected]
RESUMO
O campo de aplicação do perfilamento a laser é muito amplo e inclui dentre outros, a modelagem tridimensional de
cidades. A tecnologia permite aquisição de dados da superfície da terra de forma rápida, detalhada e menos dispendiosa.
Visto isso, em 2006 através do Relatório n° 1002037-8 do Tribunal de Contas do Estado de Pernambuco ficou
evidenciado que a Prefeitura do Recife deveria atualizar a base cartográfica para subsidiar ações de prevenção de
deslizamentos em encostas. Baseado nas evidências de mudanças no uso e ocupação do solo da cidade, somado a
necessidade de maior e melhor atuação nas áreas de risco, foi elaborado o Termo de Referência para contratação de
levantamento utilizando laser scanner aerotransportado objetivando a obtenção, a partir da geração de uma nuvem de
pontos, os polígonos das edificações em 2D e 3D em setenta e dois quilômetros quadrados de áreas de risco
predefinidas pela Defesa Civil da Cidade, visando desta forma, o aumento das possibilidades de mitigar suas ações
preventivas. Nesse contexto, o presente artigo tem por objetivo apresentar os resultados dos produtos oriundos do
perfilamento a laser, bem como todas as etapas envolvidas no processo, desde o plano de voo diferenciado em áreas
mais densas, quantidade de pontos por metro quadrado e tipos de equipamentos, até as metodologias utilizadas na
determinação da volumetria, variando entre processos manuais e semiautomáticos.
Palavras chaves: Perfilamento a Laser, Laser Scanner Aerotransportado, Modelagem Tridimensional, Termo de
Referência, Áreas de Risco.
ABSTRACT
The scope of the laser profiling is very broad and includes among others, the three-dimensional modeling of cities. The
technology allows data acquisition of the land surface of rapid, detailed and less expensive way. Thus, it in 2006
through Report n° 1002037-8 the Court of Auditors of the State of Pernambuco became evident that the Recife City
should update the basemap to support programs to prevent landslides on slopes. Based on the evidence of changes in the
use and occupation of the city, plus the need for more and better performance in the areas of risk, an Terms of
Reference was prepared to hire survey using airborne laser profiling aimed at obtaining, from the generation of a cloud
of points, polygons of buildings in 2D and 3D in seventy-two square miles of risk areas selected by the City Civil
Defense, thereby increasing the opportunities to mitigate their preventive actions. In this context, this paper aims to
present the results of the products from the laser profiling, as well as all the steps involved in the process from the flight
plan, differentiated in denser areas, amount of points per square meter, types of equipment, until methodologies used in
determining the volumetry, ranging between manual and semi-automatic processes.
Keywords: Laser profiling, Airborne Laser Scanner, Three-Dimensional Modeling, Term of Reference, Risk Areas.
1. INTRODUÇÃO
De acordo com dados do Plano Municipal de Redução de Risco – PMRR realizado em 2006, 469.332 pessoas
ocupavam áreas de morros em Recife, encontrando-se 10.374 pessoas em áreas ameaçadas por ocuparem moradias em
setores de risco alto e muito alto. Neste mesmo plano foram identificadas 2.591 moradias ameaçadas em Recife. Visto
isso, um Relatório de Auditoria Operacional foi desenvolvido em 2011através da formalização do processo de Auditoria
Especial TC nº 1002037-8, com o objetivo de avaliar se o gerenciamento para minimização dos riscos, realizado pela
Coordenadoria de Defesa Civil do Recife – CODECIR vinha diminuindo o número de acidentes por deslizamento de
encostas e o número de vítimas ao longo dos últimos anos.
Essa auditoria constatou, entre outros problemas, a deficiência na gestão dos dados para gerenciamento do
risco, demora e ou ausência na implementação de soluções definitivas e deficiências nas ações preventivas.
Dessa maneira, para melhoria das ações de prevenção de deslizamentos em encostas da Prefeitura do Recife,
foram formuladas algumas recomendações à CODECIR e à Secretaria de Controle, Desenvolvimento Urbano e Obras,
hoje, Secretaria de Mobilidade e Controle Urbano. Assim, visando promover ajustes no sentido de atualizar de forma
contínua e sistemática as informações sobre setores de risco do município de forma a alimentar permanentemente as
informações levantadas quando da realização do PMRR, foram formuladas recomendações que contemplavam a
atualização da base cartográfica, principalmente em áreas de morro ou sujeitas a inundação, com vistas a obter um
georreferenciaento mais preciso dos imóveis, facilitar os trabalhos das equipes de campo em suas análises quanto à
situação de risco e o seu controle de dados.
O município de Recife contratou em 2007 o mapeamento de toda extensão territorial, com 220 km², através de
processo fotogramétrico com cobertura aérea na escala 1:6.000, ortofotos e restituição digital na escala 1:1.000,
considerando sempre produtos com PEC Classe A. A restituição contemplou níveis de hidrografia, sistema viário e
principais edificações
Para atualização dessa cartografia, a Prefeitura do Recife, de posse dos produtos oriundos do Voo
Aerofotogramétrico de 2007 e de sua base digital de dados georreferenciados, licitou e elaborou Termo de Referência
contratando a empresa ENGEFOTO para que no ano de 2012 fosse realizada uma nova cobertura aérea utilizando o
sistema de Perfilamento a Laser Aerotransportado na aquisição de dados da superfície do terreno e de elementos que se
encontram acima deste, de tal forma a obter informações tridimensionais das edificações nas áreas de morro com uma
precisão proporcional à do processamento de dados GPS (Global Position Sistem), produtos esses que não tinham sido
contemplados na cobertura aerofotogramétrica anterior.
Tendo em conta que mais de 80% das informações com que a prefeitura lida tem um componente espacial ou
geográfico, é indispensável georreferenciar essas informações, isto é associá-las a uma localização num mapa da cidade.
Essa localização só será confiável se o mapa também o for, daí a necessidade de atualizar a base cartográfica digital do
Recife. Nesse sentido é indispensável espacializar ou mapear a realidade física e sócio-econômica da cidade, detectar
em qual localização geográfica ocorrem os problemas e propor ações onde for necessário e/ou prioritário.
Desta forma, o presente artigo irá apresentar os resultados dos produtos oriundos do Perfilamento a Laser, bem
como todas as etapas envolvidas no processo, desde o plano de voo diferenciado em áreas mais densas, quantidade de
pontos por metro quadrado e tipos de equipamentos, até as metodologias utilizadas na determinação da volumetria das
edificações.
Neste contexto, considerando toda dinâmica de ocupação do solo ocorrido em Recife nestes últimos anos,
espera-se que com a aquisição do novo mapeamento e com um possível cadastro territorial, ocorra um melhor controle
sobre os pontos de risco, facilitando o trabalho de monitoramento emergencial, ocasionando menos vítimas e
principalmente uma redução nos custos com medidas emergenciais e paliativas.
2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
A área de estudo é o município de Recife-PE, mais precisamente em 72 km2 de áreas de morro espalhados de
forma descontinua ao longo de seus limites. A cidade possui aproximadamente 220 km2 , e apesar de ser na sua grande
maioria formada por áreas planas, ela também contempla setores com topografia bastante acidentada e ocupada de
forma desordenada pela sua população.
Vale ressaltar que essas áreas foram definidas pela Secretaria de Defesa Civil como regiões prioritárias em
função do alto grau de risco de deslizamento. Algumas outras áreas foram contempladas dentro dos 72 km2 que não se
caracterizam como regiões de morro, como exemplo temos o Bairro do Recife, conhecido popularmente como Recife
Antigo, que além de conter o edifício sede da prefeitura contém vários imóveis que fazem parte do Patrimônio Histórico
de Pernambuco.
A Figura 1 a seguir apresenta, dentro dos limites do município, um mapa de situação das áreas que serão
apresentadas como regiões de interesse na obtenção dos polígonos de edificações em 2D e volumetria 3D.
Fig. 1 - Mapa de situação das áreas de obtenção dos polígonos 2D e 3D. Fonte: Prefeitura do Recife (2012)
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Materiais do Mapeamento por Perfilamento a Laser Aerotransportado
Para a cobertura aérea com o perfilador a laser foi utilizado o sistema de perfilamento a laser (ALS - Airborne
Laser Scanning) ou Sistema Aerotransportado de Laser para Mapeamento do Terreno (ALTM - Airborne LASER
Terrain Mapper) utilizando o Sensor Laser OPTECH AIRBONE LASER TERRAIN MAPPER modelo ALTM Gemini
167.
O princípio básico de funcionamento deste sistema é a obtenção de registros contínuos com coordenadas
espaciais, as quais constituem os elementos primários para modelagem do terreno e geração de um mapa topográfico
derivado destas informações.
Durante o levantamento, o sistema emite feixes de laser que um espelho dirige para o solo. O laser varre a
superfície do terreno abaixo da aeronave e registra o tempo decorrido do pulso até o solo para cada um dos feixes
emitidos, sendo registrado também o respectivo ângulo de inclinação de cada feixe em relação à vertical do lugar.
Outra característica marcante dos sistemas de Perfilagem a Laser mais modernos é a capacidade de registrar
múltiplos retornos (máximo 4) por pulso (Figura 2), a tecnologia também permite o registro da intensidade ou
refletância de cada um destes retornos (Figura 3). Estes recursos permitem num processamento posterior que se faça a
distinção de objetos acima do solo (árvores, casas, postes, etc.).
Fig. 2 - Reflexão do primeiro e último retorno -FONTE: Adaptado de.IPF/TU, Viena (2003) por BRANDALIZE, M. C
(2004)
Fig. 3 - Mapa de Intensidade. Fonte: Prefeitura do Recife (2013)
Na execução dos levantamentos pela empresa ENGEFOTO, contratada para execução desse voo, foram utilizados os
seguintes parâmetros:
o Altura de voo: 600 metros
o Ângulo de abertura (FOV): 20º;
o Superposição lateral (entre faixas): Min 30%
o Número de faixas: 137;
o Densidade de pontos MDE (média): 5,51/m².
A varredura a laser assim como o recobrimento aerofotogramétrico foi realizado no sentido N-S-N, no entanto
nas áreas densas e com altos edifícios, a varredura foi realizada em dois sentidos transversais, norte-sul, seguido de
leste-oeste, de forma que garanta a inexistência de áreas de sombras LASER e buracos (Figura 4).
Fig. 4 - Plano de voo Laser . Fonte: Relatório de Atividades Executadas – ENGEFOTO (2013)
As características do sistema ALS GEMINI se encontram resumidas na Tabela 1 abaixo:
Tabela 1 - Características do Sistema ALS GEMINI. Fonte: Relatório de Atividades Executadas – ENGEFOTO (2013)
Os produtos decorrentes da Cobertura Aérea por Perfilamento a Laser Aerotransportado, além dos polígonos
2D e volumetria 3D das edificações, contemplam ainda:
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Geração do Modelo Digital de Terreno (MDT);
Geração do Modelo Digital de Elevação (MDE);
Geração de Curvas de Nível;
Geração do Mapa de Declividades;
Geração do Mapa Hipsométrico;
Geração do Mapa de Intensidade;
Geração do Mapa de Composição;
3.2 Procedimentos Metodológicos na Geração Tridimensional das Edificações
Para a obtenção dos polígonos 2D e volumetria 3D das edificações serão utilizados os dados obtidos através do
sistema de perfilamento a laser aerotransportado associado à vetorização das feições gráficas (edificações) sobre as
imagens hipsométricas com utilização de ambiente 3D.
A volumetria 3D servirá de apoio a defesa civil, às atividades voltadas a tributação, planejamento urbano,
monitoramento de verticalização das edificações e definição de rotas aéreas.
A primeira etapa consistirá em vetorizar o contorno externo das edificações utilizando imagens hipsométricas.
O objetivo desta fase é delimitar o contorno das edificações através da análise e interpretação das imagens obtidas da
nuvem de pontos laser. Na Figura 5 os polígonos que definem o contorno das edificações estão representados por linhas
na cor branca.
Fig. 5 - Polígonos vetorizados sobre Imagens Hipsométricas da nuvem de pontos laser. Fonte: Proposta Metodológica
para Obtenção da Volumetria – ENGEFOTO (2014)
Para apoiar a definição destes polígonos serão utilizadas as imagens hipsométricas, ortofotos na escala 1:1.000
e para a confirmação das diferenças de contorno entre os vários pavimentos das edificações serão utilizadas também
ferramentas que possibilitam a vetorização em ambiente 3D.
Os polígonos 2D vetorizados serão armazenados em níveis (Layers) separados, a diferenciação dos polígonos
dos pavimentos auxiliará o cálculo das áreas. A Figura 6 mostra os polígonos que indicam diferentes pavimentos, onde
o polígono amarelo é correspondente ao primeiro pavimento e o iluminado em vermelho corresponde ao segundo
pavimento da edificação.
Fig. 6 - Polígonos de edificações com pavimentos diferentes. Fonte: Proposta Metodológica para Obtenção da
Volumetria – ENGEFOTO (2014)
A segunda etapa consistirá na utilização de uma rotina Add-In para ArcMap em .NET/C# que utilizará
bibliotecas ArcObjects da ESRI. Esta rotina utiliza os polígonos externos das edificações e nuvem de pontos onde será
construído um sólido 3D para cada um dos polígonos vetorizados. A rotina determinará a cota da base a partir de um
centroide (label point) do polígono da edificação interpolado no MDT e a cota de topo com a média dos pontos do MDE
dentro do polígono da edificação. A Figura 7 ilustra a geração dos sólidos através da metodologia.
Fig. 7 - Resultado na geração dos sólidos utilizando a metodologia apresentada. Fonte: Proposta Metodológica para
Obtenção da Volumetria – ENGEFOTO (2014)
O nível de detalhamento dos sólidos será relacionado à quantidade de polígonos necessários para a
representação da construção, ou seja, edificações representadas por vários polígonos que representarão cada pavimento
respeitando o seu respectivo contorno. Estes sólidos serão modelados tridimensionalmente de acordo com altitude
média da nuvem de pontos laser existente dentro do polígono. A Figura 8 mostra um exemplo de edificações modeladas
com mais de um polígono vetorizado.
Fig. 8 - Exemplo de edificações modeladas com mais de um polígono. Fonte: Proposta Metodológica para
Obtenção da Volumetria – ENGEFOTO (2014)
A Figura 9 mostra uma representação tridimensional do Modelo Digital de Elevação (MDE) associado Modelo
Digital do Terreno (MDT) localizado numa área de morro da cidade do Recife, utilizando a metodologia aqui
apresentada.
Fig. 9 - Modelo Digital de Elevação (MDE) associado Modelo Digital do Terreno (MDT). Fonte: Prefeitura do Recife
(2014)
4. CONCLUSÕES
Como determina as especificações técnicas do Termo de Referência para contratação dos serviços aqui
descritos, um controle de qualidade e fiscalização no desenvolvimento de todos esses produtos se faz necessário,
visando a confiabilidade na atualização de uma Base Cartográfica.
Para tanto, houve a necessidade de contratação de Representante Técnico para validação dos produtos
oriundos, objetivando a aprovação da qualidade de todas as etapas e dos produtos finais entregues. Esse representante
deverá, para tanto, possuir uma equipe técnica habilitada para as atividades. Garantindo alta confiabilidade, precisão
geométrica, abrangência dos dados e rapidez na geração dos produtos finais.
A Prefeitura do Recife contratou o Instituto de Tecnologia de Pernambuco – ITEP para a validação de todas as
etapas e produtos aqui descritos, que estará finalizando a fiscalização nos próximos meses.
Esperamos, com essa Base Cartográfica atualizada, atuar de forma mais eficaz nas ações preventivas de
controle de deslizamentos de barreiras, diminuindo consideravelmente o número de vítimas fatais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Noções Básicas de Cartografia, 1998. Disponível em
http://geoftp.ibge.gov.br/documentos/cartografia/nocoes_basicas_cartografia.pdf, Acesso: 10 de junho de 2014.
Empresa de Aerolevantamento S/A – ENGEFOTO. Relatório de Atividades Executadas n 05, 2013.
Empresa de Aerolevantamento S/A – ENGEFOTO. Metodologia para Obtenção da Volumetria, 2014.
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Determinação de Altura de Edificações. Disponível em http://www.cartografia.cl/download/106CT03.pdf Acesso: 14
de junho de 2014.
MIQUELES, M.; CENTENO, J. Extração de Edificações em Ambientes Urbanos utilizando Imagem de Alta
Resolução e Dados do Laser Scanner. Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia, Brasil, 1621 abril 2005, INPE, p. 4155-4162
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Tribunal de Contas do Estado de Pernambuco – Avaliação das Ações de Prevenção de Deslizamento em Encostas,
2011