Avaliação do uso de sensor termal a bordo de VANT através de análises radiométricas, espectrais, espaciais e posicionais

• Main Author: Luana Thayza de Oliveira
• Other Authors: Hermman Johann Heinrich Kux
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2017
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/05.11.02.49

Dados obtidos na região do infravermelho termal (Thermal Infrared - TIR) podem revelar informações não visíveis importantes sobre os alvos observados. Tais dados têm aplicações nas mais diversas áreas de monitoramento, seja ambiental, urbano ou agrícola. Contudo, sua larga utilização esbarra em alguns desafios: há poucos sensores orbitais operacionais disponíveis que atuam no TIR. E, dentre os sistemas TIR existentes, precisa ser ainda considerada a sua limitação quanto à frequência de imageamento e resolução espacial. Assim, o uso de sistemas de sensores infravermelhos termais a bordo de aeronaves e, mais recentemente, em veículos aéreos não tripulados (VANTs) tem sido crescente. Em contrapartida, poucos estudos têm explorado as características dos sensores aplicados nestas missões e tampouco a acurácia dos dados obtidos. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar as capacidades radiométricas, espectrais e espaciais de dois sensores termais comerciais, um deles desenvolvido para a integração em plataformas não tripuladas, bem como avaliar exatidão posicional dos produtos resultantes do seu uso em um VANT, ortomosaico termal e modelo de superfície (MDS), segundo o Padrão de Exatidão Cartográfica dos Produtos Cartográficos Digitais (PEC-PCD). Para tanto, foram realizados procedimentos laboratoriais de caracterização dos dois sensores. Em campo, foi realizado levantamento de dados termais utilizando um VANT multirrotor quadricóptero em uma área de aproximadamente 10 mil m², além de medições experimentais de quatro superfícies com diferentes tipos de cobertura pelos dois sensores previamente caracterizados. Dos experimentos laboratoriais de caracterização espectral, resultaram as curvas da função de reposta espectral (FRE) dos sensores, em que em ambos os casos, foi possível verificar diferenças na faixa de atuação em relação ao declarado pelos fabricantes. Na análise radiométrica um dos sensores demonstrou ter incertezas superiores às declaradas pelos fabricantes, e na caracterização espacial, os valores de EIFOV de cada um dos sensores foram obtidos. A análise dos dados obtidos em campo, além de validar as incertezas de medição determinadas em laboratório, permitiu verificar que, mesmo em baixas altitudes, a atmosfera pode exercer influência sobre os dados termais e levar a conclusões errôneas sobre os alvos, sobretudo em análises quantitativas. Da avaliação quanto à exatidão posicional, concluiu-se que o ortomosaico gerado sem pontos de controle apresenta exatidão planimétrica a partir da escala 1:5.000 e altimétrica a partir de 1:50.000, e o ortomosaico processado com 4 pontos de controle apresentou exatidão planimétrica a partir de 1:1.000 e altimétrica a partir de 1:25.000. Desde que consideradas as incertezas envolvidas no processo de obtenção das imagens termais por VANT, esta demonstrou ser uma alternativa eficaz para imageamento de áreas com características não aparentes na faixa do visível. === Data obtained in the Thermal Infrared (TIR) part of the electromagnetic spectrum may present invisible, but important, information from the targets of interest. Such data are important in the most different applications of environmental, urban and agriculture monitoring. Nevertheless there are some challenges to its wide use: presently there are few operational orbital TIR sensors available, and among those there are limitations regarding its imaging frequency and spatial resolution. Therefore the use of TIR systems aboard aircrafts, and more recently on drones is growing. On the other hand, few studies evaluated the characteristics of the TIR sensors used in such missions and neither the accuracy of the data obtained. In this frame, the objective of this study was the evaluation of the radiometric, spectral and spatial capacities of two commercial thermal sensors. One of them was developed for the integration on unmanned platforms, as well as to evaluate the positional accuracy of the resulting products for its use on a drone, a thermal ortho-mosaic and a Digital Surface Model (DSM), in accordance with the Brazilian Cartographic Accuracy Standard of Digital Cartographic Products (PEC-PCD). In order to perform these tasks, laboratory procedures were executed to characterize both sensor systems. Afterwards a field survey of thermal data was done, using a multi-rotor quadri-copter drone, at an area of approximately 10,000 m2, besides experimental measurements on four test-sites with different types of soil cover, using both previously characterized sensors. From the laboratory works on spectral characterization, frequency curves of both sensors were obtained. It was verified that there were differences in the respective performance bands, regarding what was declared by the manufacturers. The radiometric analysis from one of the sensors showed higher uncertainties than those declared, as well as at the spatial characterization of EIFOV values, from each sensor. The analysis of data obtained during the field survey, besides validating the uncertainties from the measurements in the laboratory, also showed that, even at low altitudes, the atmosphere influences thermal data and can lead to erroneous conclusions about targets, especially at a quantitative analysis. Regarding the positional accuracy, it was concluded that the ortho-mosaic obtained without ground control points, presents a planimetric accuracy at 1:5,000 scale, and an altimetry accuracy at 1:50,000. The ortho-mosaic processed with four control points presented a planimetric accuracy starting at 1:1,000 and an altimetry accuracy starting at 1:25,000. Taking into account the uncertainties involved in the process to obtain thermal images with a drone, this is an efficient alternative to image areas with non-apparent characteristics in the visible spectrum.