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Extração de feições retas e cálculo de entidades pontuais a partir de dados LASER para o ajustamento relativo de faixas

Documento informativo
RENATO CÉSAR DOS SANTOS EXTRAÇÃO DE FEIÇÕES RETAS E CÁLCULO DE ENTIDADES PONTUAIS A PARTIR DE DADOS LASER PARA O AJUSTAMENTO RELATIVO DE FAIXAS Presidente Prudente 2015 RENATO CÉSAR DOS SANTOS EXTRAÇÃO DE FEIÇÕES RETAS E CÁLCULO DE ENTIDADES PONTUAIS A PARTIR DE DADOS LASER PARA O AJUSTAMENTO RELATIVO DE FAIXAS Dissertação apresentada ao PPGCC - Programa de Pós Graduação em Ciências Cartográficas da FCT - Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP - Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Campus de Presidente Prudente, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências Cartográficas. Orientador: Prof. Dr. Maurício Galo Presidente Prudente 2015 S238e Santos, Renato César dos. Extração de feições retas e cálculo de entidades pontuais a partir de dados LASER para o ajustamento relativo de faixas / Renato César dos Santos. - Presidente Prudente : [s.n.], 2015 129 f. Orientador: Mauricio Galo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia Inclui bibliografia 1. Extração de feições. 2. Ajustamento relativo de faixas. 3. LASER. 4. Método ICP. 5. Análise de componentes principais. I. Galo, Mauricio. II. Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Ciências e Tecnologia. III. Título. DEDICATÓRIA Dedico este trabalho aos meus pais, Aparecido e Vera; minha irmã Viviane e minha namorada Gisely, que sempre acreditaram em mim e me ajudaram a percorrer os caminhos em busca dos meus sonhos e objetivos. AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho teve a colaboração direta e indireta de diversas pessoas, as quais expresso meus sinceros agradecimentos. A Deus, pelo dom da vida, da sabedoria, pela graça e força para atingir meus objetivos. Aos meus pais, Aparecido e Vera, e minha irmã Viviane, por serem a minha base familiar, me auxiliando em todas as etapas já percorridas e alcançadas durante minha vida. Ao meu orientador, Prof. Dr. Maurício Galo, por sua dedicada e atenciosa orientação, constate empenho, sua paciência e conselhos valiosos. À minha atenciosa, companheira e amada namorada Gisely Duarte. Aos meus amigos da graduação que me apoiaram e contribuíram até aqui: Gilmar Renan, Priscila, Carla e Graziela. Aos meus irmãos de repúblicas pelas risadas, conselhos e companheirismo: Tiago, Pedro, Flávio, Willian, Fabiano, Lucas, Leomar, Bruno, Luis Fernando, Aruane e Viviane. Às professoras do meu ensino fundamental e médio, que me transmitiram o conhecimento necessário para iniciar a minha trajetória acadêmica. Em especial às professoras: Márcia, Eutália, Nelma, Rosinei, Leonice e Sueli, que sempre me incentivaram. A todos os meus amigos e familiares que contribuíram direta ou indiretamente nessa caminhada. Em especial agradeço: as minhas primas Márcia, Gislaine, Ana Paula e Simone; e ao meu tio Marco. A todos os professores do Departamento de Cartografia e do PPGCC-Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, que sempre estiveram dispostos a auxiliar os alunos e transmitirem seus amplos conhecimentos. Aos meus colegas de pós-graduação, pois sempre estão prontificados a ajudar resolver problemas tanto de caráter científico quanto pessoal. À banca de qualificação e da defesa final, pelas sugestões que contribuíram para a versão final deste trabalho. À empresa Sensormap Geotecnologia que forneceu os dados de varredura a LASER utilizados nos experimentos. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pelo suporte financeiro durante o desenvolvimento da pesquisa. “Aprendi que vai demorar muito para me transformar na pessoa que quero ser, e devo ter paciência. Mas, aprendi também, que posso ir além dos limites que eu próprio coloquei”. Charles Chaplin RESUMO Essa dissertação tem por objetivo principal propor uma metodologia para obtenção de entidades pontuais a partir da intersecção de retas concorrentes extraídas a partir de dados LiDAR (Light Detection And Ranging) obtidos por sistemas de varredura LASER (Light Amplification by Estimulated Emission of Radiation), e utilização dos pontos extraídos no ajustamento relativo de faixas LASER. Para tal propósito, será apresentada uma revisão de conceitos relativos à classificação de pontos 3D, extração de segmentos de retas e entidades pontuais, e os modelos matemáticos utilizados para minimizar as discrepâncias entre faixas LASER. O procedimento apresentado nesse trabalho pode ser dividido em três principais fases: extração das feições de interesse, determinação das feições correspondentes e estimação dos parâmetros que modelam as discrepâncias. As entidades pontuais são obtidas a partir da intersecção de segmentos de retas concorrentes, extraídos sobre o conjunto de dados LASER por meio do conceito da análise de componentes principais e do método dos mínimos quadrados (MMQ). A correspondência entre as entidades pontuais é estabelecida por meio do método ICP (Iterative Closest Point), ao passo que os parâmetros são estimados utilizando o MMQ. Para avaliação do procedimento proposto e implementado, utilizou-se um conjunto de dados LASER referente ao município de Presidente Prudente/SP, cuja densidade aproximada é de 8 pontos/m2. Os resultados obtidos mostram que o procedimento de ajustamento relativo utilizando entidades pontuais, apresentado neste trabalho, conseguiu minimizar as discrepâncias sistemáticas. No melhor caso, o valor da raiz do erro médio quadrático (REMQ) resultante diminuiu de 22 cm para 10 cm, após aplicar o processo de ajuste. Palavras-chave: Ajustamento relativo de faixas LASER. Extração de feições sobre dados LASER. LASER. Método ICP. Análise de componentes principais. ABSTRACT The main objective of this dissertation is to propose a methodology to obtaining point entities from the intersection of concurrent lines, and use of these points at the relative adjustment of LASER strips. For such purpose, it will be presented a review of concepts about 3D point classification, extraction of line segments and point entities, and the mathematical models used to minimize the discrepancies between LASER strips. The procedure presented in this work can be divided into three main stages: extraction of features of interest, determining the corresponding features and estimation of the parameters that model the discrepancies. The point entities are derived from the intersection of concurrent lines segments, which are extracted from LASER data set through the concept of principal component analysis (PCA) and least squares method (LSM). The correspondence among the point entities is established by the ICP method (Iterative Closest Point), while the parameters are estimated using the LSM. To evaluate the proposed approach it was used a data set obtained by airborne LASER scanning of the city of Presidente Prudente/SP, with approximate density of 8 dots/m2. The results show that the relative adjustment procedure using point entities, as presented in this work, enabled to minimize systematic discrepancies. In the best case, the resulting value of the root mean square error (RMSE) decreased from 22 cm to 10 cm, after applying the adjustment process. Keywords: Relative adjustment of LASER strips. Features extraction on LASER data. LASER. ICP method. Principal component analysis. LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Autovalores e dimensão associados a algumas estruturas (JUTZI e GROSS, 2009). . 22 Tabela 4.1- Distância no espaço tridimensional dos autovalores entre as diferentes estruturas. . 58 Tabela 5.1 - Valores dos parâmetros relacionados com a sua respectiva ordem de grandeza. . 83 Tabela 5.1 - Determinação da correspondência por meio do método ICP utilizando quatérnios, considerando diferentes magnitudes de rotações e translações e variação no número de feições extraídas. Os retângulos na cor cinza claro correspondem às combinações onde o ICP resultou em resultados corretos (correspondências corretas) e em cinza escuro o contrário. . 84 Tabela 5.2 - Determinação da correspondência por meio do método ICP, considerando diferentes distribuições espaciais para as entidades pontuais. . 86 Tabela 5.4 - Dados relacionados ao ajustamento das faixas LASER utilizando a transformação de corpo rígido. . 89 Tabela 5.5 - Dados relacionados ao ajustamento das faixas LASER utilizando a transformação afim. . 90 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Recobrimento da região de interesse por três faixas LASER (a). Perfil com as faixas LASER antes (b) e após (c) a minimização das discrepâncias entre as faixas. 2 Figura 2.1 - Componentes do sistema de varredura a LASER. 7 Figura 2.2 - Sistema de varredura do espelho (a). Configuração da varredura em relação ao tipo de espelho (b). . 8 Figura 2.3 - Ângulos de atitude (ω – entorno do eixo x ; φ – entorno do eixo y; κ – entorno do eixo z) da aeronave. 9 Figura 2.4 - Deslocamento do feixe LASER nas direções longitudinal e transversal. 10 Figura 2.5 - Representação de alguns elementos relacionados à geometria de aquisição dos dados LASER. Elementos envolvidos na projeção do feixe LASER no terreno (a) e na largura da faixa de varredura (b). 10 Figura 2.6 - Situações que ocorrem múltiplos retornos (múltiplos ecos). 12 Figura 2.7 - Representação das áreas sem informação, devido à presença de edificação alta. 12 Figura 2.8 - Componentes de um sistema LASER e suas relações geométricas. 14 Figura 2.9 - Elementos do formato “.LAS”, versão 1.1. 16 Figura 2.10 - Representação geométrica das componentes principias no espaço bidimensional (a) e tridimensional (b). 19 Figura 2.11 - Nuvem de pontos em um referencial 3D (a) e seleção do conjunto de pontos (b). 20 Figura 2.12 - Autovalores relacionados às diferentes estruturas. 21 Figura 2.13 - Nuvem de pontos 3D colorida de acordo com a altura (a), e nuvem de pontos 3D colorida de acordo com o valor de entropia calculado (Ef) para um único ponto de interesse (ponto rosa). 25 Figura 2.14 - Representação das entropias calculadas entre o raio Rmin até Rmax, com variação de ∆r para o raio. O menor valor de entropia é destacado (Ef min). . 26 Figura 2.15 - Plano π contendo um ponto da reta g e o ponto c (a). Cálculo da distância entre o ponto c e a reta g, a partir das componentes μ2 e μ3 (b). . 28 Figura 2.16 - Representação dos pontos classificados como borda (a). Pontos com o primeiro autovetor paralelo ao do ponto de disparo (setas pretas) (b). Cilindro gerado a partir da reta g e o raio max_d (c). . 28 Figura 2.17 - Projeção dos pontos sobre a reta g (a). Valores da componente μ1 relacionada a cada ponto c e em destaque os pontos que não contíguos. . 29 Figura 2.18 - Verificação da descontinuidade dos pontos (a) e ajuste de um segmento de reta ao conjunto GPs (b). . 30 Figura 2.19 - Ilustração dos pontos de quinas obtidos pela intersecção entre dois segmentos de retas. . 31 Figura 2.20 - Posição relativa entre retas. Retas reversas (a), paralelas (b) e concorrentes (c). . 32 Figura 2.21 - Perfil com as faixas LASER antes (a) e após (b) a minimização das discrepâncias entre as faixas. . 42 Figura 3.1 - Sistema de referência terrestre e trajetória da aeronave (a). Sinal do ângulo de varredura para direções de voo opostas (b). Altura de voo (H) e distância lateral (y) (c). . 44 Figura 3.2 - Efeito dos sistemáticos introduzidos nos parâmetros de translação (∆X, ∆Y, ∆Z). . 46 Figura 3.3 - Efeito dos erros sistemáticos introduzidos no ângulo de desalinhamento Δφ. . 47 Figura 3.4 - Efeito dos erros sistemáticos introduzidos no ângulo de desalinhamento Δω. . 47 Figura 3.5 - Efeito dos erros sistemáticos introduzidos no ângulo de desalinhamento Δκ. . 48 Figura 3.6 - Efeito dos erros sistemáticos introduzidos na medida de distância (ρ). . 49 Figura 3.7 - Efeito dos erros sistemáticos introduzidos na medida do ângulo de varredura (β). . 49 Figura 3.8 - Efeito dos erros sistemáticos introduzidos nas coordenadas do sensor. . 50 Figura 3.9 - Representação gráfica da diferença entre as coordenadas afetadas por erros aleatórios dos pontos conjugados, localizados sobre as faixas LASER adjacentes. . 54 Figura 4.1 - Sistema de varredura da marca RIEGL modelo LMS – Q680i. . 55 Figura 4.2 - Grau de detalhamento dos dados LASER. . 56 Figura 4.3 - Valores de similaridade relacionados ao ponto j. . 59 Figura 4.4 - Fluxograma com as etapas envolvidas na classificação de um ponto 3D. . 60 Figura 4.5 - Pontos classificados nas estruturas de dimensão unitária (a) e os segmentos de retas extraídos a partir do método proposto por Gross e Thoennessen (2006). . 61 Figura 4.6 - Ilustração do método de extração de retas após o acréscimo do limar angular. Seleção do ponto de disparo (a), configuração após a primeira iteração (b) e quando o critério de parada foi atingido (c). . 62 Figura 4.7 - Segmentos de retas extraídos por meio do método proposto por Gross e Thoennessen (2006) após a incorporação do limar angular. . 63 Figura 4.8 - Ilustração do procedimento de extração dos pontos de quinas. . 65 Figura 4.9 - Fluxograma com as etapas envolvidas no procedimento do ajuste relativo entre duas faixas LASER, baseado em pontos de quinas conjugados extraídos sobre a região de sobreposição das faixas. . 68 Figura 5.1 - Retângulos desenhados sobre a imagem de satélite do Google Earth (esquerda) e conjuntos de pontos LASER recortados (direita). . 70 Figura 5.2 - Resultado da classificação utilizando a função Lasground para Área 1. Pontos classificados como pontos de terreno (b) e não terreno (c). 71 Figura 5.3 - Resultado da classificação utilizando a função Lasground para Área 2. Pontos classificados como pontos de terreno (b) e não terreno (c). . 72 Figura 5.4 - Resultado da classificação utilizando a função Lasground para Área 3. Pontos classificados como pontos de terreno (b) e não terreno (c). . 72 Figura 5.5 - Conjunto de pontos de não terreno referente à Área 1 (a); e resultados obtidos após executar a classificação sem (b) e com o acréscimo do fator de não ambiguidade (c). 73 Figura 5.6 - Resultado da classificação sem (a) e com fator de não ambiguidade (b). 74 Figura 5.7 - Conjunto de pontos de não terreno referente à Área 2 (a); e resultados obtidos após executar a classificação sem (b) e com o acréscimo do fator de não ambiguidade (c). . 75 Figura 5.8 - Conjunto de pontos de não terreno referente à Área 3 (a); e resultados obtidos após executar a classificação sem (b) e com o acréscimo do enfocar la importancia de la producción mediática de los niños en su descubrimiento del mundo, sobre todo utilizando el periódico escolar y la imprenta. Asimismo las asociaciones de profesores trabajaron en esta línea e incluso la enseñanza católica se comprometió desde los años sesenta realizando trabajos originales en el marco de la corriente del Lenguaje Total. Páginas 43-48 45 Comunicar, 28, 2007 En el ámbito de los medios, también desde el principio del siglo XX hay ciertas corrientes de conexión. Pero es a lo largo de los años sesenta cuando se constituyeron asociaciones de periodistas apasionados por sus funciones de mediadores, que fomentaron la importancia ciudadana de los medios como algo cercano a los jóvenes, a los profesores y a las familias. Así se crearon la APIJ (Asociación de Prensa Información para la Juventud), la ARPEJ (Asociación Regional de Prensa y Enseñanza para la Juventud), el CIPE (Comité Interprofesional para la Prensa en la Escuela) o la APE (Asociación de Prensa y Enseñanza), todas ellas para la prensa escrita Estas asociaciones fueron precedidas por movimientos surgidos en mayo de 1968, como el CREPAC que, utilizando películas realizadas por periodistas conocidos, aclaraba temas que habían sido manipulados por una televisión demasiado próxima al poder político y realizaba encuentros con grupos de telespectadores. cipio del siglo XX, y nos han legado textos fundadores muy preciados, importantes trabajos de campo y muchos logros educativos y pedagógicos. La educación en medios ha tenido carácter de oficialidad de múltiples maneras, aunque nunca como una enseñanza global. Así la campaña «Operación Joven Telespectador Activo» (JTA), lanzada al final de los años setenta y financiada de manera interministerial para hacer reflexionar sobre las prácticas televisuales de los jóvenes, la creación del CLEMI (Centro de Educación y Medios de Comunicación) en el seno del Ministerio de Educación Nacional en 1983, la creación de la optativa «Cine-audiovisual» en los bachilleratos de humanidades de los institutos en 1984 (primer bachillerato en 1989) y múltiples referencias a la educación de la imagen, de la prensa, de Internet. La forma más visible y rápida de evaluar el lugar de la educación en medios es valorar el lugar que se le ha reservado en los libros de texto del sistema educa- 2. Construir la educación en los medios sin nombrarla El lugar que ocupa la edu- La denominación «educación en medios», que debería cación en los medios es muy ambiguo, aunque las cosas están cambiando recientemente. entenderse como un concepto integrador que reagrupase todos los medios presentes y futuros, es a menudo percibida En principio, en Francia, co- por los «tradicionalistas de la cultura» como una tendencia mo en muchos otros países, la educación en los medios no es hacia la masificación y la pérdida de la calidad. una disciplina escolar a tiempo completo, sino que se ha ido conformado progresivamente a través de experiencias y reflexiones teóricas que han tivo en Francia. Una inmersión sistemática nos permi- permitido implantar interesantes actividades de carác- te constatar que los textos oficiales acogen numerosos ter puntual. Se ha ganado poco a poco el reconoci- ejemplos, citas, sin delimitarla con precisión. miento de la institución educativa y la comunidad es- colar. Podemos decir que ha conquistado un «lugar», 3. ¿Por qué la escuela ha necesitado casi un siglo en el ámbito de la enseñanza transversal entre las dis- para oficilializar lo que cotidianamente se hacía en ciplinas existentes. ella? Sin embargo, la escuela no está sola en esta aspi- Primero, porque las prácticas de educación en me- ración, porque el trabajo en medios es valorado igual- dios han existido antes de ser nombradas así. Recor- mente por el Ministerio de Cultura (campañas de foto- demos que no fue hasta 1973 cuando aparece este grafía, la llamada «Operación Escuelas», presencia de término y que su definición se debe a los expertos del colegios e institutos en el cine ), así como el Minis- Consejo Internacional del Cine y de la Televisión, que terio de la Juventud y Deportes que ha emprendido en el seno de la UNESCO, definen de esta forma: numerosas iniciativas. «Por educación en medios conviene entender el estu- Así, esta presencia de la educación en los medios dio, la enseñanza, el aprendizaje de los medios moder- no ha sido oficial. ¡La educación de los medios no apa- nos de comunicación y de expresión que forman parte rece oficialmente como tal en los textos de la escuela de un dominio específico y autónomo de conocimien- francesa hasta 2006! tos en la teoría y la práctica pedagógicas, a diferencia Este hecho no nos puede dejar de sorprender ya de su utilización como auxiliar para la enseñanza y el que las experiencias se han multiplicado desde el prin- aprendizaje en otros dominios de conocimientos tales Páginas 43-48 46 Comunicar, 28, 2007 como los de matemáticas, ciencias y geografía». A pe- mente en todas las asignaturas. Incluso los nuevos cu- sar de que esta definición ha servido para otorgarle un rrículos de materias científicas en 2006 para los alum- reconocimiento real, los debates sobre lo que abarca y nos de 11 a 18 años hacen referencia a la necesidad no, no están totalmente extinguidos. de trabajar sobre la información científica y técnica y En segundo lugar, porque si bien a la escuela fran- el uso de las imágenes que nacen de ella. cesa le gusta la innovación, después duda mucho en Desde junio de 2006, aparece oficialmente el tér- reflejar y sancionar estas prácticas innovadoras en sus mino «educación en medios» al publicar el Ministerio textos oficiales. Nos encontramos con una tradición de Educación los nuevos contenidos mínimos y las sólidamente fundada sobre una transmisión de conoci- competencias que deben adquirir los jóvenes al salir mientos muy estructurados, organizados en disciplinas del sistema educativo. escolares que se dedican la mayor parte a transmitir Este documento pretende averiguar cuáles son los conocimientos teóricos. La pedagogía es a menudo se- conocimientos y las competencias indispensables que cundaria, aunque los profesores disfrutan de una ver- deben dominar para terminar con éxito su escolaridad, dadera libertad pedagógica en sus clases. El trabajo seguir su formación y construir su futuro personal y crítico sobre los medios que estaba aún en elaboración profesional. Siete competencias diferentes han sido te- necesitaba este empuje para hacerse oficial. nidas en cuenta y en cada una de ellas, el trabajo con Aunque el trabajo de educación en los medios no los medios es reconocido frecuentemente. Para citar esté reconocido como disciplina, no está ausente de un ejemplo, la competencia sobre el dominio de la len- gua francesa definen las capa- cidades para expresarse oral- La metodología elaborada en el marco de la educación en mente que pueden adquirirse con la utilización de la radio e, medios parece incluso permitir la inclinación de la sociedad incluso, se propone fomentar de la información hacia una sociedad del conocimiento, como defiende la UNESCO. En Francia, se necesitaría unir el interés por la lectura a través de la lectura de la prensa. La educación en los medios las fuerzas dispersas en función de los soportes mediáticos y orientarse más hacia la educación en medios que al dominio adquiere pleno derecho y entidad en la sección sexta titulada «competencias sociales y cívi- técnico de los aparatos. cas» que indica que «los alum- nos deberán ser capaces de juz- gar y tendrán espíritu crítico, lo que supone ser educados en los las programaciones oficiales, ya que, a lo largo de un medios y tener conciencia de su lugar y de su influencia estudio de los textos, los documentalistas del CLEMI en la sociedad». han podido señalar más de una centena de referencias a la educación de los medios en el seno de disciplinas 4. Un entorno positivo como el francés, la historia, la geografía, las lenguas, Si nos atenemos a las cifras, el panorama de la las artes plásticas : trabajos sobre las portadas de educación en medios es muy positivo. Una gran ope- prensa, reflexiones sobre temas mediáticos, análisis de ración de visibilidad como la «Semana de la prensa y publicidad, análisis de imágenes desde todos los ángu- de los medios en la escuela», coordinada por el CLE- los, reflexión sobre las noticias en los países europeos, MI, confirma año tras año, después de 17 convocato- información y opinión rias, el atractivo que ejerce sobre los profesores y los Esta presencia se constata desde la escuela mater- alumnos. Concebida como una gran operación de nal (2 a 6 años) donde, por ejemplo, se le pregunta a complementariedad (2000) Structure and mechanism of the aberrant ba3-cytochrome c oxidase from Thermus thermophilus. EMBO J 19: 1766–1776. 9. Hunsicker-Wang LM, Pacoma RL, Chen Y, Fee JA, Stout CD (2005) A novel cryoprotection scheme for enhancing the diffraction of crystals of recombinant cytochrome ba3 oxidase from Thermus thermophilus. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 61: 340–343. 10. 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