História e conceitos básicos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto

Capítulo I 1

CAPÍTULO I

1.1. Considerações iniciais
O mapeamento é a atividade mais antiga da história da humanidade,
cuja origem se deu no período de transição do modo de vida nômade para
o sedentário. Desde então, o homem iniciou suas atividades de
domesticação de animais silvestres, traçado de rotas e outras temáticas
que acabaram por auxiliar o aperfeiçoamento das técnicas de caça, pesca,
ampliação e demarcação de terras agrícolas surgindo, posteriormente, a
necessidade da compilação de mapas e cartas topográficas.
A Ciência que trata do processo de mapeamento é denominada
Ciências Geodésicas, dividida basicamente em Geodésia, Cartografia e
Fotogrametria. Segundo a ASPRS (em inglês, American Society for
Photogrammetry and Remote Sensing, 1979) Fotogrametria é a Arte,
Ciência e Tecnologia de obtenção de informações confiáveis sobre objetos
físicos e o meio ambiente através de processos de gravação, medição e
interpretação de imagens fotográficas e padrões de energia eletromagnética
radiante e outros fenômenos. Sensoriamento Remoto é uma técnica utiliza
para obter e processar informações adquiridas sobre um objeto sem o
contato físico direto.
O termo Ciência é atribuído ao princípio de reflexão metodológica
sobre a interpretação semântica e as relações contextuais e topológicas
das feições cartográficas localizadas espacialmente na superfície física,
registradas em fotografias ou imagens digitais. A discussão é alusiva nos
diversos campos das Ciências, como por exemplo, da psicologia da forma,
do entendimento cognitivo cerebral e outras funções da capacidade de
interpretação do ser humano. É considerada como Tecnologia quando

Elementos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto / Curso de Engenharia Cartográfica – UFPR
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Capítulo I 2
utilizada como um processo de mapeamento para a geração de produtos
com qualidade métrica, como por exemplo, a compilação de mapas,
Modelos Digitais do Terreno (MDT) e outros.
Pode-se dividir a Fotogrametria em métrica e interpretativa. A
primeira consiste em medir com precisão e determinar o tamanho, área,
comprimento, volume, perímetro e as formas das feições cartográficas
presentes em uma imagem, bem como determinar com precisão suas
coordenadas plani-altimétricas, cuja prioridade é dar suporte para o
processo de compilação de mapas e cartas topográficas. A segunda
destina-se às medidas qualitativas, interpretação das feições cartográficas
contidas na imagem, como por exemplo, a identificação de uma cultura de
soja, tipo de solo etc. Foi desta fatia da Fotogrametria que surgiu o
Sensoriamento Remoto, com a finalidade de tratar os aspectos semânticos
dos objetos, ou seja, interpretar o significado dos objetos presentes na
imagem.
Ambas as técnicas, Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, são
totalmente correlacionadas, cuja principal diferença está na forma de
aplicação. Basicamente, a produção de mapas e a determinação de pontos
tridimensionais da superfície física com precisão é uma tarefa realizada
pelos fotogrametristas, enquanto os especialistas e profissionais da área de
Sensoriamento Remoto estão imbuídos da função de analisar e interpretar
imagens para derivar informações sobre os recursos naturais do globo
terrestre. Como o rápido desenvolvimento da eletrônica e da computação
tem causado grandiosos impactos no desenvolvimento da Fotogrametria e
do Sensoriamento Remoto, o que anteriormente era uma tarefa
estritamente fotogramétrica, isto é, o tratamento dos aspectos geométricos
dos objetos imageados, hoje o Sensoriamento Remoto (que tratava apenas
dos aspectos semânticos dos objetos), também tem tratado dos aspectos
supracitados conjuntamente.

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Capítulo I 3
Os lançamentos de satélites e os notáveis avanços na produção de
sensores de alto desempenho, no que concernem as resoluções: espacial;
radiométrica; espectral; e temporal; tem possibilitado estudos com análises
e tomadas de decisões mais eficientes sobre as diversas aplicações nas
Engenharias e outras áreas do conhecimento. Com a popularização de
suas aplicações também tem sido utilizada na automação industrial,
medidas arquitetônicas, reconhecimento de objetos no espaço físico à curta
e longa distância, na tomada de decisão em obras de Engenharia,
Cartografia, procedimentos médicos e odontológicos, Agricultura de
Precisão, Robótica, Análise ambiental, desenvolvimento planejado de
cidades e países, Arquitetura, Arqueologia, Oceanografia, Ecologia e
Conservação entre outras áreas do conhecimento e setores de
desenvolvimento da nação.
Ao contrário das técnicas de levantamento direto, tais como, a
Topografia e a Geodésia, a Fotogrametria e o Sensoriamento Remoto são
técnicas de levantamento indireto, isto é, para medir um objeto contido na
superfície física não é necessário o contato direto do operador humano com
as feições cartográficas, pois as mesmas são imageados por meio de
fotografias ou imagens digitais adquiridas por sensores acoplados em
veículos aerotransportados, de navegação terrestre, espacial ou orbital,
permitindo a solução de problemas práticos de grande extensão de forma
rápida, econômica e com precisão.
Quanto à precisão, a qualidade das coordenadas planimétricas,
obtidas por técnicas fotogramétricas, é em torno de três vezes melhor que
as coordenadas altimétricas. Existem dois métodos de determinação de
coordenadas plani-altimétricas na Fotogrametria, isto é, o método
monoscópico e o método estereoscópico. Quando se utiliza apenas uma
única imagem o método é denominado de monoscópico e quando se
utilizam duas ou mais imagens é denominado método estereoscópico. Um

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Capítulo I 4
dos fatores imprescindíveis para obtenção de produtos com precisão
cartográfica é o conhecimento do equipamento ou sistema a ser utilizado
para a execução do processo de mapeamento.
O estudo dos equipamentos a serem utilizados se inicia com a
decisão sobre o equipamento para registro da energia eletromagnética. Na
Fotogrametria são utilizadas câmaras específicas de filme, sensores CCD
(em inglês, Charge Coupled Device) de quadro ou de varredura linear.
Posteriormente, é necessário estudar o tipo de sistema fotogramétrico ou
equipamento restituidor. O controle de qualidade de um produto cartográfico
compilado por processos fotogramétricos pode ser obtido por meio de
produtos secundários, como por exemplo, MDTs e Fototriangulação de
imagens.
Espera-se que a quanto melhor a qualidade geométrica e
radiométrica dos sensores, maior será a integração entre a Fotogrametria e
Sensoriamento Remoto. Neste aspecto, a comunidade fotogramétrica já
tem despendido esforços no desenvolvimento de modelos matemáticos que
relacionam funcionalmente os espaços imagem e objeto, a partir de
geometrias definidas por imageamento via satélite. Muitos profissionais da
área de mapeamento se questionam sobre o seguinte aspecto: a
Fotogrametria será extinta com a entrada massificadora das imagens de
satélite na comunidade? Não, pois a Fotogrametria consiste da análise
geométrica dos dados e quanto melhor a resolução geométrica dos
sensores (hoje melhor que 40 cm, disponíveis para uso civil), maior será a
necessidade do uso da Fotogrametria e mais popularizada se tornará esta
Ciência.
Uma reflexão mais detalhada sobre o assunto permite concluir que o
Sensoriamento Remoto é uma tecnologia derivada da Fotogrametria, criada
com a finalidade de apresentar uma terminologia para a técnica de
interpretação qualitativa das fotografias e tratar o aspecto semântico dos

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Capítulo I 5
objetos e por isso deverá sempre exercer a função interpretativa, enquanto
a origem da Fotogrametria é exclusivamente para tratamento métrico das
entidades. Portanto, mesmo que sejam utilizadas imagens de satélite para
mapeamento, o princípio de tratamento dos dados jamais será
desconstruído.
Portanto, o propósito desta apostila é introduzir os alunos da
disciplina aos elementos de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, com a
finalidade de apresentar as definições de Fotogrametria e Sensoriamento
Remoto, os aspectos históricos, tratamento da energia eletromagnética, os
elementos fotogramétricos, geometria das imagens, definição dos sistemas
de coordenadas de imagem e fiducial, escala fotográfica, sobreposição
longitudinal e lateral, sensores fotogramétricos e espaciais, definição de
estereoscopia e paralaxe, processos de visualização estereoscópio entre
outras.

1.2. História básica da Fotogrametria
A Fotogrametria obteve suas primeiras contribuições em 350 a.c com
o Filósofo Aristóteles por ter descrito o processo de projeção de imagens
opticamente. No início do século XVIII o Dr. Brook Taylor publicou um
tratado sobre a perspectiva linear e mais tarde J. H. Lambert sugeriu que o
princípio de perspectiva poderia ser utilizado na compilação de mapas.
A prática atual da Fotogrametria não poderia ocorrer até o
desenvolvimento do processo fotográfico. O fato ocorreu em 1839, quando
Louis Daguerre de Paris anunciou o processo fotográfico direto. Neste
processo a exposição foi realizada em uma placa de metal sensibilizada
pela luz, com uma porção de iodeto de prata, dando origem ao processo
fotográfico dos dias atuais.
Um ano depois da invenção de Daguerre, um geodesista da
Academia Francesa, demonstrou que o uso de fotografias era viável no

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Capítulo I 6
mapeamento topográfico, ocorrido em 1849 sob o comando do Coronel
Aimé Laussedat do Corpo de Engenheiros do exército francês. Durante
vários anos o Coronel Laussedat investiu seu conhecimento e sua
persistência para o desenvolvimento da prática da fotogrametria aérea, com
o uso de balões para a tomada das fotografias. Porém, devido às
dificuldades encontradas para obter fotografias aéreas, migrou seus
estudos para a prática da Fotogrametria Terrestre. Já em 1859 o Coronel
Laussedat apresentou os resultados de seu trabalho e foi considerado o Pai
da Fotogrametria.
No início do século XX o Dr. Carl Pulfrich iniciou experimentos com
pares estereoscópicos de fotografias. A partir de seu trabalho foram
desenvolvidos vários dos equipamentos restituidores. Após a invenção da
aeronave em 1902, a Fotogrametria aérea ganhou campo no
desenvolvimento dos trabalhos de mapeamento, reconhecimento,
inteligência e estratégia bélica etc. E nos dias atuais, devido ao grande
desenvolvimento tecnológico, a Fotogrametria tornou-se uma Ciência que
busca a automação dos processos com a finalidade de aumento da linha de
produção, diminuição do esforço operacional, crescimento tecnológico etc.
O desenvolvimento da Fotogrametria depende exclusivamente do
avanço científico e tecnológico, cuja história se deu a partir da invenção da
fotografia, da aeronave, dos computadores e da eletrônica. Atualmente, a
Fotogrametria está dividida em: Fotogrametria Analógica; Fotogrametria
Analítica; e Fotogrametria Digital. A fase Analógica se deu a partir da
revolução industrial. Neste período houve grande preocupação com o
desenvolvimento de equipamentos óptico-mecânicos de precisão, que
possibilitou a construção do primeiro EstereoPlotter em 1908 e
proporcionou grandes avanços no processo de mapeamento, tendo como
principal foco a compilação de mapas e cartas topográficas de forma rápida
e econômica, em escalas menores que 1:50000. Ainda nesta época, a

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Capítulo I 7
produção de mapas era considerada uma tarefa árdua, morosa,
propagadora de erros grosseiros e necessitava de operadores devidamente
treinados.
As câmaras aéreas e aeronaves tornaram-se operacionais a partir da
I Guerra Mundial. A partir da II Guerra Mundial a Fotogrametria se
estabeleceu como um eficiente método de levantamento e mapeamento. A
teoria matemática básica já era conhecida, porém a quantidade exorbitante
de cálculos impossibilitou as soluções numéricas e consequentemente
todos os esforços foram reduzidos aos métodos analógicos.
Com o desenvolvimento da tecnologia a Fotogrametria migrou para a
denominada fase Analítica. No primeiro momento foi dada atenção à
integração dos métodos de ajustamento às medidas fotogramétricas,
aliando os modelos matemáticos e os algoritmos computacionais aos
instrumentos ópticos-mecânicos com o hardwares computacionais, com a
finalidade de relacionar as observações efetuadas no espaço-imagem
(fotografias) e no espaço-objeto (superfície física), para as devidas
orientações das imagens e posteriores medidas a serem realizadas,
principalmente no que concerne a fototriangulação de imagens. A partir
deste momento, os plotters analíticos foram a maior invenção da fase
Analítica.
A partir da década de 70, a Fotogrametria se projetou na era digital
cooptando com técnicas de Processamento de Imagens, Visão
Computacional e Inteligência Artificial, que por sua vez, possibilitou a
automação de algumas de suas tarefas, tais como: a orientação interior de
imagens; a geração de MDT; e a geração de ortofotos digitais. A automação
das tarefas fotogramétricas tem beneficiado as empresas com o aumento
da produtividade, melhoria da qualidade dos produtos, redução de tempo na
execução das tarefas, feedback do processo produtivo, entre outros fatores.

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Capítulo I 8
No entanto, ainda existem grandes metas a serem atingidas, pois
dentre as tarefas fotogramétricas existentes, a orientação exterior de
imagens (recuperação dos parâmetros de posição e rotação da câmara e
seus respectivos desvios-padrão), fototriangulação de imagens
(recuperação dos parâmetros de posição e rotação da câmara e
determinação tridimensional de pontos no terreno) e a extração de feições
cartográficas, tais como, as rodovias e as edificações, ainda exigem um
maior grau de automação. O problema da extração de feições cartográficas
tem sido bastante estudada pela comunidade e a automação desse
processo exige a implementação de algoritmos eficientes e robustos, ou
seja, que realmente são preparados para admitir qualquer situação, como
por exemplo, tipo de relevo, obstruções parciais ou totais, diferença de
escala entre as fotografias ou imagens etc. Atualmente, a extração
automática de rodovias é o tema mais discutido pela comunidade.
No âmbito internacional, os problemas de recuperação automática
dos parâmetros da câmara (orientação exterior e fototriangulação de
imagens) têm sido solucionados com uso da integração GPS (em inglês,
Global Positioning System), INS (em inglês, Inertial Navegation System) e
câmara, acoplados em plataformas aéreas e de mapeamento terrestre
móvel.
Uma tecnologia emergente no mercado nacional é o sistema de
varredura LASER. O sistema integra os sistemas supracitados à um
sistema LASER, que possui como princípio de funcionamento a aquisição
das informações tridimensionais e a resposta espectral dos objetos contidos
na superfície física, bem como a atitude da aeronave no momento do
registro da energia eletromagnética. Devido ao alto custo do sistema ele
ainda não é acessível à todas as empresas de mapeamento.
Por outro lado, apesar do acelerado desenvolvimento tecnológico e
dos grandes esforços na implementação de algoritmos computacionais

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Capítulo I 9
específicos para automação das tarefas fotogramétricas, apenas 30% do
processo fotogramétrico em uso na linha de produção é automático, os 70%
restante ainda se encontram nas metodologias científicas. Uma das razões
básicas é a complexidade da cena (imagem ou fotografia), que influenciam
na taxa de eficiência e robustez dos sistemas automatizados, considerando
a complexidade do processo de mapeamento. Também se pode considerar,
no âmbito nacional, as questões de ordem cultural de interação entre
empresas e instituições de pesquisas, cuja mentalidade tem mudado nos
últimos 5 anos. Neste sentido, os pensamentos dos dirigentes federais e os
empresários contemporâneos estão convergindo para a integração entre
empresas privadas e instituições de pesquisa, valorizando o potencial do
desenvolvimento técnico-científico e aproximando cada vez mais o Brasil
das grandes potências mundiais de desenvolvimento tecnológico definindo-
o em termos de especificação de produtos, tempo e custo.
Para a absorção de qualquer pesquisa, desenvolvida no âmbito
acadêmico, na linha de produção é necessário um longo e exaustivo
processo de “feed-back” entre pesquisadores, operadores e usuários dos
sistemas. Um exemplo do problema supracitado é a história dos
restituidores analíticos, que apesar de serem inventados na década de 50
começaram a ser produzidos em massa 20 anos após sua idealização.
Outro exemplo é o algoritmo de Fototriangulação de imagens, cuja
fundamentação matemática foi estabelecida nos anos 50, o primeiro
programa tornou-se disponível na década de 60, porém somente a partir da
década de 70 foi utilizada na linha de produção fotogramétrica.

1.3. Energia eletromagnética
A informação registrada é a radiação de energia proveniente de
uma fonte natural ou artificial de radiação de energia eletromagnética. O Sol

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Capítulo I 10
é uma fonte natural de radiação de energia eletromagnética mais
conhecida. O flash de uma câmara, por exemplo, é considerada uma fonte
artificial.

1.3.1. Energia radiante
Para melhor entendimento dos conceitos que serão apresentados
posteriormente é necessária uma noção básica de energia radiante. Todas
as formas de energia radiante, que nada mais é que partículas de onda que
compõem o espectro eletromagnético percorrem o meio através de ondas
(Fig. 1.1). Na Física óptica um raio de luz se propaga no meio como uma
linha reta e na Física quântica, de acordo com a teoria básica da onda, a
energia radiante se propaga em forma de ondas, na velocidade da luz
(3x10-8 m/s), com um campo elétrico e outro magnético, ortogonais entre si
com a mesma intensidade e repetitividade, num determinado tempo. Neste
campo da física, esta energia é estudada como uma onda de luz com
comprimento (λ), freqüência (f), amplitude (A) e velocidade (v) definida por
um campo eletromagnético. A Figura 1.1. mostra o campo eletromagnético
e seus elementos descritores.

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Capítulo I 11
Figura 1.1. Campo eletromagnético.

Na Figura 1.1 podem ser descriminados os elementos E (direção
do campo elétrico), M (direção do campo magnético), c (velocidade da
luz), A (amplitude da onda) e λ (comprimento de onda). De uma forma
geral, existem 3 (três) medidas que descrevem as ondas eletromagnéticas,
a saber:
• Comprimento de onda: distância entre dois picos
sucessivos de onda medida em micrômetros (µm);
• Freqüência: quantidades de picos de ondas que passam
por um ponto fixo no espaço de uma unidade de tempo,
medida em Hertz (Hz); e
• Velocidade: velocidade da luz, medida em metros por
segundo (m/s-1).

Apesar do comprimento de onda possuir uma relação inversamente
proporcional à freqüência, por razões de customização o comprimento de
onda é a medida mais usual. A energia radiante emitida pelo Sol ao atingir a

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Capítulo I 12
superfície física interage com os objetos presentes neste corpo e sofre as
propriedades de reflexão, transmitância e absortância em variadas
proporções quantitativas.
A capacidade de um objeto refletir energia eletromagnética
depende do tipo de superfície, ao qual ocorre a interação. No caso de
superfícies rugosas (Fig. 1.2b) a energia incidente é espalhada em vários
ângulos. As superfícies especulares, tais como, corpos d’água, espelhos,
áreas desérticas etc, provocam um espalhamento total da energia incidente
e com o mesmo ângulo de incidência (Fig. 1.2a).

Figura 1.2. (a) Superfície especular. (b) Superfície rugosa.

(a) (b)

Os filmes fotográficos e os sensores digitais (por exemplo, o CCD)
são sensíveis ao comprimento de onda refletido pelos objetos, que
corresponde à faixa espectral da luz visível e infravermelho próximo (0,3-
0,7µm – 0,8-1,6µm, respectivamente). A Figura 1.3 apresenta o espectro
eletromagnético.

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10-9
Capítulo I 13
Figura 1.3. (a) Espectro eletromagnético 1 = 10-8 cm. (b) Porção de uma
imagem colorida correspondente ao comprimento de onda na faixa do
visível. (c) Porção de uma imagem infravermelha correspondente ao
comprimento de onda na faixa do infravermelho próximo. (Cortesia: Esteio
Aerolevantamentos)

(a) (b) (c)

Na -7Fotogrametria, a 10-1
10 10-5 10-3 energia radiante é tratada de acordo com a
teoria da Física Óptica, no qual a energia radiante é considerada um raio de
luz retilíneo que atravessa o meio sofrendo as devidas perturbações até
atingir o sistema de lentes de um sensor.
Os olhos humanos têm a capacidade de perceber apenas a porção
do espectro eletromagnético correspondente à faixa espectral do visível.
Nesta faixa do espectro, uma pequena porção da energia radiante é
atenuada pela atmosfera. As componentes RGB (em inglês, Red, Green,
Blue) compõem as cores básicas da faixa do espectro correspondente ao
visível (0,3-0,7µm), sendo a cor azul a de menor comprimento de onda e a
cor vermelha de maior comprimento de onda. De acordo com Plank, a
energia radiante se transfere entre os corpos em quantidades fixas, isto é, o
corpo não irradia energia de maneira contínua, mas por meio de pulsos.
Neste caso, quando um átomo é atingido pela energia eletromagnética

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Capítulo I 14
ocorre uma alteração do seu estado. A energia então é absorvida pelo
átomo, que provoca um salto energético de um elétron do átomo.
Segundo Plank, a energia transportada por fóton (energia
necessária para provocar o salto energético de um elétron) é dada por:

En = hs * fr (1.1)
Onde,
• En : energia em Joule [J];
• hs : constante de Plank, 6,6x1034[Js];
• fr : freqüência [µm/s]
Considerando o exposto acima, pode ser determinada uma relação
c
entre freqüência ( fr = ) e comprimento de onda, a saber:
λ

c
fr = (1.2)
λ

Substituindo a Equação (1.2) na Equação (1.1) tem-se que:

c
En = hs * (1.3)
λ

O que corresponde a dizer que quanto menor o comprimento de
onda maior a energia da onda eletromagnética e quanto maior o
comprimento de onda menor a energia da onda eletromagnética. A idéia
proporcionou o prêmio Nobel ao ilustre Físico e Pensador Max Plank e tem

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Capítulo I 15
colaborado efetivamente no desenvolvimento das metodologias científicas
em várias áreas do conhecimento.
Na Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, a energia radiante
geralmente é registrada em câmaras analógicas e câmaras digitais. O
processo de gravação e registro das informações em câmaras analógicas é
realizado por um processo denominado de emulsão fotográfica e nas
câmaras digitais por meio de um sensor com dispositivo de carga acoplada,
cujas características serão apresentadas a seguir.

1.4. Gravação e registro da energia eletromagnética
O processo de gravação de informações, por meio de câmaras
fotográficas, consiste no registro rápido e indireto dos objetos presentes na
superfície física. Os tipos de informações registradas pelos sensores são os
que seguem:
• Geométrica: descrevem os atributos de comprimento, forma
(círculos, pontos, linhas, curvas etc) e topológicos
(adjacência, distância e posição) dos objetos;
• Radiométrica: registram das informações de tonalidade de
cinza ou das componentes RGB (Red, Green, Blue) dos
objetos;
• Semântica: interpretam geométrica e radiométricamente os
objetos registrados; e
• Temporal: registram as mudanças temporais da
representação física da superfície e dos objetos, por meio de
análise de imagens adquiridas em diferentes épocas.

Uma câmara fotográfica contém as seguintes componentes
básicas: sistema de lentes, obturador, distância focal (f) e o filme que

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Capítulo I 16
permite gravar a energia eletromagnética incidente sobre o sistema de
lentes da câmara. O processo de gravação e registro da energia
eletromagnética parte do mesmo princípio de funcionamento do sistema
visual humano. A Figura 1.4 mostra uma ilustração dos elementos que
compõem o olho humano.

Figura 1.4. Olho humano e seus elementos básicos.

Ao fazer uma analogia simples entre o processo de gravação da
energia eletromagnética de uma câmara fotográfica e o olho humano tem-
se que, o sistema de lentes de uma câmara tem a mesma funcionalidade
que a córnea do olho humano, assim como a distância focal corresponde ao
mesmo princípio de funcionamento do cristalino, o obturador funciona como
a íris, isto é, controla a quantidade de luz que incide sobre o filme
fotográfico ou o sensor CCD admitem a mesma função da retina ocular.
Atualmente, no processo de gravação e registro da energia
eletromagnética o sistema sensor mais utilizado em aplicações
fotogramétricas é baseado no CCD, porém, ainda são utilizadas câmaras
métricas convencionais de precisão cartográfica baseadas na emulsão de
papel fotográfico. Por isso, será dada aqui uma visão geral do processo
fotográfico considerando o conhecimento sobre exposição fotográfica,

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Capítulo I 17
processamento e revelação das emulsões fotográficas. Basicamente, o
processo fotográfico segue os passos apresentados na Figura 1.5.

Figura 1.5. Passos do processo fotográfico.

Exposição
fotográfica

Processamento

Revelação
fotográfica

Na figura 1.5, a exposição fotográfica é definida como a quantidade
de energia radiante incidente sobre o sistema de lentes da câmara, que
permitirá a emulsão fotográfica para um determinado tempo de exposição
da luz. A exposição fotográfica está em função da abertura do diafragma do
sistema de lentes da câmara e o tempo de exposição. Como, atualmente, a
maioria dos filmes fotográficos são coloridos, na fase de processamento
fotográfico será apresentada uma visão geral de alguns elementos básicos
para melhor entendimento. A Figura 1.6 ilustra o conceito de filmes
coloridos e falsa cor.

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Capítulo I 18
Figura 1.6. Filme colorido. (Adaptado de Schenk, 2005).

O filme colorido é sensível as irradiações do espectro visível. A
primeira camada em contato com a radiação eletromagnética é o vermelho
(R-RED), a camada mediana é o verde (G-Green) e a terceira camada é o
azul (B-BLUE). Durante o processamento fotográfico luz branca é incidida
sobre o filme fotográfico e a situação é inversa, ou seja, a camada R torna-
se transparente à luz vermelha sua camada é vista como ciano, no caso da
camada G a mesma torna-se magenta devido ao processo de subtração da
cor branca com a verde e a camada B muda para amarelo. Se o
processamento fotográfico é visualizado sobre luz branca, as cores originais
aparecerão. Neste caso, pode-se concluir que o uso de filtros é essencial
para absorção de luz em alguns comprimentos de onda, por exemplo, o
filtro amarelo absorve a luz azul do céu de forma a prevenir atenuações
provocadas pelos efeitos da atmosfera.
No caso dos filmes falsa cor, como pode ser visualizada na Figura
1.6, a primeira camada corresponde ao infravermelho (IR-INFRARED), a

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Capítulo I 19
segunda camada ao vermelho e a terceira camada o verde. Com o
processamento fotográfico o R corresponde ao IR, o G ao R e o B ao G,
cuja explicação é dada o nome falsa cor e neste caso, como a vegetação
reflete demasiadamente o IR, florestas e árvores aparecem com cor
vermelha nas imagens.
Na Figura 1.5, a terceira etapa básica do processo fotográfico
consiste no processo de revelação fotográfica, cuja tarefa demanda o uso
de material químico e laboratório específico de alto custo. Para um filme
pancromático (Preto e Branco) o material fotográfico é composto por 3
níveis, isto é, a base, a emulsão fotográfica e um nível de antihalo. A base
pode ser feita de vários materiais (vidro, acetato, poliéster etc) e é quem
fornece o suporte da emulsão. O nível antihalo é uma camada que impede
a reflexão interna dos raios de luz incidentes na base, de forma que não
sejam produzidas imagens “fantasmas” na emulsão. Já a emulsão é
composta por gelatina com cristais de haleto de prata suspensos, fazendo
com que sejam quebradas as ligações do haleto de prata quando a energia
luminosa atinge o cristal de prata suspenso nesta camada. Desta forma, o
processo de revelação fotográfica permite a visualização da imagem latente
formada pelo conjunto de cristais expostos à luz. A Figura 1.7 ilustra a visão
de uma seção transversal de uma fotografia colorida.

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Capítulo I 20
Figura 1.7. Seção transversal de uma fotografia colorida. (Adaptado de
Schenk, 2005)

Um fator crítico da fotografia é a estabilidade geométrica da base do
seu material. Como descrito anteriormente, vários são os materiais
utilizados como base, porém, o mais eficiente e de usado em aplicações
fotogramétricas é a base de poliéster, que fornece uma estabilidade de
poucos micrometros. As deformações do filme ocorrem durante o
processamento fotográfico, que consiste de erros sistemáticos e aleatórios,
cujos são determinados durante a orientação interior da fotografia, para
posteriores refinamentos.
A câmara digital, de estado sólido ou CCD são termos genéricos que
se referem ao tipo de elemento sensor usado para gravar e armazenar
energia eletromagnética. Uma das maiores vantagens no uso de câmaras
digitais em relação ao uso de filmes analógicos (descritos anteriormente) é
a possibilidade de adquirir imagens instantaneamente para futuros
processamentos e análises, cuja característica é essencial para aplicações
em tempo real, tais como, robótica, aplicações industriais entre outras.
Outra vantagem é a melhor resolução radiométrica das imagens e
flexibilidade de manuseio. Por outro lado, possui como desvantagens uma
pior resolução geométrica e ângulo de abertura limitado.
As câmaras digitais têm sido muito utilizadas em aplicações
fotogramétricas desde a década de 70. O CCD fornece alta estabilidade e
por isso é considerado o sensor preferido para uso em câmaras digitais. O

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Capítulo I 21
Sensor é encaixado num substrato de cerâmica e coberto por um vidro,
cujas dimensões mais usuais variam de ½ e 2/3 polegadas com 2048x2048
pixels (picture by elements). A Figura 1.8 apresenta um sensor CCD e a
matriz de elementos sensores.

Figura 1.8. (a) Sensor CCD. (b) matriz de elementos sensores (pixels).

Pixel
(a) (b)

Um sensor CCD é composto por um conjunto de pixels (ver Fig. 1.8b)
que forma uma matriz bidimensional de elementos sensores (pixels) que
possuem dimensão menor que 10 µm, com espaçamento de poucos
micrometros entre cada elemento sensor. O tamanho do sensor está
relacionado com a área ativa do mesmo, cuja especificação é determinada
pela sua dimensão diagonal em polegadas ou milímetros. A Figura 1.9
mostra diversos sensores e suas dimensões em polegadas e milímetros.

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Capítulo I 22
Figura 1.9. Dimensões de um CCD.

4.8
3.2

4.0 3.6 6.0
2.4

¼” 1/3”

6.4 8.8

4.8 8.0 6.6 11

½”
2/3”

O tamanho do sensor define a resolução em contagem de pixels,
onde quanto maior o sensor, maior a concentração de pixels por milímetro e
conseqüentemente, melhor será a resolução do mesmo. Um sensor de 1/3”,
por exemplo, com 640x480 pixels terá 133 pixels por milímetro e uma
resolução de 7,51 µm por pixel no sensor. O formato do sinal utilizado nos
sensores CCD são basicamente quatro: Sinais compostos, Y-C, RGB e
Digital. O sinal composto de vídeo pode seguir a norma EIA definida como
RS-170 que define 30 quadros por segundo (em inglês, Frames Per Second
-FPS), resolução de 640 x 480 pixels e sistema de cor NTSC (em inglês,
National Television Systems Commitee) utilizado nos Estados Unidos ou a
norma CCIR (em inglês, Commité Consultatif International des
Radiocommunications), que define 25 quadros por segundo, resolução de
768 x 576 pixels e sistema de cor PAL, utilizado na Europa. A Figura 1.10

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Capítulo I 23
ilustra a relação existente entre o tamanho do sensor CCD e o tamanho do
pixel ao longo dos anos.

Figura 1.10. Relação entre o tamanho do sensor CCD e o tamanho
do pixel.

Sabe-se que o tamanho do pixel de um sensor CCD 1/3”, cujas
dimensões em x e y são 4,8x3,6 mm (tamanho físico do CCD), é 7,51 µm.
Portanto, para calcular o tamanho do pixel de um sensor CCD 2/3”, cujas
dimensões em x e y são 8,8x6,6 mm (diagonal física do sensor é de 11
mm), com 2560x1920 pixels (número total de colunas e linhas,
respectivamente) basta fazer a seguinte relação, a saber:

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Capítulo I 24

8.8
x y
Rp = =
NTC NTL
6.6 11

2/3”

Onde,
Rp : Tamanho do pixel;
x, y : Dimensões físicas do CCD;
NTC : Número total de colunas;
NTL : Número total de linhas.

Neste caso, o tamanho do pixel é 3,4 µm comprovando a discussão
anterior, onde quanto maior o sensor melhor sua resolução, pois 2/3”
(tamanho do pixel de 3,4 µm) é maior que 1/3” (tamanho do pixel de 7,5
µm), entretanto, sua resolução espacial é melhor. A seguir será descrito o
princípio básico de funcionamento do sensor CCD.

1.4.1. Princípio de funcionamento do sensor CCD
Como descrito anteriormente, os sensores CCD são constituídos por
uma superfície sólida sensível à luz, dotada de circuitos que permitem ler e
armazenar eletronicamente imagens digitais. Uma câmara digital CCD é
formada por um conjunto de circuitos eletrônicos, um sistema de
refrigeração e um suporte mecânico. O CCD foi inventado em 1970, sendo
o primeiro sensor linear desenvolvido com 96 pixels. Atualmente, existem
sensores com mais de 50 milhões de pixels.

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Capítulo I 25
Um CCD típico consiste num semicondutor formado por uma placa
retangular de silício, onde é implantada uma rede de eletrodos ou
capacitores (carga positiva) que capturam e analisam os elétrons (carga
negativa) gerados na placa de silício pelo efeito fotoelétrico. O efeito
fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material (o silício, no caso do
CCD) quando exposto a radiação eletromagnética. Neste caso, quando
uma quantidade de energia radiante superior incide sobre o material
semicondutor (placa de silício) ocorre uma absorção de fótons e os elétrons
livres abandonam suas órbitas por serem atraídos pelas cargas positivas
contidas nos capacitores. Os capacitores são dispostos em colunas de
modo a cobrir todo o CCD (Figura 1.11b) e possuem a propriedade de
manter ao seu redor os elétrons atraídos. O silício é a matéria prima básica
para a construção de sensores CCDs. A Figura 1.11 mostra um esquema
simplificado do efeito fotoelétrico.

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Capítulo I 26
Figura 1.11. (a) Ilustração do efeito fotoelétrico. (b) Capacitores
dispostos matricialmente no sensor CCD.

(a) (b)

As diferentes colunas são isoladas entre si por um material que gera
um potencial negativo permanente ao entrar em contato com a placa de
silício, o que evita a contaminação entre colunas. As linhas de capacitores
considerados perpendicularmente às colunas são designadas como filas.
Cada capacitor é uma peça fundamental do detector CCD e corresponde a
um elemento da imagem digital que será gerada, designado por pixel, cujo
tamanho físico é variável.
O arranjo básico do efeito fotoelétrico é repetido várias vezes até que
a energia eletromagnética não seja mais incidida sobre a placa de silício
obtendo como informação cargas de energia acumulada (pontos pretos na
Figura 1.12), que é proporcional à energia radiante incidida sobre o
capacitor. A Figura 1.12 ilustra o processo supracitado.

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Capítulo I 27
Figura 1.12. Captura e acumulação de luz no sensor CCD.

Ao final do processo de registro e gravação da energia
eletromagnética a quantidade de energia acumulada (carga acumulada),
proporcional à quantidade de energia armazenada em cada capacitor,
deverá passar por um processo denominado transferência de carga
acumulada. O princípio de transferência de carga acumulada é baseado na
leitura das voltagens acumuladas em cada capacitor (pixel de imagem, Fig.
1.11b). A Figura 1.13 ilustra o processo de transferência de carga
acumulada.

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Capítulo I 28
Figura 1.13. (a) CCD simplificado com 30 pixels e um registro de
deslocamento e um amplificador de saída. (b) Analogia para fins de
didática.

Instante 1 Instante 2 Instante 3

Instante 4 Instante 5 instante 6

(a)

(b)

Na Figura 1.13a ilustra-se um CCD simplificado com 30 pixels, cada
qual possui uma quantidade de carga acumulada (retângulos em verde), um
registro de deslocamento (retângulo alaranjado) e um amplificador de saída

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Capítulo I 29
(retângulo vermelho). Após o registro da energia eletromagnética os
potenciais de cada eletrodo são modificados e a carga é transferida de um
eletrodo para outro verticalmente, como mostra a Figura 1.13a, até alcançar
o registro de deslocamento. A partir deste, a carga acumulada é transferida
horizontalmente, uma a uma, para um amplificador de saída, que
posteriormente converte o sinal analógico (voltagem) em sinal digital, por
meio de um conversor analógico digital.
Como analogia do processo supracitado, considere uma seqüência
de baldes (baldes de carga) de água distribuídos numa esteira rolante, cuja
finalidade é armazenar a água da chuva (Fig. 1.13b). E ainda, outra
seqüência de baldes (baldes de transferência) com a finalidade de receber
a água da chuva armazenada anteriormente, que deverá descarregar a
quantidade de água acumulada num pluviômetro. Esta analogia pode ser
feita para entendermos o funcionamento do processo de transferência de
carga acumulada. Neste caso, os baldes de carga realizam a função dos
pixels, enquanto os baldes de transferência realizam a função do registro de
deslocamento e o pluviômetro a função do amplificador do sinal analógico.
Após o sinal analógico ser convertido em digital é formado uma imagem
digital. A Figura 1.14 ilustra um conjunto de elementos espacialmente
ordenados que compõem uma imagem digital.

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Capítulo I 30
Figura 1.14. (a) Ilustração de uma imagem digital. (b) Resolução
radiométrica de uma imagem.
C

Imagens pancromáticas
128 255 128

255 0 255

200 255 200

Imagens coloridas
L R
G
B

(a)
Resolução de 9 bits (0-511)

Resolução de 10 bits (0-1023)

(b)

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Capítulo I 31
Uma imagem digital é um conjunto de elementos de imagem
espacialmente ordenados em um arranjo matricial (Fig. 1.14a), cuja posição
é dada por (C, L), sendo que a cada elemento de imagem (pixel) é
associado um nível de cinza, expresso genericamente por F (C , L) , que
são valores inteiros armazenados em “palavras” de n bits (dígitos binários),
sendo que o número máximo de níveis de cinza que pode ocorrer na
imagem é 2n bits (GALO, 1993). Quanto maior o valor de n melhor a
resolução radiométrica da imagem (ver Fig. 1.14b).
A resolução radiométrica é dada pelo número valores digitais que
representam os níveis de cinza na imagem, usados para expressar os
dados coletados pelo sensor. O número de níveis de cinza é dado em
função do número de bits necessários para armazenar o valor do nível
máximo, na forma digital. Por exemplo, as imagens de satélite oriundas de
processamento de dados (energia radiante) adquirida pelo sensor acoplado
no satélite Spot possui resolução radiométrica de 8 bits (23) , o que significa
o registro de imagens em 256 níveis de cinza.
Na Figura 1.14a, uma porção da imagem digital (3x3) mostra que os
valores digitais (128, 255, 0, 200) expressam os níveis de cinza (cor preto,
branco e cinza) contidos em cada posição da imagem. No caso de imagens
coloridas, existe uma combinação das componentes RGB, cujo cada
componente expressa um nível de cinza para cada posição correspondente
na imagem. Na Figura 14b, verifica-se visualmente que quanto maior a
resolução radiométrica da imagem maior o nível de detalhes que podem ser
visualizados, por exemplo, na imagem com resolução de 9 bits não é
possível visualizar as feições cartográficas recobertas pela oclusão
(sombra), porém, na imagem com resolução de 10 bits, as mesmas são
visualizadas.

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Capítulo I 32
As imagens formadas por câmaras digitais são eivadas de ruídos
(efeitos sistemáticos ou aleatórios que são provocados por defeitos na
fabricação do sensor CCD ou deficiência na tecnologia dos CCD). Os
efeitos mais importantes são: dark current (corrente escura); blooming
(saturação); smear (mancha); traps (armadilhas); e blemishes
(deformidade). Todos estes efeitos resultam na degradação da qualidade
da imagem. Trataremos aqui apenas do efeito da corrente escura.

1.4.1.1.1. Corrente escura (Dark current)
Durante o tempo de iteração da energia eletromagnética com o CCD,
ocorre o acumulo da interferência térmica em cada elemento de imagem
(pixel). Isto ocorre devido à necessidade do sensor CCD ser refrigerado a
uma temperatura muito baixa para que o sinal seja reduzido a um nível
negligenciável. O resultado da interferência provocada pelo mau
resfriamento é conhecido como corrente escura, a qual interfere na
qualidade da imagem resultando em dois ruídos, isto é, o ruído de leitura e
o ruído espacial (THETA SYSTEM Elektronik GmbH, 2004).

Figura 1.15. Diagrama da corrente escura de diferentes sensores CCD.
Fonte: THETA SYSTEM Elektronik GmbH (2004).

10.000,0
CCS30-11bi
1.000,0
CCS30-11oe
FT18
100,0
Elétrons/pixel

FTT1010
10,0 FTF3020

1,0 ICX285

0,1
-10 0 10 20 30
Temperatura (ºC)

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Capítulo I 33

THETA SYSTEM Elektronik GmbH (2004) retrata que a corrente
escura possui uma relação Temperatura x Elétrons/pixel quase exponencial
como mostra a Figura 1.15. O ruído de leitura relaciona-se com as
flutuações registradas durante o processo de leitura e uma maneira de
correção consiste em efetuar uma média ou soma mediana de diversas
imagens do mesmo objeto. Já o ruído espacial, está relacionado ao fato de
cada elemento sensor reagir de modo distinto à corrente escura, produzindo
um aspecto granulado na imagem, sendo habitualmente construído um
mapa de referência pela soma media de 7 a 10 imagens obtidas em total
obscuridade (RÉ, 2005).

1.4.1.1.2. Formação de cores em sensores CCD
De acordo com Bockaert (2003) a formação da cor, nas câmeras
digitais, é baseada nos princípios do filme colorido. Para tanto, são
dispostas três películas (filtro) sobre o sensor CCD, que consistem em
medir as cores fundamentais segundo as indicações no diagrama
apresentado na Figura 1.16a.

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Capítulo I 34
Figura 1.16. (a) Processo da formação da cor em meio analógico e digital.
(b) Arranjo das corres do filtro de Bayer em um array de pixel em um
sensor. FONTE: BOCKAESTA (2003).

Filme colorido 35 mm

Camadas de filtro
cor sob o sensor

(a)
Luz

Disposição da grade de
filtro de cor do sensor

(b)

Devido à estrutura do CCD, as películas não podem ser contínuas,
assim, neste caso essa película é posta em forma de uma grade de filtro de
cor sobre o CCD das câmeras fotográficas digitais para capturar as
componentes: vermelho, verde, e azul da luz incidida sobre ele (Fig. 1.16b).
Essa grade de filtro é denominada Filtro de Bayer (em inglês, Bayer filter).
Sendo um arranjo de filtros RGB que forma uma malha de quadros sobre o
sensor, estando composta por 50% de verde, 25% de vermelho e 25% de

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Capítulo I 35
azul. Como pode ser vista na Figura 1.17, essa grade possui várias
composições, mas sempre mantendo o mesmo padrão de distribuição.

Figura 1.17. Lista de grade de filtro de cor utilizados no sensor CCD.
FONTE: http://en.wikipedia.org/wiki/Color_filter_array>.

Bayer filter RGBE CYYM CYGM

RGBW RGBW #1 RGBW #2 RGBW #3

De acordo com BOCKAERT (2003) o número de fótons coletados em
cada pixel é convertido em uma carga elétrica pelo fotodiodo. Esta carga é
então convertida em uma tensão amplificada e posteriormente convertida
para um valor digital, através do conversor analógico-digital (A/D) já citado,
de modo que a câmara possa processar os valores da imagem (Figura
1.18).

Figura 1.18. Transformação A/D. FONTE: BOCKAESTA (2003).
Analógico Amostra Digital

1,00 V 255 11111111

0,38 V 98 01100010

0,00 V 0 00000000

Os valores de intensidade do fluxo de radiação eletromagnética
recebidos pelo sensor e transformados em voltagem são convertidos em
número digital (NC), seguindo intervalos numéricos que variam de

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Capítulo I 36
amplitude segundo 2n, sendo n valores múltiplos de 2, que definem a
resolução radiométrica do sensor.
No caso de fotografias tomadas com câmaras métricas
convencionais (Fig. 1.9a) são reveladas em papel fotográfico e, por isso,
para o tratamento digital destas fotografias é necessário um processo de
digitalização de fotografias via scanner fotogramétrico (Fig. 1.19b).

Figura 1.19. (a) Câmara métrica convencional. (b) Scanner fotogramétrico
Leica DSW300.

(a) (b)

Os scanners fotogramétricos são dispositivos utilizados para
converter uma fotografia analógica (papel fotográfico) em uma imagem
digital com precisão geométrica e radiométrica. Scanners fotogramétricos
devem ser capazes de produzir imagens digitais com pixels na ordem de 5
a 15 µm e com resolução radiométrica maior que 10 bits. A qualidade
geométrica de um scanner pode ser expressa pela acurácia posicional de
um pixel na imagem resultante. As imagens digitais e dados gerados pelo
scanner fotogramétrico podem ser utilizados tanto para processos de
Fotogrametria Digital quanto para projetos em CAD e SIG. A seguir serão
apresentadas algumas aplicações e produtos gerados com Fotogrametria.
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Capítulo I 37

1.5. Algumas aplicações e produtos gerados com
Fotogrametria
A tarefa fotogramétrica consiste em converter dados de entrada em
produtos, como por exemplo, um mapa ou carta topográfica. Para a
realização de tal tarefa é necessário utilizar equipamentos apropriados, tais
como, uma câmara métrica convencional (Fig. 1.19a), um scanner
fotogramétrico (Fig. 1.19b), restituidores analógicos, analíticos ou sistemas
fotogramétricos digitais (Fig. 1.20a, 1.20b, 1.20c, respectivamente).
Atualmente, existe grande demanda pelo uso de sistemas fotogramétricos
digitais devido ao seu baixo custo, rapidez no processamento dos dados,
automação dos processos fotogramétricos, fácil interação homem/máquina,
entre outros. A Figura 1.20 apresenta os equipamentos supracitados.

Figura 1.20. (a) Restituidor Analógico. (b) Restituidor Analítico. (c) Sistema
fotogramétrico digital.

(a) (b) (c)

Uma das principais atividades da Fotogrametria é produzir mapas e
cartas topográficas. Somente após o inicio da Fotogrametria foi possível a
compilação de mapas topográficos em pequenas escalas. Quase todas as

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Capítulo I 38
fases de projetos, locação, construção e gerenciamento são conduzidos, se
não totalmente, em grande parte, pelos fotogrametristas. Com o surgimento
do sistema de varredura LASER as empresas de Fotogrametria têm
alcançado outras fatias do mercado nacional e internacional, tais como,
projetos hidrográficos e rodoviários, ambientais, florestal, linhas de
transmissão, gasodutos, oleodutos e outros que requeiram produtos
cartográficos e que necessitem de informações tridimensionais com
precisão e de rápida atualização.
As principais aplicações da Fotogrametria são: planejamento e
projetos de autovias; planejamento urbano; cadastro urbano, rural e
florestal; atualização de Sistemas de Informação Geográfica (SIG);
arqueologia; automação de processos industriais; mapeamento; realidade
aumentada; classificação de imagens; robótica; medicina; odontologia;
acidente e gerenciamento de tráfico; astronomia; extração de curvas de
níveis e redes de drenagem; projetos de construção de pontes, túneis,
barragens e dimensionamento dos respectivos deslocamentos de terras, e
ainda, estudos de impacto ambiental como o cálculo de áreas alagadas na
construção de hidroelétricas e o respectivo volume do reservatório; etc.

Os produtos gerados pela Fotogrametria são:
• Fotografias aéreas, terrestres e espaciais;
• Mosaicos;
• Carta topográfica;
• Mapas geológicos,
• Modelo Digital do Terreno e de Superfície;
• Ortofotocarta;
• Entre outros. A Figura 1.21 apresenta alguns produtos relacionados
anteriormente.

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Capítulo I 39

Figura 1.21. (a) Mosaico. (b) Carta topográfica. (c) Modelo Digital do
Terreno. (d) Modelo Digital de Superfície. (e) Fotografia aérea. (f)
Mapeamento florestal. (g) mapas geológicos.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g)

Produtos excessivamente utilizados para tomada de decisões em
projetos de Engenharia são a Ortofotocarta e os Modelos Digitais de
Terreno e Superfície. A Ortofotocarta é um conjunto de fotografias
corrigidas da atitude da aeronave (ângulos de rotação da câmara), do
deslocamento devido ao relevo e variação de escala, definidas num sistema
de projeção cartográfica e o Modelo Digital de Terreno e Superfície é um

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Capítulo I 40
conjunto de pontos tridimensionais regularmente ou irregularmente
espaçados, geometricamente estruturados que representa numericamente
os pontos e elevações contidos em uma área da superfície física.
A Fotogrametria tem se tornado uma poderosa ferramenta para
tomada de decisão, pois permite o registro da informação de forma rápida e
dinâmica por meio de imagens e sem a necessidade do contato direto com
o objeto a ser registrado. A seguir serão apresentados os elementos
básicos de uma fotografia ou imagem.

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