@MastersThesis{Roberto:2017:AcPoOr,
author = "Roberto, Leandro",
title = "Acur{\'a}cia do posicionamento e da orienta{\c{c}}{\~a}o
espacial de ve{\'{\i}}culos a{\'e}reos a partir de imagens de
c{\^a}meras de pequeno formato embarcadas",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2017",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2017-11-23",
keywords = "sensoriamento remoto, fotogrametria, navega{\c{c}}{\~a}o,
ressec{\c{c}}{\~a}o espacial, distor{\c{c}}{\~a}o
geom{\'e}trica, remote sensing, photogrammetry, navigation,
spatial resection, geometric distortion.",
abstract = "Este trabalho teve como objetivo avaliar a acur{\'a}cia do
processo de determina{\c{c}}{\~a}o de posi{\c{c}}{\~a}o
geogr{\'a}fica e de {\^a}ngulos de atitude para um
ve{\'{\i}}culo a{\'e}reo a partir de imagens geradas por
c{\^a}mera embarcada, visando a aplica{\c{c}}{\~a}o em
navega{\c{c}}{\~a}o a{\'e}rea. Esse processo pode ser uma
alternativa ou um complemento aos sistemas de
orienta{\c{c}}{\~a}o e de posicionamento atualmente em uso nas
aeronaves e em VANTs (unidades inerciais e receptores GNSS),
sobretudo pelo fato dos GNSS serem suscet{\'{\i}}veis a
interfer{\^e}ncias intencionais que inviabilizam
navega{\c{c}}{\~a}o. O foco da avalia{\c{c}}{\~a}o foi sobre a
influ{\^e}ncia das distor{\c{c}}{\~o}es geom{\'e}tricas da
c{\^a}mera na acur{\'a}cia destes par{\^a}metros de
navega{\c{c}}{\~a}o, tendo sido avaliadas tanto imagens sem
corre{\c{c}}{\~a}o das distor{\c{c}}{\~o}es quanto com. Foram
utilizadas duas c{\^a}meras, uma com alta distor{\c{c}}{\~a}o
geom{\'e}trica (GoPRO) e outra com baixa (Nikon), as quais foram
embarcadas em uma aeronave A-29 Supertucano da For{\c{c}}a
A{\'e}rea Brasileira. Esta aeronave estava equipada com
instrumenta{\c{c}}{\~a}o especial de ensaios em voo, isto
{\'e}, sensores extras de alta acur{\'a}cia e gravadores para
registrar todos os par{\^a}metros de voo, inclusive a
posi{\c{c}}{\~a}o e os {\^a}ngulos de orienta{\c{c}}{\~a}o,
que consistiram na base de refer{\^e}ncia para
avalia{\c{c}}{\~a}o da acur{\'a}cia do processo por imagem.
Para a corre{\c{c}}{\~a}o geom{\'e}trica das imagens foi
necess{\'a}ria a determina{\c{c}}{\~a}o dos par{\^a}metros de
distor{\c{c}}{\~a}o das c{\^a}meras por meio de um procedimento
de calibra{\c{c}}{\~a}o. Para isso, foi constru{\'{\i}}do um
campo de calibra{\c{c}}{\~a}o bem como desenvolvidos softwares e
modelos matem{\'a}ticos pr{\'o}prios. O voo foi realizado na
cidade de S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos explorando tr{\^e}s
alturas diferentes tanto em condi{\c{c}}{\~o}es de visada nadir
quanto fora do nadir, a fim de possibilitar a an{\'a}lise da
influ{\^e}ncia destes fatores. Os par{\^a}metros de
navega{\c{c}}{\~a}o foram determinados a partir de cada imagem
usando um procedimento consagrado na {\'a}rea de fotogrametria,
denominado ressec{\c{c}}{\~a}o espacial, que exige o
conhecimento das coordenadas de pontos extra{\'{\i}}dos da
imagem e das coordenadas correspondentes no solo, sendo
necess{\'a}ria a resolu{\c{c}}{\~a}o de um sistema de
equa{\c{c}}{\~o}es n{\~a}olineares por m{\'e}todo
num{\'e}rico. As coordenadas dos cerca de 160 pontos no solo
foram levantadas em campo com receptores GNSS geod{\'e}sicos de
alta acur{\'a}cia. Foram utilizadas mais de 400 fotos, o que
garantiu amostras de tamanho suficiente para abordagem
estat{\'{\i}}stica em cada condi{\c{c}}{\~a}o analisada. Dessa
forma, os resultados obtidos permitiram alcan{\c{c}}ar os
objetivos propostos, sendo confrontados com os requisitos de
acur{\'a}cia existentes para navega{\c{c}}{\~a}o a{\'e}rea.
Foi observado que a dispers{\~a}o dos par{\^a}metros aumenta com
a altura de voo e que n{\~a}o tem rela{\c{c}}{\~a}o de
depend{\^e}ncia com a inclina{\c{c}}{\~a}o lateral da aeronave.
Foi constatado que a c{\^a}mera GoPRO, de menor custo, apresenta
resultados melhores que a Nikon, quando calibrada, devido ao FOV
maior. A maioria dos requisitos de acur{\'a}cia para
navega{\c{c}}{\~a}o foram cumpridos pela Nikon, mesmo sem
calibra{\c{c}}{\~a}o, e tamb{\'e}m pela GoPRO com
calibra{\c{c}}{\~a}o. Os m{\'e}todos utilizados neste trabalho,
bem como as t{\'e}cnicas desenvolvidas e os resultados
alcan{\c{c}}ados, n{\~a}o s{\~a}o restritos {\`a} quest{\~a}o
da navega{\c{c}}{\~a}o de ve{\'{\i}}culos a{\'e}reos, podendo
beneficiar outras aplica{\c{c}}{\~o}es, principalmente na
{\'a}rea de Sensoriamento Remoto. Por exemplo, nos processos de
mapeamento com VANTs ou com aeronaves, estes m{\'e}todos podem
melhorar a qualidade geom{\'e}trica dos produtos gerados,
fazendo-os alcan{\c{c}}ar n{\'{\i}}veis mais elevados do
Padr{\~a}o de Exatid{\~a}o Cartogr{\'a}fica (PEC). ABSTRACT:
This study aimed to evaluate the accuracy of the process of
determining geographic position and attitude angles for an aerial
vehicle from images generated by a camera onborad, aiming to
application in aerial navigation. This process can be an
alternative or a complement to the orientation and positioning
systems currently used in aircraft and in UAVs (inertial units and
GNSS receivers), mainly because GNSS are susceptible to
intentional interference that makes navigation impossible. The
focus of the evaluation was on the influence of the camera
geometric distortions on the accuracy of these navigational
parameters. We evaluated images both with and without correction
of distortions. Two cameras, one with high (GoPRO) and other with
low geometric distortion (Nikon) were used. They were loaded onto
an A-29 Supertucano aircraft of the Brazilian Air Force. This
aircraft was equipped with special in-flight test instrumentation
(i.e., extra highaccuracy sensors and recorders to register all
flight parameters, including position and orientation angles).
These flight parameters were the baseline for assessing the
accuracy of the process by image. For the geometric correction of
the images, it was necessary to determine the distortion
parameters of the cameras by a calibration procedure. For this, a
calibration field was built, and softwares and mathematical models
were developed. The flight was carried out in the city of S{\~a}o
Jos{\'e} dos Campos, exploring three different heights, both in
nadir and off-nadir, in order to allow the analysis of the
influence of these factors. The navigation parameters were
determined from each image using a procedure established in
photogrammetry called spatial resection. It requires the knowledge
of the coordinates of points extracted from the image and the
corresponding coordinates on the ground, being necessary the
resolution of a system of nonlinear equations by numerical method.
The coordinates of about 160 ground points were surveyed with
highly accurate geodesic GNSS receivers. More than 400 photos were
used to make the resection, which assured samples of sufficient
size for statistical approach in each condition analyzed. In this
way, the obtained results allowed to reach the proposed objectives
and to check the existing accuracy requirements for aerial
navigation. It was observed that the dispersion of the parameters
increases with flight height and that there is no dependence to
the lateral inclination of the aircraft. It was found that the
lower-cost GoPRO camera when calibrated performs better than
Nikon, due to the higher FOV. Most accuracy requirements for
navigation were met by Nikon, even without calibration, and also
by GoPRO with calibration. The methods used in this work, as well
as the techniques developed and the results achieved, are not
restricted to the issue of navigation of aerial vehicles and may
benefit other applications, especially in Remote Sensing. For
example, in the mapping processes with VANTs or with aircrafts,
these methods can improve the geometric quality of the generated
products, making them reach higher Cartographic Accuracy Standard
(PEC) levels.",
committee = "Ponzoni, Fl{\'a}vio Jorge (presidente) and Sant'Anna, Sidnei
Jo{\~a}o Siqueira (orientador) and Moraes, Elisabete Caria and
Forster, Carlos Henrique Quartucci",
englishtitle = "Accuracy of positioning and spatial orientation of aerial vehicles
using imagens from small format camera onboard",
language = "pt",
pages = "340",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3PTQDCS",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3PTQDCS",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "20 abr. 2024"
}