%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/11.03.11.55
%2 sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/11.03.11.55.47
%T Acurácia do posicionamento e da orientação espacial de veículos aéreos a partir de imagens de câmeras de pequeno formato embarcadas
%J Accuracy of positioning and spatial orientation of aerial vehicles using imagens from small format camera onboard
%D 2017
%8 2017-11-23
%9 Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto)
%P 340
%A Roberto, Leandro,
%E Ponzoni, Flávio Jorge (presidente),
%E Sant'Anna, Sidnei João Siqueira (orientador),
%E Moraes, Elisabete Caria,
%E Forster, Carlos Henrique Quartucci,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K sensoriamento remoto, fotogrametria, navegação, ressecção espacial, distorção geométrica, remote sensing, photogrammetry, navigation, spatial resection, geometric distortion.
%X Este trabalho teve como objetivo avaliar a acurácia do processo de determinação de posição geográfica e de ângulos de atitude para um veículo aéreo a partir de imagens geradas por câmera embarcada, visando a aplicação em navegação aérea. Esse processo pode ser uma alternativa ou um complemento aos sistemas de orientação e de posicionamento atualmente em uso nas aeronaves e em VANTs (unidades inerciais e receptores GNSS), sobretudo pelo fato dos GNSS serem suscetíveis a interferências intencionais que inviabilizam navegação. O foco da avaliação foi sobre a influência das distorções geométricas da câmera na acurácia destes parâmetros de navegação, tendo sido avaliadas tanto imagens sem correção das distorções quanto com. Foram utilizadas duas câmeras, uma com alta distorção geométrica (GoPRO) e outra com baixa (Nikon), as quais foram embarcadas em uma aeronave A-29 Supertucano da Força Aérea Brasileira. Esta aeronave estava equipada com instrumentação especial de ensaios em voo, isto é, sensores extras de alta acurácia e gravadores para registrar todos os parâmetros de voo, inclusive a posição e os ângulos de orientação, que consistiram na base de referência para avaliação da acurácia do processo por imagem. Para a correção geométrica das imagens foi necessária a determinação dos parâmetros de distorção das câmeras por meio de um procedimento de calibração. Para isso, foi construído um campo de calibração bem como desenvolvidos softwares e modelos matemáticos próprios. O voo foi realizado na cidade de São José dos Campos explorando três alturas diferentes tanto em condições de visada nadir quanto fora do nadir, a fim de possibilitar a análise da influência destes fatores. Os parâmetros de navegação foram determinados a partir de cada imagem usando um procedimento consagrado na área de fotogrametria, denominado ressecção espacial, que exige o conhecimento das coordenadas de pontos extraídos da imagem e das coordenadas correspondentes no solo, sendo necessária a resolução de um sistema de equações nãolineares por método numérico. As coordenadas dos cerca de 160 pontos no solo foram levantadas em campo com receptores GNSS geodésicos de alta acurácia. Foram utilizadas mais de 400 fotos, o que garantiu amostras de tamanho suficiente para abordagem estatística em cada condição analisada. Dessa forma, os resultados obtidos permitiram alcançar os objetivos propostos, sendo confrontados com os requisitos de acurácia existentes para navegação aérea. Foi observado que a dispersão dos parâmetros aumenta com a altura de voo e que não tem relação de dependência com a inclinação lateral da aeronave. Foi constatado que a câmera GoPRO, de menor custo, apresenta resultados melhores que a Nikon, quando calibrada, devido ao FOV maior. A maioria dos requisitos de acurácia para navegação foram cumpridos pela Nikon, mesmo sem calibração, e também pela GoPRO com calibração. Os métodos utilizados neste trabalho, bem como as técnicas desenvolvidas e os resultados alcançados, não são restritos à questão da navegação de veículos aéreos, podendo beneficiar outras aplicações, principalmente na área de Sensoriamento Remoto. Por exemplo, nos processos de mapeamento com VANTs ou com aeronaves, estes métodos podem melhorar a qualidade geométrica dos produtos gerados, fazendo-os alcançar níveis mais elevados do Padrão de Exatidão Cartográfica (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 São José 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.
%@language pt
%3 publicacao.pdf