USO DO DRONE NA MINERAÇÃO

Quanto tempo dura e qual o rendimento de um levantamento com VANT/Drone? Do voo aos produtos finais? Qual é a precisão do volume calculado a partir do modelo digital de terreno? Como esta técnica pode contribuir para a segurança dos inspetores? Os autores discutem estas e outras questões, enfocando as experiências adquiridas pela “Global Vision”, uma empresa com sede na África do Sul, que oferece serviços com Drone para locais de mineração na África do Sul e Namíbia.

A Global Vision desenvolveu seu próprio “Multi rotor” (Figura 1). O helicóptero tri-rotor pré-programável com seis hélices está equipado com um sistema de piloto automático DJI e uma câmera de 24 megapixels. Um GNSS embarcado que fornece estimativas das posições da imagem, que são transmitidos em tempo real através de um link de dados de 900mhz, um laptop em chão constitui a base em uma zona segura da mina (Figura 2). O Drone sobrevoa o local e captura milhares de imagens, o operador não requer habilidades especiais, o helicóptero é leve e decola automaticamente, captura imagens em um padrão de grade e volta ao seu ponto de partida com um pouso seguro. Se ocorrer qualquer problema, o Drone está programado para voar de volta ou aterrissar.

MINA DE “NOOITGEDACHT”

Os testes foram realizados e examinados através do levantamento de 66 hectares da mina de Nooitgedacht que fica 10 km da pequena cidade de Northam emLimpopo, África do Sul (Figura 3). Esta estreita mina de cromo a céu aberto está sendo explorada pela empresa Andru Mining. Durante o levantamento aéreo, 721 imagens foram capturadas com um GSD de 2,24 centímetros, uma sobreposição longitudinal de 80% e uma sobreposição lateral de 40%. Um computador desktop padrão demorou 160 minutos para extrair mais de 6,3 milhões de pontos homólogos, calcular os valores de suas características, sua localização subpixel e atribuir a cada ponto homólogo seus conjugados nas sobreposições (Processo chamado de Aerotriangulação). Este passo resultou em 2,4 milhões de pontos de coordenadas 3D. O “Erro médio quadrático” (RMSE) após a aerotriangulação foi de 0,16 pixels ou 0,4 centímetros. Para criar um Modelo Digital de Superfície (MDS) de alta densidade com 18 milhões de pontos, demorou cerca de 250 minutos de processamento. Estes pontos foram filtrados e interpolados para gerar automaticamente um MDS composto de 6 milhões de pontos com um GSD de 2,24 centímetros. A geração do ortomosaico combinando as imagens originais com o MDS levou cerca de 240 minutos (Figura 4). Estas saídas foram usadas ??para gerar relatórios sobre volume, planejamento e reabilitação de mina e outras informações valiosas para a mineração.

PRECISÃO DE AVALIAÇÃO

Para fins de georreferenciamento preciso, 7 pontos de controle foram medidos com receptores GNSS ao longo das fronteiras da área da Nooitgedacht. Cinco pontos de controle foram usados na aerotriangulação e dois foram usados para fins de verificação (Check-Point). Após a aerotriangulação, os resíduos dos 5 pontos de controle foram menor do que 1 cm, com um RMSE (Erro médio quadrático) de 0,83 centímetros . Comparação entre as coordenadas dos dois pontos de verificação com aqueles calculados a partir das imagens revelou um RMSE de 4,8 centímetros na altitude e 2,5 cm de planimetria. Isso é menos do que o dobro do GSD, demonstrando a robustez da aerotriangulação em câmeras de pequeno formato. Para avaliar a precisão do MDS, um conjunto de dados de terreno de 3.500 pontos de grade com espaçamento de 10m foi coletado por um receptor GNSS RTK em toda a mina de Nooitgedacht. A comparação das altitudes dos pontos individuais do “MDS GNSS” com as alturas no mesmo local no “MDS Drone” revelou um RMSE de 4,9 centímetros, o que é um valor semelhante ao obtido a partir de 4,8 centímetros na verificação dos pontos de controle mencionado anteriormente, validando assim a precisão da geração do MDS. Usando o software InRoads da Bentley, os volumes do “MDS Drone” e do “MDS GNSS” foram computados e a diferença foi menor que 5%. Sem dúvida, a precisão dos pontos GNSS individuais é maior do que a precisão dos pontos do Drone. No entanto, o número de pontos de altitude na “MDS Drone” é cerca de 2000 vezes maior do que o número de pontos do “MDS GNSS”. Um espaçamento de poucos centímetros em vez de 10 metros define melhor a superfície, especialmente quando as formas são complexas. A maior densidade de pontos do “MDS Drone” resulta em uma melhor precisão do cálculo de volume, mesmo quando a precisão das alturas individuais é inferior.

ECONOMIA DE TEMPO

“Ruukki AS” é um produtor de cromo Sul-Africano. Para avaliar o tempo e, portanto, redução de custos, uma pesquisa com VANT em uma de suas minas a céu aberto foi analisada (Figura 5). O local de 2.5 km² foi levantado muitas vezes através de meios convencionais. Uma equipe formada por 2 a 4 operadores necessitam entre 7 e 10 dias de trabalho de campo para coletar as coordenadas 3D dos pontos do terreno em uma grade de 10m usando rovers GNSS. O pós-processamento em escritório dos pontos coletados leva de um a três dias. Com um VANT, a mesma área pode ser capturada em um dia por um operador transportando um VANT e um receptor GNSS (rover) para coletar de 10 a 20 pontos de controle ao longo da fronteira da área. 99% do processamento das 2611 imagens são feitos automaticamente e a geração de produtos finais requerem de um a quatro dias, dependendo do número de fotografias a ser processado e o tipo de relatório desejado. Os relatórios finais são entregues até quatro vezes mais rápidos e exige 3 vezes menos força de trabalho. Este salto de eficiência em termos de custos permite um corte de até 80%.

SEGURANÇA

Quando os inspetores andam sobre uma área para coletar as coordenadas 3D dos pontos do terreno, eles podem ter de se aventurar em lugares perigosos, como a beira de muros altos ou no topo de estoques e depósitos. O uso de um VANT aumenta a segurança do inspetor que não precisa entrar em áreas de risco e os VANTS de hoje também são muito seguros para operar.

Fonte: Revista Gim International UAS Edition – Agosto/2013

LASER SCANNER

Por: Eng. Agrimensor Paulo Borges

Durante décadas, a obtenção das medidas indiretas de distâncias foi, em termos, solucionada a partir da utilização de teodolitos óticos mecânicos com luneta estadimétrica e mira vertical. Entretanto, tais medidas, apresentavam erros da ordem de +/- 20 a 40 cm/100 m, se tornando uma variável que afetava significativamente, e de forma direta, na acurácia posicional planimétrica e altimétrica de pontos sobre a superfície terrestre.

Com o surgimento dos medidores eletrônicos de distâncias (MED’s) a partir da década de 40 (Geodímetro em 1943 e o Telurômetro em 1954), observou-se uma revolução no processo de obtenção de distâncias. A utilização dos MED’s propiciou o usufruto de grandes benefícios dessa tecnologia, com aplicações diretas nas áreas de Geodésia, Cartografia, Topografia, Engenharia Civil, entre outras. 

Os MED’s usavam ondas do espectro eletromagnético com variações de comprimento de onda de alguns Ângstrons (luz visível) a 1mm (infravermelho). A partir do desenvolvimento de MED’s por ondas curtas, com comprimento de onda da ordem de centímetros a alguns metros, foram observados grandes avanços em sua utilização, uma vez que estes proporcionavam uma precisão da ordem de +/- 1 a 3 mm/km.

Há poucas décadas, essa tecnologia passou a ser implementada e utilizada em larga escala em equipamentos denominados “Estações Totais”, onde tornou-se possível a obtenção, não só de medidas lineares com grande precisão, bem como angulares, possibilitando ainda a gravação eletrônica em um HD interno para posterior descarga em microcomputadores.

Uma significativa melhoria nas Estações Totais foi observada há alguns anos, com o surgimento de novos equipamentos capazes de obter medidas sobre diferentes superfícies (objetos) sem a necessidade de alvos refletores (prismas ou adesivos especiais). Aliado a esta evolução surgiram os mecanismos servo-motores adaptados às Estações Totais de forma a permitir o controle programado das medições, locações e controle de maquinários (tratores, retroescavadeiras, motoniveladoras, entre outros).

Contudo, tais medidas embora precisas, rápidas e “inteligentes”, eram realizadas de forma pontual, afetando diretamente a produtividade em campo. O aprimoramento de todas as tecnologias citadas se deu mais recentemente, com o surgimento dos sistemas de varredura a laser (Laser Scanner 3D).

Nuvem de pontos da Sede (Prédio II) Alezi Teodolini em São Paulo.

Estes equipamentos se sobressaem devido a alta acurácia obtida nos levantamentos, podendo alcançar níveis de precisão na casa do centésimo do milímetro. Cita-se ainda a não necessidade de refletores para a coleta das distâncias aos objetos, além da alta resolução, gerando-se densas nuvens de pontos com taxas superiores a 900.000 pontos/s.

Para gerar coordenadas tridimensionais (X,Y,Z) de pontos sobre uma superfície, os equipamentos laser scanners emitem pulsos de laser com o auxílio de um espelho de varredura. Esse pulso laser atinge o objeto e parte dessa energia volta para o sistema, permitindo o cálculo da distância. Essa distância é determinada através do intervalo de tempo entre a emissão e o retorno no pulso (Dalmolin et al, 2003).
Basicamente são três os princípios básicos de medição a laser:

Triangulação, Time of Flight (TOF) e por Diferença de Fase. 

Os aparelhos baseados no princípio da Triangulação possuem no mínimo um sensor CCD e uma fonte de energia (laser). O pulso laser é emitido e seu retorno é registrado por um ou mais sensores CCDs.

Esse tipo de sistema é adequado para a reconstrução de objetos pequenos e a distância máxima de operação depende da base entre o sensor laser e o sensor CCD. Como a base não é ajustável, essa distância máxima é limitada para atender a precisão. Nesse caso, a exatidão está no nível submilimétrico.

O princípio Time of flight permite estimar a distância através da determinação do tempo de retorno do pulso laser, que é emitido milhares de vezes por segundo. Com isso determina-se a distância e a inclinação de cada observação, que serão utilizadas para calcular a posição 3D de cada ponto da nuvem que forma o objeto.

 

Exemplo de nuvem de pontos e modelagem 3D

Nuvem de pontos e geração de seções da Linha 4 Amarela do metro de São Paulo.

No princípio da Diferença de Fase a medição eletrônica utiliza o método de comparação de fase ou a medida da defasagem entre a onda emitida e a onda de retorno. Assim, uma onda eletromagnética de alta freqüência, denominada onda portadora, é modulada em amplitude com um sinal de comprimento de onda muito maior e emitida de maneira contínua. Durante a medição o sinal é refletido pelo objeto e retransmitido para o equipamento onde se gerou o sinal, que será analisado e utilizado para calcular a distancia.

Guamaré RN

Unidade de tratamento de gás - Nuvem de pontos.

Em função da rapidez, qualidade e precisão dos mais variados tipos de Lasers Scanners disponíveis no mercado, observa-se diversas aplicações inerentes a eles. Entre várias aplicações, cita-se algumas principais e amplamente utilizadas:

• As-built Industrial;
• Documentação e restauração de edifícios e monumentos históricos;
• Sítios arqueológicos;
• Monitoramento de estruturas;
• Mineração, para cálculo de volumes;
• Engenharia reversa;
• Indústria aeronáutica e automobilística permitindo a construção, alinhamento, certificação de ferramentas e moldes e inspeção de peças;
• Área forense, para registro de cenas de crimes

TÉCNICAS DE LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICOS

Por: Eng. Paulo Borges

Um levantamento topográfico refere-se a um conjunto de métodos e processos onde, seja por meio de medições topográficas (ângulos horizontais, verticais, distâncias horizontais ou inclinadas e diferença de nível) ou por meio do uso de receptores GNSS, realiza-se medições sobre a superfície terrestre com a finalidade de representação gráfica de uma porção do terreno sobre uma superfície plana.

Figura 1: Exemplo de Planta Topográfica

Nesta aplicação espera-se uma precisão posicional ao nível de poucos centímetros para os pontos levantados. Considerando-se a topografia convencional, tais medições podem ser executas utilizando-se de Estações Totais (levantamentos planialtimétricos), níveis (levantamento altimétrico) ou ainda, com menor precisão, de teodolitos (levantamentos planialtimétricos ao nível de decímetros).

Figura 2: Levantamentos por topografia convencional

Pode-se ainda utilizar um receptor GNSS para esta finalidade. Neste caso, adota-se o uso da fase de batimento da portadora (receptores L1 e/ou L1/L2), pelo método relativo pós-processado, utilizando-se os métodos de posicionamento Estático, Rápido-Estático, Stop and Go e Cinemático.

O método Estático é caracterizado por tempos de posicionamento superiores a 20 minutos, enquanto no método rápido-estático os tempos de posicionamento são inferiores a 20 minutos. Nos dois métodos são gerados 1 arquivo de dados brutos para cada ponto levantado, os quais deverão ser processados a partir dos dados brutos coletados no ponto Base, onde nesta deve-se ter um receptor GNSS coletando as observáveis GNSS durante todo o tempo em que o receptor móvel estiver sendo utilizado. Estes dois métodos são mais indicados em áreas em que haja ocorrência significativa de obstruções necessitando, portanto, de um tempo maior de posicionamento para garantir a fixação das ambiguidades (solução fixa).

Figura 3: Levantamento de Perímetro pelo método Rápido-Estático.

O método Stop and Go é indicado para o levantamento de áreas livres de obstruções, tornando-se vantajoso devido a possibilidade de redução no tempo de posicionamento. Normalmente adota-se um procedimento de inicialização, que consiste em posicionar sobre um ponto qualquer e deixá-lo rastreando as observáveis por pelo menos 5 minutos (podendo-se permanecer por um tempo maior caso julgue necessário). Em seguida, os demais pontos do levantamento serão observados com um tempo mais curto. Normalmente recomenda-se pelo menos 30 épocas para cada ponto. Nesse contexto, configurando-se os receptores Base e Rover com uma taxa de gravação de 1 segundo, bastariam 30 segundos de posicionamento nos demais pontos do levantamento. Vale salientar que caso haja perda de sinal durante o trajeto entre os pontos, haverá a necessidade de uma nova inicialização de pelo menos 5 minutos. Neste método será gerado apenas um arquivo de dados brutos, o qual deverá ser processado a partir dos dados brutos coletados no ponto Base.

 

Figura 4: Levantamento de Perímetro pelo método Stop and Go.

O método cinemático é indicado para o levantamento de feições tais como estradas, córregos, limites de talhões, etc., e assim como o método Stop and Go, convém-se utilizá-lo em áreas livres de obstruções. A coleta das observações neste método será realizada configurando-se o receptor para armazenar os pontos pelo tempo ou pela distância percorrida, uma vez que o receptor móvel estará em movimento durante todo o trajeto.

Figura 5: Levantamentos pelo método Cinemático.

Nos quatro métodos citados, em sequência ao pós-processamento dos dados, serão obtidas coordenadas com precisões ao nível de poucos centímetros. Convém salientar que o receptor Base não deverá estar a mais que 20 km dos pontos levantados, sendo este o raio de trabalho a ser adotado.

Ainda considerando-se a aplicação em Levantamentos Topográficos, pode-se utilizar das técnicas de posicionamento em tempo real (RTK). Estas se tornam mais produtivas e confiáveis uma vez que durante a etapa de levantamento tem-se as correções em tempo real, permitindo assim acompanhar a solução do vetor (fixo ou flutuante) e a precisão obtida no mesmo instante do levantamento. Nestas condições o tempo de posicionamento será rápido, uma vez que apenas uma época será necessária para registro de cada ponto de interesse.

Figura 6: Levantamentos pela técnica RTK/UHF ou RTK/GSM.

GEODÉSIA - O que é a L5

 Por: Eng. Agrimensor Paulo Borges

Com o surgimento de novas constelações de satélites tais como Galileo, SBAS (Satellite Based Augmentation Systems), Beidou (sistema de navegação regional chinês, também em desenvolvimento), e LAAS (Local Area Augmentation System) e também com os novos avanços nas tecnologias relacionadas ao posicionamento global, observa-se atualmente vigorosas alterações no sistema de posicionamento americano GPS (Global Positioning System) que melhorarão a capacidade de posicionamento para uso civil e militar. Tais alterações caracterizam o conceito de Modernização GPS, que incluem basicamente três mudanças:

• Integração do GPS com sistemas de aumento, permitindo assim melhor desempenho e aumento de precisão no posicionamento em tempo real visando aplicações em situações críticas de segurança, como por exemplo a aviação. Cita-se os sistemas de aumento LAAS (Local Area Augmentation System) também denominado como GBAS (Ground Based Augmentation System), por se tratar de um sistema de aumento baseado em terra com link transmissão de correções via VHF e o sistema WAAS (Wide Area Augmentation System) sendo um sistema baseado no espaço, por utilizar satélites geoestacionários em órbita para transmissão das correções.

• Sinais de navegação (Inercial e Rádio) que serão usados para proteger os usuários GPS contra interferências de rádio frequência (RFI) acidentais ou propositais, melhorando o posicionamento principalmente nos centros urbanos;

• Diversidades de frequências: Uma nova frequência L5 se juntará às atuais frequências L1 e L2, melhorando de maneira significativa a qualidade de rastreio e aquisição, alçando-se melhores níveis de precisão.

Assim como os sinais L1 e L2, o novo sinal L5 será transmitido a partir da frequência fundamental f0 = 10,23 MHz. Com isso, tem-se um resumo das frequências e respectivos comprimentos de onda para os diferentes sinais GPS:

 

Fonte: Modificado de Monico (2000)

O primeiro satélite a transmitir o sinal L5 foi lançado em 24/03/2009, o PRN01 (Bloco IIR-M), o qual foi desativado em 06/05/2011 devido a problemas em sua órbita. A nova geração de satélites do bloco IIF (incluindo um total de 12 satélites SVN62 a SVN73) permitiu tornar o sinal L5 operacional a partir do lançamento do primeiro satélite deste bloco em 28/05/2010. Atualmente já foram lançados 3 satélites deste bloco, os quais estão sendo fabricados pela BOEING:

O novo sinal L5 transmitirá duas variedades de códigos PRN: o código XI (em fase) e o código XQ (em quadratura), ambos transmitidos a uma taxa de 10,23 MChips/s, sendo portanto 10 vezes mais rápido que o código PRN C/A. Normalmente os satélites transmitem sinais CDMA (Code Division Multiple Access) e os receptores GPS realizam o processamento. Como o sistema CDMA é baseado na técnica de espalhamento espectral, observa-se que a densidade espectral da potência do sinal L5 é maior que no sinal L1.

Densidade de Fluxo Espectral para os satélites do bloco IIF na frequência L5.

No código I a duração do código de 1ms é estendida para 10 ms e no código Q é estendida para 20ms. Um aumento de 10 vezes no número de linhas no espectro faz com que a energia por linha seja diminuída em 10 dB para o código I e em 13 dB para o código Q (Holmes & Raghavan, 2004).
Este aumento do espalhamento espectral permite reduzir o efeito das interferências causadas pelos sinais dos outros satélites, os quais causam ruídos no sinal.

   

Densidade de Fluxo Espectral do sinal L1    Densidade de Fluxo Espectral do sinal L5 (código I)

Densidade de Fluxo Espectral do sinal L5 (código Q)

Como a taxa do sinal L5 é dez vezes mais rápida que no sinal L1 (código C/A), há uma redução no erro do rastreamento, garantindo-se assim uma maior exatidão nas medições realizadas com um receptor capaz de rastrear L5, além de reduzir as interferências (RFI) e suavizando também os efeitos do multicaminhamento. Assim, será observado uma melhora considerável nos levantamentos realizados sob condições adversas (áreas com maior cobertura vegetal ou obstruções que potencializam os erros de multicaminhamento).