Desenvolvimento de um sistema de câmera termográfica em 3D para realizar análises a partir do ar

Os sistemas de câmeras aéreas oblíquas, que registram imagens tridimensionais de alta resolução, são frequentemente usados para mapear áreas urbanas e obter dados geográficos a partir do ar. Até 2017, nenhum desses sistemas havia conseguido gravar imagens térmicas em 3D. Para satisfazer essa necessidade, uma equipe da Universidade de Ciências Aplicadas de Anhalt, em Dessau, na Alemanha, desenvolveu um sistema de imagens térmicas/RGB que produz imagens em 3D sobrepondo imagens de quatro câmeras digitais e de quatro câmeras FLIR A65sc com campos de visão de 25°.

O Instituto de Geoinformação e Topografia

A Universidade de Ciências Aplicadas de Anhalt, em Dessau, tem oferecido cursos na área de topografia desde 1992 e, em geoinformática, desde 2002. O antigo departamento de topografia foi transformado no Instituto de Geoinformação e Topografia. Por ser um instituto dentro da Faculdade de Arquitetura, Gerenciamento de Instalações e Geoinformação, agrupa as competências acadêmicas e de pesquisa das disciplinas de topografia e geoinformática. Além do ensino, o instituto se concentra na pesquisa aplicada.

A Ideia e as Áreas de Aplicação

Um dos projetos do instituto consistiu no desenvolvimento de um novo sistema de câmeras termográficas e RGB que gera imagens em 3D sobrepondo as fotos tiradas de um girocóptero usando oito câmeras. O Professor Lutz Bannehr, que dirige os departamentos de Aquisição de Geodados e Tecnologia de Sensores do Instituto, teve a ideia em abril de 2016. Embora os sistemas de câmeras em 3D (os chamados sistemas de câmeras oblíquas RGB) com resoluções muito altas estivessem disponíveis, nenhum desses sistemas conseguiria fornecer os benefícios dos dados térmicos. O Professor Bannehr tinha experiência com imagens térmicas, já que havia comprado uma câmera de infravermelho refrigerada FLIR SC3000 em 2001 e participado de um treinamento em termografia. Ele tinha certeza da viabilidade de uma solução usando câmeras termográficas não refrigeradas. Poderia haver muitos usos potenciais, incluindo: coleta de dados de inventário, vigilância, monitoramento de volume em operações de mineração a céu aberto, monitoramento de incêndios florestais, análise de isolamento, estimativas de rendimento para sistemas fotovoltaicos e de aquecimento solar, monitoramento ambiental, coleta de imagens geológicas e topográficas e até a produção de modelos digitais de cidades.

O Projeto

O Professor Bannehr apresentou a proposta de pesquisa e montou uma pequena equipe de desenvolvimento, incluindo seu aluno de Ph.D. Christoph Ulrich, Hermann Kaubitzsch da bgk infrarotservice GmbH (Riesa), uma empresa de integração da FLIR, e Henrik Pohl da fabricante de girocópteros, Airborne Technical Systems (Berlim). Mesmo com sobreposições de 85% de comprimento e largura, as câmeras de alta resolução convencionais não conseguiam representar todos os detalhes das laterais dos edifícios. Portanto, a equipe projetou um sistema composto por quatro câmeras RGB e quatro câmeras termográficas organizadas de modo que suas imagens se sobrepusessem para produzir geodados e imagens térmicas em 3D. Em seguida, esses dados poderiam ser analisados e avaliados usando um software padrão.

As Câmeras

Para criar o sistema, a equipe selecionou quatro câmeras termográficas FLIR A65sc e quatro câmeras RGB compactas de outro fabricante que produzem imagens de cerca de 5 megapixels. Kaubitzsch recomendou que a equipe usasse a câmera termográfica FLIR A65sc “devido à sua boa resolução de imagens térmicas de 640 × 512 pixels, a taxa de quadros de 30 Hz, sua porta Ethernet e suas dimensões extremamente compactas de 106 × 40 × 43 mm”. Hermann Kaubitzsch também foi responsável pela sincronização e avaliação das câmeras, o que acabou por não ser uma tarefa pequena.

Controles e Especificações do AOS-TX8

Uma equipe de alunos desenvolveu um mecanismo em 3D para as oito câmeras, que tive que ocupar o menor espaço possível nas aeronave ultraleve. Uma placa de base personalizada foi feita para montar o sistema no girocóptero. Eles também logo encontraram um nome para o “Sistema Aéreo Oblíquo”: AOS-Tx8. O sistema é controlado via Ethernet e os dados das imagens são exibidos em uma tela de 10 polegadas. “Alguns anos atrás, experimentamos uma câmera termográfica diferente, mas controlá-la via Ethernet não funcionou conforme o prometido”, explicou o Professor Bannehr. “No entanto, isso não foi um problema com os modelos FLIR A65sc.” Todo o sistema AOS-Tx8 pesa apenas 11,6 kg e mede 330 × 400 × 320 mm. Ele oferece conexões para que a câmera possa ser operada manualmente e o sistema de gerenciamento de vôo e, também, um mouse, tela, teclado (tudo via USB) e a fonte de alimentação.

Sincronização das Câmeras Termográficas

A sobreposição entre as câmeras FLIR é de 12% ou 3°. As quatro câmeras termográficas da FLIR tiveram que ser sincronizadas para obter dados úteis e evitar variações de temperatura nos valores medidos onde as imagens se sobrepunham. Por razões tecnológicas, as câmeras termográficas não refrigeradas têm uma variação de até ± 5% na medição de temperatura. Um teste de todas as quatro câmeras usando um holofote de referência mostrou que os desvios previstos também estavam presentes, mas que eles foram distribuídos linearmente pelo espectro. Portanto, era possível usar uma das câmeras como uma câmera  de referência (idealmente a câmera com o valor médio) e, em seguida, ajustar as outras câmeras para coincidir com a câmera de referência.

O Voo Inaugural

O dia 15 de agosto de 2017 foi o momento de testar o sistema. O AOS-Tx8 foi montado no girocóptero e estava pronto para fazer suas medições iniciais no ar. A sequência de eventos já havia sido claramente definida. A equipe usou programas de planejamento de voo para traçar a viagem inaugural e usou o Google Earth para obter os dados de mapa. Os dados do planejamento de voo, incluindo os pontos onde as fotos deveriam ser tiradas, foram copiados para o sistema de gerenciamento de voo. 

Durante o voo, esses dados foram usados para acionar o AOS-Tx8 e outros sensores. Após voos de teste no campus de Strenzfeld da Universidade de Anhalt, também foram realizados voos em agosto sobre Magdeburg. As imagens não foram tiradas apenas de um ângulo vertical (as chamadas imagens ortográficas de infravermelho), mas também utilizadas para produzir imagens térmicas tridimensionais em larga escala que também mostraram a eficácia do isolamento em edifícios.

Os Resultados Alcançados pelo Sistema Aéreo Oblíquo (AOS-TX8)

Usando o AOS-Tx8, foi possível pela primeira vez obter um modelo de superfície digital com uma determinação precisa das alturas dos edifícios e um modelo de terreno digital em RGB e infravermelho. O AOS-Tx8 é fácil de operar e os dados podem ser avaliados usando software padrão, como Photoscan ou Pix4D.

Visual

O instituto agora também conta com uma FLIR A655sc para coleta de dados aéreos que não requer imagens em 3D. Podemos, portanto, aguardar o próximo projeto de pesquisa com infravermelhos conduzido pelo Professor Bannehr e sua equipe de inovação no Instituto de Geoinformação e Topografia da Universidade de Ciências Aplicadas de Anhalt, em Dessau.