Drones e suas aplicações na construção civil e infraestrutura

Os VANTs ou RPAS (Remotely Piloted Aircraft System), também usualmente chamados de drones, são aeronaves multiuso controlados por um operador (piloto) licenciado em solo. O termo coloquial e popular drone, cuja tradução significa “zangão”, é oriundo do tipo de ruído que esses equipamentos costumam produzir em voo, que lembra o som emitido pelo inseto. Os benefícios da utilização desses equipamentos na construção civil e infraestrutura são inúmeros, como diminuir o acesso de profissionais no canteiro de obras, rapidez na coleta de dados, realização de mapeamentos e inspeções em áreas de difícil acesso, entre outros.

Os drones são equipamentos que podem conter avançados sistemas de detecção, os chamados sensores, desde os sensores RGB, passando pelas câmeras termográficas até os sensores LiDAR (Light Detection and Ranging). A versatilidade, eficácia e baixo custo desses equipamentos na aquisição, entrega e compartilhamento de dados podem beneficiar a construção e operação de infraestruturas civis. Neste artigo, apresentaremos algumas utilizações bastante comuns dos drones em obras de infraestrutura, para mapeamentos e acompanhamentos, levantamentos planialtimétricos, medições de volumes de movimentação de terra em obras de terraplanagem, dessa forma, demonstrando que esses equipamentos são muito úteis no planejamento, projeto, construção e operação de ativos físicos.

Aspectos regulatórios

Com a atual utilização em larga escala desses equipamentos é importante observar que seu uso não deve ser realizado indiscriminado e por pessoas não qualificadas para sua correta e segura operação. Para operar um drone legalmente no Brasil, é necessário seguir toda a legislação aplicável a aeronaves remotamente pilotadas. Dessa forma, o operador deve conhecer as normas aplicáveis dos órgãos reguladores da aviação civil nacional, como:

• Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC) – RBAC 94/2017 – Regulamento Brasileiro de Aviação Civil Especial
• Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) – Resolução nº 242, de 30 de novembro de 2000 – Regulamento para Certificação e Homologação de Produtos para Telecomunicações
• Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA) – ICA 100-40 – Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas e o Acesso ao Espaço Aéreo Brasileiro

Existem outras normativas e regulamentos aplicáveis a operação desses equipamentos, que devem ser consultadas nas páginas dos órgãos supracitados. No entanto, podemos considerar que, basicamente, para operação de drones a alturas abaixo de 120 m (400 ft), onde não são necessárias certidões ou habilitações especiais, o operador precisará homologar seu drone na ANATEL, registrar seu equipamento na ANAC, obtendo seu número SISANT e realizar um cadastro como piloto no SARPAS, que é o sistema do DECEA dedicado ao controle de tráfego aéreo voltado especificamente aos operadores/proprietários de drones. A página do operador/usuário de drones dispõe das ferramentas para que sejam realizadas as solicitações de voos. Nesse sistema, conseguimos visualizar as áreas aeroportuárias e demais áreas que não conseguiremos obter autorização de voo ou onde haverá necessidade de autorizações especiais.

Tipos de equipamentos – Fabricantes e Modelos

Existem muitas opções quando desejamos adquirir um ou uma frota de drones, entretanto, a maioria dos drones se enquadrará em duas principais categorias: aeronaves de asa rotativa (drones mutirotores) e aeronaves de asa fixa.

É necessário entender os pontos fortes e fracos de cada um dos tipos de aeronaves e a compatibilidade do equipamento com o tipo e envergadura do trabalho a ser realizado. Determinadas situações podem exigir a utilização dos dois tipos de aeronaves. Os drones mutirotores tem mais versatilidade, podendo ser operados em áreas com obstáculos, mesmo em áreas confinadas, e geralmente são equipamentos mais baratos e com menor autonomia de voo. Já os drones de asa fixa são voltados a mapeamentos e levantamentos em grandes áreas, possuem autonomia de voo superior aos mutirotores e são equipamentos que exigem maior investimento para aquisição.

Dentre os principais fabricantes de drones podemos destacar a asiática DJI, com os modelos de drones populares, Phantom 4 pro, Mavic 2 pro e Matrice 300 (todos multirotores). Dentre os drones de asa fixa, temos os modelos franco-suíços Ebee (x,Geo e Ag) e também a fabricante brasileira Xmobots, que desenvolve drones robustos para realizar mapeamentos em grandes áreas. Esse fabricante também desenvolve um equipamento híbrido, ou seja, é um modelo que se comporta como asa rotativa nos pousos e decolagens, mas, durante o voo, tem as características de aeronave de asa fixa.

Equipamentos GPS

A acurácia dos dados coletados não depende apenas do sensor, mas também da qualidade do GPS embarcado nos drones. As soluções de GPS disponíveis para utilização em drones se enquadram nas categorias de: GPS de navegação, RTK (Real Time Kinematic) e PPK (Post – Processing Kinematic). A maior parte dos drones mais acessíveis possuem GPS de navegação integrado a aeronave, no entanto, a coleta de dados pode estar não acurada se passos adicionais, como a utilização dos GCP´s (Ground Control Points) ou pontos de controle e soluções de GPS como PPK ou RTK, não forem realizados. Utilizando as soluções RTK ou PPK embarcados na aeronave, garantimos uma melhor precisão dos dados posicionais de satélite, o que resulta em maior precisão e acurácia do mapeamento. Levantamentos realizados com aeronaves que possuem essas tecnologias garantem a acurácia dos dados coletados e permitem reduzir o número de pontos de controle, porém, sem eliminá-los. Os drones de entrada, geralmente mais acessíveis, equipados com GPS de navegação, também podem ser utilizados na engenharia, desde que o profissional compreenda que necessitará uma quantidade maior de pontos de controle e utilize um procedimento adequado para posicionamento dos marcos no terreno. Os procedimentos para coleta das coordenadas e elevações dos pontos de controle seguirão o processo convencional de levantamento topográfico, com a locação da base e seu respectivo rastreio.

Os sistemas RTK embarcados em drones podem registrar correções acuradas, mas podem ter problemas se o sinal for perdido durante o voo, onde os dados de posicionamento serão desconhecidos e poderão inviabilizar a captura e gravação das posições corrigidas nos metadados quando a imagem estiver sendo capturada.

Os sistemas PPK oferecem maior flexibilidade já que eles não necessitam constante comunicação com a base e satélite durante o voo. Isto previne perda de sinal por interferências ou obstruções durante o voo, que são problemas comuns do sistema RTK.

Pontos de controle

Pontos de controle podem ser qualquer característica visível no terreno a partir das imagens obtidas pela câmera (sensor RGB) do drone. Podem ser utilizadas pontos fixos naturais existentes na área mapeada ou posicionar pontos de controle realizando marcações com tinta ou utilizando alvos pré-fabricados de madeira, pvc e polietileno em áreas livres de obstruções durante a realização do voo. Nos pontos de controle, coletamos precisamente as coordenadas x, y e z (elevação).

É importante notar que, sem a utilização de pontos de controle, podem surgir problemas que nem sempre são aparentes, como distorção ou escalonamento das imagens e da nuvem de pontos. Dessa forma, é importante que os pontos estejam visíveis e adequadamente posicionados para prevenir erros na geração dos produtos fotogramétricos.

No processamento das imagens de drone, as ferramentas realizam uma busca por pontos homólogos nas imagens. Assim, devemos ter atenção para evitar o posicionamento de pontos nas bordas da área mapeada, pois, nessas áreas, não haverá sobreposição adequada de imagens e, então, durante o processamento, a visibilidade dos pontos de controle não será adequada para realizar o ajustamento das suas posições.

Planejamento e segurança do voo

O planejamento do voo é uma etapa crucial para obtenção de bons resultados nos dados coletados e para garantir a segurança da operação. É recomendado a realização de visitas prévias a área do mapeamento para conhecer os obstáculos ou conflitos que possam prejudicar o plano de voo. Abaixo seguem algumas considerações mínimas relacionadas à segurança e ao planejamento do voo:

• Hora do dia (condições de iluminação) – Iluminação e sombreamento têm papel fundamental para obtenção de bons resultados na realização do mapeamento. Altos contrastes entre áreas sombreadas e áreas com alta incidência de luz solar tornam o processo de busca por pontos homólogos uma tarefa complexa para o software de processamento, o que pode ocasionar áreas com dados incompletos.

• Temperatura e condições climáticas – Devido às limitações dos sensores e do próprio equipamento, condições climáticas e temperaturas trazem desafios a utilização dos drones. Para auxiliar no planejamento, no que se refere as questões climáticas, existem aplicativos que orientam o usuário a encontrar as melhores janelas de voo.

• Condições do ponto base – Área livre de obstruções, como árvores, linhas de transmissão, edificações, proximidade a pessoas não anuentes etc.

• Condições do equipamento – Verificação prévia de carga de baterias, possibilidade de recarregar baterias no campo, hélices, carcaça do equipamento e sensores.

• Software de planejamento de voo – Gera informações de quantidade de baterias necessárias, altura do voo, tempo estimado de levantamento, definição de percentual de sobreposição de imagens. Alguns softwares têm uma função específica chamada “Terrain following” que permite que o drone mantenha uma altura de voo constante, garantindo que o GSD (Ground Sample Distance) não tenha variações em toda área mapeada, mesmo com variações do relevo. Essas ferramentas também devem possuir a função de continuar uma missão após a parada da aeronave para troca de baterias e oferecer a possibilidade de regulagem da câmera na interface do aplicativo.

Processamento e produtos gerados

A maior parte dos produtos do processo de fotogrametria com drones são obtidos no processamento realizado posterior ao levantamento: nuvens de pontos, modelos digitais de superfície, modelos digitais de terreno e ortomosaico são obtidos a partir dos dados brutos obtidos com a aeronave em ferramentas especializadas de processamento. O processamento consiste na importação das imagens ou cenas obtidas durante o voo, importação das coordenadas de pontos de controle, alinhamento, calibração, processo de densificação da nuvem de pontos e aplicação de filtros para excluir elementos indesejados, a depender do uso pretendido com o mapeamento.

Nuvem de pontos fotogramétricas x Nuvem de pontos LiDAR

Cada ponto em uma nuvem de pontos possui as informações de coordenadas x, y e z. Informações como intensidade, RGB e classificação também podem estar associadas no grupo de dados. Podemos obter nuvens de pontos utilizando o processo fotogramétrico, a partir de imagens ou com o processo LiDAR. Os dois métodos possuem vantagens e desvantagens, sendo que a principal questão envolvendo a utilização desses processos é o custo de aquisição do LiDAR, o qual é significativamente superior ao de aquisição de apenas imagens de drone.

As nuvens de pontos fotogramétricas utilizam várias imagens com grande sobreposição para calcular pontos homólogos no terreno. Na maioria das situações, nuvens de pontos fotogramétricas têm menor custo e produzem nuvens de pontos mais densas.

Já as nuvens LiDAR têm uma característica muito importante e que se sobressai em relação a fotogrametria, que é a capacidade de penetração em áreas com vegetação densa e seu melhor desempenho em superfícies planas, como, por exemplo, superfícies asfálticas. Isso nos leva a considerar que, para alguns mapeamentos, como o levantamento de rodovias e superfícies com vegetação densa, será necessário um investimento maior e a utilização de drones com sensores LiDAR ao invés do mais comum e de preços mais baixos (drones com sensores RGB).

Usos e aplicações

• Levantamentos planialtimétricos
• Sobreposição de nuvens de pontos com modelos BIM – Detecção de interferências
• Levantamentos para cálculos de volumes em áreas de mineração
• Levantamento com LiDAR acoplado em drones em rodovia ou áreas de vegetação densa
• Acompanhamento volumétrico de evolução de obras de terraplanagem – medições topográficas

Pode-se concluir que a utilização desses equipamentos na engenharia tem inúmeras utilidades, permitindo acompanhamento de obras, utilização dos levantamentos para cálculos de volumes, levantamentos planialtimétricos, entre outras aplicações. Temos somente que estar atentos às limitações, principalmente dos drones equipados apenas com sensores RGB, em áreas de obras onde ainda não foi realizada a supressão vegetal. Para esses casos e em superfícies planas como rodovias, laser scanners acoplados em drones ou outras metodologias convencionais de levantamento deverão ser utilizadas.

Referências

ANAC – https://www.gov.br/anac/pt-br

DJI – https://www.dji.com/br

MEASURE – https://www.measure.com/en/help/terrain

PIX4D – https://www.pix4d.com/blog/lidar-photogrammetry

SARPAS DECEA – https://servicos.decea.mil.br/sarpas/

SenseFly – https://www.sensefly.com/

Ugcs – https://www.ugcs.com/

US Department of Transportation – https://www.fhwa.dot.gov/uas/library.cfm

Robson Augusto Ferreira da Silva – Engenheiro Civil