Fotogrametria

Universidade Eduardo Mondlane Faculdade de Arquitectura e Planeamento Físico Cadeira de Topografia e Cartografia Docente: João Sondela Tengamaze Discente: Jacinto Nhantumbo Trabalho de Pesquisa II ano - I semestre

Tema: Fotogrametria no Restauro de Edifícios Históricos

Fotogrametria no Restauro de edifícios Históricos

MAPUTO, aos 20 de Maio de 2015

Índice Introdução ..………………………………………………………………………………….…. 3 Objetivos ……...……………………………………………………………………………........ 4 Metodologia …...……………………………………...……………………………………….... 5 Glossário …...…………………………………………………………………………………… 5

Parte I – Fotogrametria em uma Abordagem Geral Definição de Fotogrametria …….……………………………………………………………... 6 Divisão ………………………………………………………………………………….……….. 7 Objetivo da Fotogrametria ………….……………………………………………………........ 8 Historial ………………………………………..……………………………………………….. 8 Objectivo da Fotogrametria Digital ………………………………………………...………… 9 Restituição …………………………………………………………………………………...…. 9 Fotografia ……………………………..…………………………………………..............….... 10

Parte II – fotogrametria no restauro de edifícios históricos Importância da Fotogrametria no Restauro de Edifícios …………………………………. 10 Metodologia de Levantamento ………………………...…………………………….………. 11 Exemplos de Levantamentos Fotogramétricos ……………………………………….......… 12 Conclusão ………………………………………………………………………………..……. 14 Referências ……………………………………………………………………………..……... 14

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Introdução O planeamento de qualquer atividade que de alguma forma se relaciona com o espaço físico que habitamos requer, inicialmente, o conhecimento deste espaço e assim sendo, torna-se necessária alguma forma de visualização da porção da superfície física do planeta, onde pretendemos desenvolver nossas atividades. Para alcançar este objetivo recorremos a um processo de representação da superfície terrestre, superfície irregular, sobre uma superfície plana, folha de papel ou computador. A esta representação denominamos Mapa.

Desta forma, surge o conceito de Mapa Inteligente (SIG), onde cada entidade representada (registro) corresponde a uma enorme gama de informações registradas no banco de dados conectado. Independente do vínculo a um banco de dados, as formas de representação da superfície terrestre mais comuns utilizadas pela topografia são os mapas, cartas e plantas.

Os mapas são feitos a partir da integração de diversas ciências e técnicas que juntas englobam uma área do conhecimento humano denominada Geomática.

É objeto de estudo da Geomática: • A Geodésia • A Topografia • A Cartografia • A Hidrografia • A Fotogrametria • O Sensores Remotos • O Desenho Assistido por Computador (CAD) • O Gerenciamento de Banco de Dados • O Gerenciamento Cadastral • Os Sistemas de Informações Geográficas (SIG) • Os Sistemas de Posicionamento Global (GPS)

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Objectivos Objectivos gerais Estudo da Fotogrametria: • Saber da sua história e definir os principais conceitos e suas aplicações • Suas divisões e aplicações em diferentes áreas de conhecimento

Objectivos específicos Aplicação da Fotogrametria no restauro de edifícios históricos: • Principais técnicas e ferramentas usadas durante o processo • Metodologia do levantamento fotogramétrico em edifícios históricos • Etapas fundamentais do processo de documentação do Patrimônio Histórico

Metodologia A obtenção da informação para a elaboração deste trabalho de pesquisa, foi possível através da internet, recorrendo a livros de autores brasileiros na sua maioria e também aulas teóricas de professores universitários em faculdades de Topografia e Cartografia.

Também outras informações foram possíveis encontrar em artigos publicados em blogs e em sites por especialistas da área, principalmente os conceitos figurados no glossário que encontrase na página seguinte foram extraídos destas matérias publicadas.

As imagens foram tiradas dos livros, algumas que não apresentavam uma qualidade aceitável, foram substituídas por outras melhores encontradas em links que direcionavam na referência bibliográfica dos mesmos livros, aos sites usados para a compilação dos mesmos.

Outras informações também foram encontradas em ingles, e de seguida traduzidas para português, e também alguns conceitos de palavras, para a obtenção dos seu significado clarificado, foram obtidos através do uso do dicionário de sinónimos em formato electronico.

Em suma, basicamente não foi usado nenhum livro em formato físico para a elaboração deste trabalho.

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Glossário Topografia: (descrição de um lugar) é a ciência que estuda os acidentes geográficos definindo a sua situação e localização na Terra ou outros corpos astronómicos incluindo planetas, luas, e asteroides. É ainda o estudo dos princípios e métodos necessários para a descrição e representação das superfícies destes corpos, em especial para a sua cartografia.

Cartografia: conjunto de estudos e operações científicas, técnicas e artísticas que orienta os trabalhos de elaboração de cartas geográficas.

Mapa: representação da Terra nos seus aspectos geográficos naturais ou artificiais que se destina aos fins culturais ou ilustrativos;

Estereofotografia: é uma técnica usada para se obter informações do espaço tridimensional, através da análise de duas imagens obtidas em pontos diferentes.

Carta: representação dos aspectos naturais e artificiais da Terra, destinada aos fins práticos da atividade humana, permitindo a avaliação de distâncias, direções e a localização geográfica de pontos, áreas e detalhes;

Planta: carta regular representando uma superfície de extensão suficientemente restrita para que sua curvatura possa ser desprezada e que, por isso, a escala possa ser considerada como constante.

Fotogrametria: a Fotogrametria é definida como a ciência aplicada, a técnica e a arte de extrair de fotografias métricas, a forma, as dimensões e a posição dos objetos nelas contidas.

Mosaico: É uma montagem de fotografias aéreas ajustadas sistematicamente umas as outras para formar uma vista composta de toda a área coberta por essas fotografias.

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Parte I – Fotogrametria em uma abordagem geral

Definição de Fotogrametria Etimologicamente, a palavra “fotogrametria” vem a ser “photon - luz, graphos – escrita, metron medições”, ou medições executadas através de fotografias.

Muitas abordagens e discussões para o tema foram desenvolvidas ao longo do último século, tornando tal assunto confuso para aqueles que estão tomando um primeiro contato com o mesmo.

Algumas delas são citadas abaixo: - Ciência e arte de obter medidas dignas de confiança utilizando-se fotografias (American Society of Photogrammetry).

- Ciência, tecnologia e arte de obter informações seguras acerca de objetos físicos e do meio, através de processos de registro, medições e interpretações de imagens fotográficas e padrões registrados de energia eletromagnética (Photogrammetric Engineering and Remote Sensing).

Entretanto, o consenso geral define tal termo, a grosso modo a Fotogrametria como a ciência e tecnologia de se obter informação confiável, através de imagens adquiridas por sensores remotos.

Ciência – pois utiliza-se de métodos científicos para o estudo do funcionamento dos processos de captação da energia eletromagnética e análise dos registros advindos dos mesmos.

Tecnologia – uma vez que lança mão do estado da arte da tecnologia para tornar tais processos mais rápidos e eficazes para os usuários.

Informação confiável – seja ela sob a forma de um mapa, lista de coordenadas, modelo tridimensional ou qualquer outro modo de representação geometricamente classificado dentro de tolerâncias de precisão e acurácia desejáveis.

Imagens – Imagens ópticas podem ser definidas como “a reprodução aparente de um objeto, formado por um sistema de lentes ou espelhos, a partir de ondas luminosas refletidas, refratadas ou difratadas” (Enciclopédia Britânica, 2001).

Sensores Remotos – um sensor é “qualquer equipamento capaz de transformar alguma forma de energia em um sinal passível de ser convertido em informação sobre o ambiente, sem contato físico entre este sensor e os alvos de interesse”. Como citado anteriormente, a energia utilizada neste caso é a eletromagnética.

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Basicamente esta definição tem um alto grau de correlação com as inúmeras outras encontradas em livros e textos científicos sobre o tema.

A Fotogrametria tem como objectivo, realizar medições sobre fotografias para a elaboração de mapas topográficos/geodésicos planimétricos.

Divisão da Fotogrametria - Métrica: realiza medidas precisas e computações para a determinação da forma e tamanho dos objetos fotografados.

- Interpretativa: lida com o reconhecimento e a identificação destes mesmos objetos. Dentre elas, podemos encontrar: • Sensoriamento Remoto: ciência cujos aparelhos são capazes de captar e registrar características das superfícies, sub-superfícies e de corpos sobre as superfícies, abrangendo, em seu mais alto grau, instrumentos que não requerem contacto físico com estes corpos para a colecta das informações desejadas. Capta imagens através de câmaras multiespectrais, sensores infravermelhos, scanners térmicos, radares, micro-ondas,etc.

• Fotointerpretação: é o estudo sistemático de imagens fotográficas para propósitos de identificação de objetos e julgamento da sua significância. Sua finalidade é o levantamento de mapas temáticos.

Tanto o Sensoriamento Remoto como a Fotogrametria Métrica estão sendo largamente empregados como ferramenta no planeamento e gerenciamento de projetos que envolvem o meio ambiente e/ou recursos naturais. Ambos são utilizados como base de dados gráfica para projetos de SIG (Sistemas de Informações Geográficas) ou Geoprocessamento.

A fotogrametria pode ainda ser dividida em: • Fotogrametria terrestre é usada principalmente para documentar o estado actual da fachada de edifícios e monumentos.

• Fotogrametria aérea é usada principalmente para: - Mapas topográficos e/ou temáticos; - Modelos digitais de terreno; - Fotografias rectificadas (ortofoto); - Coordenadas de pontos requeridos.

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Objetivo da Fotogrametria O objetivo principal da Fotogrametria pode ser enunciado como a reconstrução de um espaço tridimensional, chamado de espaço objeto, a partir de imagens bidimensionais, chamadas de espaço imagem. Trata-se, então, de uma transformação entre sistemas. Um sistema bidimensional, chamado sistema fotográfico e um sistema tridimensional, que representa o próprio espaço objeto. Normalmente, utiliza-se um sistema bidimensional próprio de cada câmara, com origem aproximadamente no centro de seu quadro, e de coordenadas determinadas por calibração da câmara em laboratório, antes de sua utilização. O sistema tridimensional, no caso mais comum, representa o sistema de coordenadas do terreno sobre o qual obtém-se as imagens, o qual pode estar sendo representado em coordenadas geodésicas (latitude, longitude e altura ou altitude), planialtimétricas (E, N e altitude) ou cartesianas (X, Y, Z). Para outros tipos de alvos, como monumentos ou objetos pequenos, pode-se criar um sistema de referência próprio, de origem arbitrária.

Historial O primeiro trabalho prático com câmeras fotogramétricas, foi realizado pelo engenheiro Aimé Lausedat no ano de 1850. Este é considerado o Pai da Fotogrametria. Ele combinou o Teodolito com a Fotogrametria elaborando o Fototeodolito.

Abaixo são mostrados alguns fatos históricos relacionados com a Fotogrametria: Fotogrametria Pioneira (1840-1900) Em 1851, Aimé Laussedat desenvolve os primeiros princípios e técnicas fotogramétricas, sendo seguido por trabalhos importantes de documentação de edifícios históricos, como os de Meydenbauer e Ernst Mach. A então nascente Ciência recebeu seu primeiro livro teórico em 1889, o Manual de Fotogrametria, de autoria do alemão C. Koppe.

Fotogrametria Analógica (1901-1950) A invenção do aparelho “estereocomparador”, por Pullfrich, marca a primeira revolução da fotogrametria, através da qual foi possível facilitar surpreendentemente o trabalho dos usuários, graças à substituição dos inúmeros cálculos matemáticos por aparelhos óptico-mecânicos.

Inúmeros aparelhos, sobretudo os suíços e alemães, possibilitavam a obtenção de cartas topográficas a precisões surpreendentes. Obviamente, tal trabalho passou a ser altamente específico, tornando fundamental a figura do técnico em fotogrametria.

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Fotogrametria Analítica (1951-1990) A invenção do computador, nos anos 40, deu início a uma transformação nos processos fotogramétricos de então. A grande quantidade de cálculos necessários, que havia sido substituída pelos aparelhos mecânicos, passou a poder ser executada computacionalmente.

Fotogrametria Digital (1990 - Dias De Hoje) A fotogrametria digital teve o seu surgimento nos anos 80, tendo como grande inovação a utilização de imagens digitais como fonte primária de dados. A imagem digital pode ser adquirida diretamente de uma câmara digital, ou mesmo através da digitalização matricial de uma imagem analógica (submetendo-a a um scanner). Nos anos 90, este ramo da fotogrametria realmente pôde ser usado de maneira extensiva, graças ao desenvolvimento de computadores com capacidade suficiente para o processamento interativo de imagens digitais, gerando elevados volumes de dados. É de salientar que somente na fotogrametria digital tem-se uma análise computacional completa de todo o processo, por este motivo irei aprofundar neste trabalho a fotogrametria digital em geral e em específico no restauro de fachadas de edifícios históricos.

Objetivo da Fotogrametria Digital A fotogrametria digital tem como seu objetivo principal a reconstrução automática do espaço tridimensional (espaço objeto), a partir de imagens bidimensionais (espaço imagem).

Restituição É a elaboração de um novo mapa ou carta, ou parte dele, a partir de fotografias aéreas e levantamentos de controlo, por meio de instrumentos denominados restituidores, ou seja, é a transferência dos elementos da imagem fotográfica para a minuta ou original de restituição, sob a forma de traços.

Para a edição de cartas topográficas de precisão e necessário reconstruir a posição exata de cada fotografia no momento de exposição. Este procedimento segundo Paredes-1987, é conhecido como orientação interior do modelo estereoscópico. Na camara métrica há uma relação precisão entre o filme e a lente. A orientação relativa é a reconstrução da posição de uma fotografia em relação a outra, que é obtido os pares de imagens de um mesmo objecto em ambas as fotografias consecutivas. A orientação absoluta é a localização de ambas as fotografias em relação ao tereno.

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Fotografia A fotogrametria pode ser aérea ou terrestre.

A fotografia aérea vertical permite obter medidas fidedignas de confiança da superfície terrestre.

As fotografias de acordo com a orientação da câmara digital pode ser classificadas em verticais e inclinadas (ou oblíquas). A fotografia vertical é aquela de o ângulo de inclinação (α) é menor que 3o. Foto realmente vertical é aquela que o ângulo de inclinação é nulo.

Fotografia aérea, diferentes posições

Parte II – Fotogrametria no Restauro de Edifícios Históricos

Importância da Fotogrametria no restauro de edifícios Nos edifícios mais antigos, e até mesmo em construções mais recentes, as dificuldades para a realização de algum projeto de restauração começam geralmente com a inexistência de documentação, a imprecisão das plantas existentes ou seu mau estado de conservação.

Na maioria das vezes os edifícios sofreram acréscimos através dos anos, e mesmo as plantas originais não conferem em dimensionamento com a situação atual.

Pode ocorrer que existam vários levantamentos arquitetônicos realizados, mas o trabalho de verificar e compilar todas as informações em um único documento final demanda mais tempo do que a realização de um novo levantamento fotogramétrico, sem apresentar a confiabilidade homogênea que este possibilita.

A maioria dos escritórios de arquitetura não dispõe de pessoal especializado em levantamentos arquitetônicos. A mobilização de pessoal pelo tempo necessário para a execução do levantamento pode tornar-se financeiramente inviável. Muito frequentemente, em edifícios antigos, o estado de deterioração e arruinamento do prédio e pontos inacessíveis, como torres ou pináculos, podem se tornar obstáculos para uma documentação satisfatória.

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Geralmente a documentação de edifícios históricos não se atém ao levantamento arquitetônico.

Muitos outros dados são necessários para que se obtenha uma completa descrição do objeto. No que se refere à documentação gráfica, a fotogrametria arquitetural preenche todos os requisitos.

Para a documentação pictográfica, com registro de cores e texturas, a fotografia a cores é um dos métodos mais completos.

Consequentemente, a integração destes dois métodos de levantamento trazem muitas vantagens para a documentação histórica, principalmente se podemos visualizar as fotos junto com a parte gráfica.

Metodologia de levantamento A metodologia dos levantamentos fotogramétricos de edifícios e de monumentos antigos está dividida em duas fases, de campo e do escritório.

Fase de Campo a) Tomada de coordenadas com o auxílio da estação total: Esta tomada é feita por forma a posicionar no espaço, em coordenadas cartesianas xyz, os pares de fotografias. É feita por um topógrafo, utilizando uma estação total munida de caderneta de terreno conectável ao computador. b) Execução das fotografias convergentes das fachadas: As fotografias são feitas utilizando uma máquina fotográfica, a partir do solo, ou com o auxílio dum braço articulado de acesso, no caso das fachadas relativamente altas.

Para cada objecto ou parte de construção são tomadas duas fotografias, pelo menos, sob dois ângulos diferentes. É necessário que a distância entre duas estações seja pelo menos entre 30% e 50% da distância entre a câmara e o objecto. O software de fotogrametria, após digitalização, permite encontrar, por triangulação, em coordenadas xyz (tridimensional), qualquer ponto visível sobre as duas fotos, no mínimo.

As fotos são reveladas em formato 10 x 15 cm ou 20 x 30 cm, o que permite constituir uma documentação fotográfica do objecto levantado (plantas e alçados). c) Levantamento manual: O levantamento manual permite anotar pormenores de dimensões e pormenores complementares da informação obtida por meios topográficos.

Neste levantamento manual anotam-se os pormenores que vão ter grande importância durante a tomada de fotos, para obter uma melhor precisão, em função da complexidade do objecto levantado. A recolha dos dados de campo é feita por técnicos familiarizados com os monumentos e a construção em pedra, por forma a recolher informações complementares, ao nível do aparelho, das pedras ou dos pormenores das esculturas, caso existam.

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Fase do Escritório a) Recuperação das coordenadas: A recuperação das coordenadas cartesianas XYZ tomadas anteriormente com o Taqueómetro é feita em gabinete, com o auxílio da caderneta de campo ligada ao computador.

b) Orientação das fotografias: Este trabalho é realizado por um técnico formado na operação do software de fotogrametria.

Nesta operação, as fotos, após a selecção, são dispostas ordenadamente por modelo sobre a mesa digitalizadora. Utilizando o software de fotogrametria, são inicialmente sujeitas a uma rectificação das deformações provocadas pela película e pelo próprio papel de revelação. Em seguida, procede-se à orientação do modelo, cujo objectivo é a determinação do ângulo e direcção apresentados pelas fotos, ou seja, o posicionamento da câmara em relação ao bjecto, através da introdução das coordenadas XYZ de cada ponto e respectivo processamento. c) Desenho no computador: O operador digitaliza a informação contida nas fotos anteriormente tomadas com um software a funcionar em paralelo com o “Autocad”, e vai transmitindo para aí toda a informação sob a forma de entidades 3D. d) Restituição e rectificação em CAD do ficheiro produzido: Este trabalho é realizado por um técnico com formação em “AutoCAD”.

Nesta operação procede-se ao tratamento de toda a informação gráfica transferida, em termos de representação – ligação de entidades, aperfeiçoamento de arcos ou outros elementos Arquitectónicos e esta operação é realizada em suporte bidimensional.

Exemplos de levantamentos Fotogramétricos Capela de São Gião na Nazaré

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Mosteiro de Santa Clara-a-Velha em Coimbra

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Conclusão Com a conclusão deste trabalho, pode-se esperar que certas perguntas relacionadas a Fotogrametria sejam esclarecidas com uma leitura detalhada. Com a evolução da fotogrametria, até aos dias de hoje, muita coisa ficou facilitada, como é o caso da representação dos mapas, cartas, etc., com uma precisão e qualidade satisfatória proporcionadas pelas máquinas fotográficas de alta resolução que hoje se encontram disponíveis em quase toda a parte do mundo.

No restauro de edifícios históricos, a fotogrametria digital mostra-se muito eficiente em comparação com o levantamento que antes era feito a mão, mas apesar dessa evolução das técnicas e ferramentas que nos proporcionam, em Moçambique não se restauram edifico com muita frequência e esses poucos que são restaurados, a presença do topógrafo é dispensada, contratando apenas Arquitectos e engenheiros de construção geralmente, mas isso não acontece pela falta de topógrafos no nosso país. Acredito que seja por desinteresse da parte dos responsáveis pela iniciativa do restauro desses patrimónios históricos espalhados pelo país que alguns até são abandonados e transformados em abrigos de mendigos ou simplesmente espaços nauseabundos e lixeiras. Exemplo concreto é o Edifício do Grande Hotel situado na cidade da beira, província de Sofala, e outro é o edifício do estacão Ferroviária dos CFM na baixa da cidade, Maputo.

Referências http://cipa.icomos.org/fileadmin/template/doc/olinda/99c307.pdf http://home.fa.utl.pt/~jaguiar/documentos/2009/Miarq_FA_mateus.pdf http://pt.wikipedia.org/wiki/Fotogrametria http://www.inf.ufsc.br/~visao/1999/aline/foto.html http://fotogrametrista.no.sapo.pt/pt/conceitos.html http://dicionarioportugues.org/pt/restauro http://pt.wikipedia.org/wiki/Estereoscopia http://pt.wikipedia.org/wiki/Topografia http://dicionarioportugues.org/pt/fotogrametria

Fotointerpretação E Sensoriamento Remoto Professor: Ricardo T. Zaidan ICH/DEPARTAMENTO DE GEOCIÊNCIAS GEO 019 – PRÉ-REQUISITO: CARTOGRAFIA TEMÁTICA. INTRODUÇÃO À FOTOGRAMETRIA DIGITAL Pág. 14 de 14