Autores
- MARCO ANTÔNIO DA ROSA SOARESUNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIAEmail: ma-arco@hotmail.com
- ROMARIO TRENTINUNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIAEmail: romario.trentin@gmail.com
Resumo
O presente trabalho pretende fazer a análise de comparações dos resultados de
diferentes programas do processamento de uma voçoroca do município de Cacequi,
Rio Grande do
Sul, entre softwares gratuitos e pagos. A metodologia utilizada comparou os
parâmetros de volume, dense
cloud, falha na reconstrução de árvores agrupadas, erros espaciais, tempo de
processamento, qualidade utilizada, preço em relação ao Metashape e dificuldade
no uso, nos softwares Agisoft Metashape, Pix4dMapper, WEBODM, 3DF Zephyr,
3Dsurvey. As principais percepções e dificuldades sobre os procedimentos
realizados nos diferentes programas foram mencionadas.
Palavras chaves
Fotogrametria Digital; Mapeamento de erosão; Modelo tridimensional; Comparação de softwares; Metashape
Introdução
Os problemas que decorrem da erosão são diversos, como a degradação do solo que
pode levar à perda de fertilidade da área, e ocorrem em uma escala global, sendo
uma das grandes dificuldades para a preservação do solo (NUNES e CASSOL, 2011).
Os nutrientes do solo são perdidos, implicando não apenas prejuízos ambientais,
mas também financeiros, principalmente com o acontecimento de enxurradas, sendo
que esse processo é intensificado de acordo com o tipo de prática aplicada no
solo, em alguns casos (BERTOL et al., 2007).
A voçoroca é uma feição erosiva de alto impacto que explicita a evolução dos
processos erosivos lineares, sendo necessário o estudo da área para tentar frear
o avanço do desenvolvimento dessa voçoroca (RADEMANN, 2019). Um dos principais
métodos utilizados para estudar as erosões lineares são o mapeamento da área e
do fenômeno, para isso, utilizaram-se tanto as imagens de satélite quanto as de
VANTs, veículos aéreos não tripulados (PETSCH, 2022).
O uso das imagens de drones na análise de feições erosivas está sendo cada vez
mais utilizado nos estudos geomorfológicos, essa nova ferramenta permite que as
feições sejam mapeadas com uma alta qualidade, ótima resolução espacial e um
valor menor do que as outras opções (RADEMANN, 2020).
A utilização das fotografias de drones em trabalhos de análise de erosão, muitas
vezes, se limita a servir como um suporte para a visualização espacial da área
sem passar por algum tipo de técnica de processamento em softwares (PETSCH,
2022; LOUREIRO, 2019; SILVA et al., 2018). Em outra abordagem, efetua-se o
processamento das fotos de drones por meio de softwares de fotogrametria digital
para obter produtos que podem auxiliar na análise dessas feições erosivas
(MOURA, SANTOS e JUNIOR, 2021; HARTWIG e RIBEIRO, 2021; GUTIÉRREZ et al., 2017).
O método Structure-from-Motion (SfM), que consiste em extrair um parâmetro de
uma imagem, ligar esse parâmetro de uma imagem com a de outra imagem, realizando
esse procedimento em pares, e conectar o conjunto inteiro de fotos pela
similaridade encontrada, facilitou e popularizou o desenvolvimento de produtos
fotogramétricos do processamento de fotos de VANTs (JIANG S., JIANG C. e JIANG
W., 2020). A aplicação dos modelos usando SfM permite criar uma nuvem de pontos
com um custo muito menor do que os outros métodos, como o Laser Scanner, onde
essa nuvem é feita de base para diversas quantificações que podem ser feitas na
área, ademais, o próprio processo de manusear essa tecnologia é facilitado em
comparação com outras técnicas (HE et al., 2022).
O SfM é um dos mais populares algoritmos de movimento sendo utilizado com o
Multi
View Stereo (MVS), que atua diretamente na construção de modelos tridimensionais
a partir de imagens bidimensionais. O MVS é um campo estudado dentro da área da
visão computacional, sendo seus resultados trabalhados utilizando algoritmos,
como PatchMatch e Relação Cruzada normalizada a zero, que possuem o objetivo de
fazer as correlações de maneira eficiente para a produção da imagem 3D (SUN et
al., 2022).
No contexto das geociências, observa-se na literatura que o método SfM-MVS vem
sendo amplamente usado em análises de feições erosivas, isso se deve aos fatores
previamente citados, por exemplo, baixo custo, facilidade no uso e rapidez para
a obtenção das imagens e produtos. Em adição a isso, repara-se que na maioria
das pesquisas que utiliza essa metodologia os softwares utilizados na etapa de
processamento das fotos são pagos (RADEMANN, 2020; PARREIRAS et al., 2020;
RODRIGUES, 2018).
O presente trabalho possui o objetivo de fazer comparações de produtos
fotogramétricos de uma voçoroca do município de Cacequi, Rio Grande do Sul,
entre softwares gratuitos e pagos, considerando a facilidade da instalação e uso
do programa e sua eficiência na produção do modelo em relação ao hardware
utilizado na pesquisa.
Material e métodos
Para reconstruir a voçoroca utilizada nesse trabalho foram usadas 185 fotos, que
possuem uma dimensão de 4864 pixels de largura e 3648 pixels de altura e foram
obtidas por levantamento planialtimétrico feito com o drone Phantom 4 Pro da
fabricante chinesa DJI, ele conta com uma câmera de 20 megapixels, lente com
campo de visão de 84° 8.8 mm, distância focal de 24 mm e bateria de 5870
miliampere-hora que dura cerca de 30 minutos.
Para realizar o processamento e a análise foi utilizado o notebook de uso
pessoal Nitro 5, modelo AN515-44-R4C8, com Windows 10 Home, processador AMD
Ryzen 7 Mobile 4800H e 1 pente de memória ram Samsung DDR4 16 GB 3200 MHz.
O aplicativo DroneDeploy foi utilizado tanto para fazer a elaboração do plano de
voo quanto para rodar o mesmo e fazer a tomada das fotografias aéreas de forma
automatizada. Para a correção das coordenadas foi coletado 8 pontos de controle,
marcados com cal no chão para posterior visualização no software, os
equipamentos utilizados foram um par de GNSS RTK modelo Reach RS2+ da Emlid.
Posteriormente, as fotos foram importadas para os programas para a geração dos
produtos, cálculo volumétrico e análise da qualidade dos modelos produzidos.
Visto esse objetivo, o processamento foi feito até a obtenção da Ortofoto,
passando pelos processos de alinhamento de fotos, importação dos pontos de
controle, criação da nuvem densa, do modelo tridimensional, da textura e do
modelo digital de elevação (MDE).
Os resultados do processamento são diretamente ligados à qualidade selecionada
do mesmo, ou seja, quanto maior o parâmetro de qualidade selecionado, tanto mais
os produtos serão melhores, além disso, o uso computacional é elevado juntamente
com a melhoria dos modelos. Nesse contexto, observa-se na literatura alguns
autores que utilizam as mesmas opções de processamento em diferentes softwares
de fotogrametria (AREFI, 2017).
A abordagem de diferentes qualidades de processamento em um mesmo software não
foi utilizada no presente trabalho devido ao objetivo não ser analisar o
resultado isolado, mas sim, comparar, em adição à análise dos produtos gerados,
o quão bem o programa consegue aproveitar os recursos computacionais oferecidos.
O procedimento adotado, portanto, foi a tentativa inicial de processar as
imagens na maior qualidade que o aplicativo oferece, com a posterior diminuição
gradativa conforme o computador não cumprir os requisitos para executar a
tarefa. A diminuição da qualidade não foi feita por meio da diminuição da
dimensão das imagens, com exceção do WEBODM que além de ter que processar na
menor qualidade foi necessário também diminuir a resolução das imagens pela
metade.
O software referência utilizado foi o Agisoft Metashape Professional versão
1.8.0, com a licença da Universidade Federal de Santa Maria, a linha de trabalho
foi a mesma utilizada em todos os programas, as imagens do VANT foram
introduzidas, convertidas para o sistema SIRGAS2000 no fuso 21S, alinhadas e
foram processados os produtos previamente explicitados no texto. A área foi
representada por um conjunto de 185 imagens que foram utilizadas nos programas
Agisoft Metashape, WEBODM, Pix4dMapper, 3Dsurvey e 3DF Zephyr.
Uma das formas para realizar a comparação entre os diferentes softwares foi o
definido e utilizado por AREFI, 2017, o qual é baseado no número de pontos na
nuvem densa, erros na espacialização dos pontos em x,y e tempo de processamento.
Em adições do autor, foram inclusos o parâmetro de reconstrução de árvores
agrupadas e o cálculo de volume de uma triangulação feita utilizando a marcação
de três pontos de controle. Ademais, foi feita uma avaliação da dificuldade de
utilizar o software, sendo 1 a nota dada aos programas com uma interface
intuitiva e fácil instalação, 2 para os que apresentam dificuldade em algum
desses dois critérios e 3 para os mais complexos.
Resultado e discussão
Os softwares de fotogrametria digital analisados conseguiram produzir um fluxo
de trabalho completo das fotos até a geração da ortofoto, isso também inclui o
processo de marcar os pontos de controle no modelo e performar a correção com a
presença deles. Em geral, concluiu-se que todos os aplicativos testados conseguem
produzir um modelo tridimensional e uma nuvem densa que possibilite a
análise de feições erosivas, entretanto, alguns se destacaram mais que os outros
pela maior qualidade e facilidade no uso.
O Agisoft Metashape foi escolhido para servir como referência devido tanto à
experiência do autor com ele ser maior em comparação com os outros programas,
quanto a ele ser um software já utilizado muitas vezes na literatura e ser
confiável nos seus resultados (KINGSLAND, 2020).
A falta de algumas funções nos softwares será mencionada posteriormente, nesse
ponto, destaca-se que isso significa que o autor procurou a ferramenta e não
conseguiu encontrar no programa, o que não exclui a possibilidade de falha
humana e a função existir.
Alguns softwares inicialmente selecionados para análise não possibilitaram a
execução completa do fluxo de trabalho. Estes softwares possuem diversos
propósitos, por exemplo, MicMac (RUPNIK; DESEILLIGNY; DELORNE, 2018), VisualSFM
(ONIGA; STATESCU, 2023), COLMAP (QURENSHI et al., 2022) e RealityCapture
(KINGSLAND, 2020). Acredita-se que essa falha na utilização desses softwares foi
devido ao conjunto de imagens utilizadas, que eram um número relativamente alto
e retratam uma extensa área de vegetação com muitos detalhes similares.
O 3DF Zephyr na versão de teste foi um dos primeiros testados e apresenta uma
interface bastante semelhante com o Agisoft Metashape, as principais restrições
para os usuários que não compraram a licença é não poder utilizar pontos de
controle e limite de 50 fotos. Ademais, a aba de Workflow é um facilitador para
novos usuários, apresentando os principais processamentos em ordem.
O programa encontra dificuldade justamente nas partes mais avançadas, como foi
visto na comparação, ele não permite a criação de um polígono e a análise do
volume dessa área, sendo extremamente limitado comparado aos outros nesse
aspecto. Além disso, as ferramentas constantemente tiveram que ser reiniciadas
por travarem e pararem de responder.
Os procedimentos para a geração dos produtos no 3Dsurvey e no Pix4DMapper foram
similares aos outros, com algumas pequenas alterações próprias dos
desenvolvedores dos programas. Os dois são instalados por meio de um executável
disponibilizado no site e não apresentaram nenhuma dificuldade ou erro durante a
instalação.
Em ambos, 11 fotos não foram alinhadas, na análise do resultado, percebeu-se que
as áreas que o software não conseguiu fazer a diferenciação de uma imagem para a
outra foram as fotos que apresentavam uma vegetação densa, essa que não foi
reconstruída plenamente nos dois programas e foi representada por áreas pretas
ou tons distorcidos de verde.
A interface tanto de um quanto do outro é diferente do que é visto no Metashape
e no Zephyr, mesmo assim consideradas amigáveis, as principais ferramentas estão
visíveis e as etapas do processamento também. A etapa de calcular os volumes foi
simples e os tutoriais dos programas são explicativos, as outras funções para
mensurar o modelo não foram testadas.
O programa WEBODM da empresa OpenDroneMap na versão gratuita necessita o uso do
GitGui para fazer a clonagem da pasta e do Docker Desktop para os containers,
ainda, alguns erros foram encontrados durante esse procedimento, como a falta de
comunicação entre o node e a pasta dos arquivos. Essas dificuldades impedem o
usuário leigo de utilizar o programa na maioria dos casos, em adição a isso, o
uso de memória pelo Docker é configurado em WSL 2 e sendo necessário a criação
de um arquivo wslconfig com os parâmetros de mudança para limitar ou expandir a
ram usada.
O programa exibe uma série de configurações, a interface é pouco intuitiva e sem
um fluxo de trabalho evidente. Esses fatores não atrapalham significativamente
um usuário que já possui experiência em softwares de fotogrametria digital,
entretanto, para iniciantes é extremamente complexo entender a ordem das etapas
e quais opções ele pode marcar.
Os principais elementos dos softwares considerados no trabalho, com base
principalmente na literatura prévia, foram arranjados em uma tabela para
facilitar a comparação, o asterisco na qualidade do Pix4dMapper é para
considerar o Default como qualidade média.
FIGURA 1 - Tabela de comparação do resultados gerados pelos softwares
Fonte: Autores(2023)
O volume calculado foi relativamente similar no Metashape, WEBODM e Pix4dMapper,
o que indica um certo grau de confiabilidade nos resultados gerados, entretanto,
para verificar a acurácia seria necessário o cálculo de volume de um objeto ou
área que o mesmo já fosse de conhecimento prévio. Visto isso, ele não é um dos
parâmetros mais importantes no presente trabalho, entretanto, torna-se possível
verificar a discrepância dos valores entre os citados anteriormente com o
3Dsurvey, o que pode indicar a não utilização dessa ferramenta nesse programa.
O número de pontos na dense cloud foi maior no Metashape, seguido do
Pix4dMapper, ambos produziram um resultado satisfatório e na análise visual do
autor os dois modelos apresentaram modelos semelhantes, ainda que a diferença
numérica seja evidente. Os demais tiveram resultados muito abaixo dos citados
anteriormente, ainda que a reconstrução tenha sido feita e as feições sejam
identificáveis, observou-se que ao dar zoom esses modelos deixaram de ser
reconhecidos mais rapidamente.
A nuvem de pontos do WEBODM foi processada na menor qualidade, tanto para a
reconstrução quanto para a identificação das features, ainda, mostrou um bom
número de pontos se comparado com o 3Dsurvey e o 3DF Zephyr. Dessa forma,
estima-se que caso os recursos computacionais fossem suficientes para processar
na maior qualidade ele poderia competir com o Metashape e o Pix4dMapper.
Nesse contexto, afirma-se que o número de pontos na nuvem densa não
necessariamente vai indicar que aquele modelo é superior aos demais da tabela,
mas esse parâmetro ajuda na identificação de feições dos objetos (QURENSHI et
al., 2022).
A falha na reconstrução de árvores agrupadas foi um parâmetro adotado pelo
autor. A presença de árvores agrupadas em alguns softwares resulta em falhas na
dense cloud, elas não são reconstruídas e no modelo o que aparece são vazios ou
áreas borradas por tons de verde. Essa problemática quando ocorre perto da área
de estudo ocasiona em uma maior dificuldade de analisar o que foi objetivado,
nesse caso, as voçorocas. O asterisco no “Não” nessa coluna da tabela foi devido
ao fato do software não falhar em áreas onde o agrupamento ocorre em menor
escala, entretanto, nos lugares mais concentrados ele não fez uma reconstrução
completa.
Os erros espaciais foram similares nos 4 primeiros programas, há um destaque
para o Metashape que obteve os melhores resultados. Nos estudos de análise
ambiental a precisão demonstrada pelo Metashape, 3DF Zephyr, 3Dsurvey e
Pix4dMapper já são suficientes para a maior parte dos trabalhos. Por outro lado,
o que foi demonstrado pelo WEBODM é muito inferior se comparado com os outros, o
autor levantou dois possíveis motivos para essa diferença, a menor qualidade
utilizada na reconstrução ou algum erro do usuário no upload dos pontos de
controle, visto que o arquivo teve que ser modificado para ser lido pelo
programa.
O tempo de processamento ficou na base de 1 hora e 30 minutos, com alguns
programas concluindo mais rapidamente enquanto outros levaram mais tempo. Nesse
quesito, o principal que foge da curva é o 3Dsurvey, que demorou um período
maior para finalizar os modelos, entretanto, ainda foi um valor que não
impossibilita o uso do programa com bases de imagens menores.
Tabela de comparação dos resultados gerados pelos softwares de fotogrametria digital
Considerações Finais
Visto as diferenças dos resultados gerados, comprova-se a necessidade de fazer
comparações entre os produtos gerados por imagens de drones nos softwares de
fotogrametria digital nos estudos de análise ambiental, em destaque os processos
erosivos.
Com os resultados, exemplou-se o ótimo desempenho do Agisoft Metashape, que teve
os melhores resultados frente as variáveis analisadas, e do Pix4dMapper para a
reconstrução tridimensional com o uso de drones das áreas com a presença de
feições erosivas em estágio avançado. Os outros softwares apresentaram ou
dificuldades para utilizar ou os resultados foram significativamente diferentes
dos demais.
Em uma outra perspectiva, ressalta-se que o objetivo do usuário pode ser uma das
principais questões para a escolha do software. Nesse sentido, o presente
trabalho buscou a utilização de softwares que fizessem todo o processamento,
desde o alinhamento das fotos até a criação do modelo tridimensional e a
inclusão de pontos de controle fosse possível. Dessa forma, caso o propósito e
as ferramentas fundamentais fossem diferentes, outros softwares que não estão
presentes na tabela de comparação poderiam ter sido os com melhores resultados.
Em conclusão, um dos principais obstáculos para o processo de reconstrução
tridimensional por meio da fotogrametria digital é a exigência de um recurso
computacional elevado. Nesse contexto, discutiu-se previamente que caso a
máquina utilizada fosse melhor e o WEBODM gerasse resultados na melhor
qualidade, a sua performance poderia ser similar ao Metashape e Pix4dMapper. Por
outro lado, a capacidade do software em utilizar eficientemente o hardware do
computador também é um ponto que deve ser considerado na análise. Os demais
tiveram respostas consideravelmente mais destoantes, o que pode sugerir a sua
não utilização em projetos de análises ambientais que sejam similares ao que foi
visto no texto.
Agradecimentos
Agradecimentos ao CNPq por propiciar uma bolsa no Programa Institucional de
Bolsas de Iniciação Científica.
Em adição, agradeço ao professor Romario Trentin por toda a orientação durante o
projeto.
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