Os Drones na agricultura causaram uma disrupção na aerofotogrametria, popularizando o acesso a este tipo de tecnologia. Inicialmente a aerofotogrametria para o mapeamento aéreo na agricultura era realizada por aviões ou imagens de satélite. Restrita a grandes produtores que possuíam capital disponível para  investir neste tipo de serviço, poucas empresas dominavam o mercado.

 

Mas, por que os drones* tem se tornado cada vez mais relevantes? Por um lado, por serem uma forma mais barata e prática de capturar imagens para o mapeamento aéreo na agricultura do que utilizando um avião com equipamentos caros, uma equipe grande e um tempo de operação maior que o realizado com drones.

 

Por outro, por apresentarem produtos finais com maior resolução que as imagens captadas com satélites, no tempo que se deseja (sem ter que esperar as imagens do satélite estarem disponíveis) e abaixo da linha das nuvens (às vezes a imagem captada no momento em que o satélite passou apresenta nuvens, sombras, etc…).

 

Mas antes de comprar um drone e sair voando “para fazer mapeamento aéreo na agricultura” é importante considerar pontos importantes sobre o planejamento do voo.

*No Brasil, o termo adotado oficialmente é aeronave remotamente pilotada (Remotely-Piloted Aircraft – RPA). Decidimos adotar a forma coloquial e popular (DRONE) para se referir aos equipamentos remotamente pilotados.

A aerofotogrametria convencional é cara e pouco viável, uma vez que é realizada com aeronaves tripuladas. Poderíamos fazer os mapeamentos com drones, embarcando tecnologia e oferecendo um serviço mais econômico e versátil.

Fabrício Hertz, Horus Aeronaves (Pequenas Empresas & Grandes Negócios)

Planejamento do Voo - Drones na Agricultura Informações Preliminares

O primeiro ponto importante diz respeito às normas legais que operar um drone exige. Tenha em mente e em mãos todas as documentações antes de iniciar as operações, começando pela homologação do drone e controle pela ANATEL, passando pelo registro do piloto e equipamento na ANAC e finalizando com o cadastro e autorização para a realização do voo no DECEA. Caso queira saber mais detalhes dos processos que envolvem cada um destes órgãos, clique no link e leia nosso post sobre Uso dos Drones na Agricultura.

O mapeamento aéreo para agricultura pode ser dividido em cinco etapas, sendo: 1) definição da missão com o cliente; 2) planejamento completo para a execução do serviço; 3) realização da coleta / captura das imagens; 4) processamento das imagens para a geração das bases cartográficas; e 5) produção dos produtos agronômicos para a aplicação no campo.

 

Sem conhecer estas etapas é fácil começar errando.

 

Um erro bastante comum é pensar que o planejamento do voo começa apenas ao abrir o software para a configuração do drone. Na verdade, esta é uma das últimas etapas do processo, dentro do que se espera de um planejamento de qualidade.

 

Temos que reforçar que não basta abrir o notebook ou celular, fazer um “plano de voo”, ligar o drone, sair voando por aí e acreditar que isto é fazer mapeamento aéreo na agricultura. É preciso cumprir uma missão! E entendemos por missão o resultado que nossos clientes estão buscando. No fim das contas (e aqui são contas mesmo), o que importa é o aumento da lucratividade ou a redução dos custos. O drone é apenas um meio neste processo.

 

Por exemplo e a grosso modo: se a missão for a identificação da saúde da lavoura numa área de 1000 hectares ou mais, com um GSD entre 15 a 30 cm que necessita de uma câmera multiespectral (RedEdge, Sequoia ou similares) não adianta fazer o planejamento de voo no software Drone Deploy para um drone multirotor (como os da fabricante chinesa DJI e sua linha Phantom) que possui apenas uma câmera comum, cobertura entre 40 e 50 hectares por voo em cerca de 25 minutos (dependendo do vento).

 

Decorre deste pequeno exemplo algumas perguntas essenciais para realizar um plano de voo adequado. A dica é responder todas elas com atenção e, se necessário, consultar a equipe envolvida na prestação deste serviço de modo a evitar retrabalho (como ter que voltar a campo e fazer outro voo, por exemplo) e otimizar ao máximo a coleta das imagens para gerar os resultados esperados. Vamos a elas.

 

Não basta abrir o notebook ou celular, fazer um “plano de voo”, ligar o drone, sair voando por aí e acreditar que isto é fazer mapeamento aéreo na agricultura. É preciso cumprir uma missão!

Eldon Clayton, CEO e Founder – Avant Agro

Planejamento do Voo - Drones na Agricultura Perguntas Essenciais

1. Qual é o real problema que estamos tentando resolver ou identificar nesta missão?

Esgote ao máximo o assunto com o produtor e junto ao seu engenheiro agrônomo para ter clareza sobre quais serão os produtos gerados para esta avaliação antes de colocar a mão na massa (ou o drone no ar). Não comece o planejamento do voo sem ter um problema a ser resolvido ou identificado.

2. Meus equipamentos são adequados para a atender a demanda solicitada?

Para começar a esclarecer esta pergunta, parta da resposta dada na anterior. A resposta é bastante variável, mas geralmente estará associada a contagem de plantas para cálculo do estande e estimativa da produtividade, análise de falhas na plantação, restituição das linhas de plantio, preparação do solo, planejamento da plantação, obtenção das curvas de nível, definição da declividade do terreno, escoamento e acúmulo de água, terraceamento, plantio mecanizado, projetos de irrigação, identificação de sintomas de deficiências nutricionais, ataque de pragas e doenças para controle biológico ou aplicação de defensivos agrícolas, fertilizantes ou corretivos de solo, produção de índices de vegetação (NDVI, NDRE, SAVI…), identificação da cobertura vegetal, áreas de preservação, rios, manchas de solo e cálculo de área.

 

Saber isso ajuda a responder se serão necessários equipamentos como câmera RGB ou Multiespectral, uso de pontos de apoio ou RTK / PPK, qual a altura e velocidade do voo, nível de detalhamento esperado (GSD ou resolução espacial), entre outros.

3. Qual o tamanho da área que deverá ser mapeada?

O tamanho da área mapeada implica na escolha do tipo de drone utilizado: multirotor ou asa fixa. Um drone multirotor tem a vantagem de ser de fácil manuseio e configuração, contudo é adequado para áreas entre 40 a 200 hectares.

 

Há casos de prestadores de serviço que fazem mapeamentos maiores usando multirotores populares (como o Phanton da DJI), mas este tipo de equipamento tem uma autonomia de voo pequena o que requer a utilização de muitas baterias e a realização de vários voos para cobrir áreas com mais de 200 hectares.

 

Encontra-se no mercado drones multirotores de alta capacidade, como a linha DJI Matrice que voa até 40 minutos (em condições ideais) e pode cobrir mais área. Contudo, para grandes áreas são indicados drones de asa fixa.

 

Os drones de asa fixa possuem autonomia maior, passando da escala dos minutos para horas de voo; saindo das centenas para milhares de hectares cobertos. Existem drones nacionais e importados para várias finalidades e bolsos, começando pelas soluções DIY (Do It Yourself), passando por alternativas de fabricantes e empresas nacionais como Bons Voos, Sky Drones, Aero Robot, Santos Lab, Nuvem UAV, Horus, XMobots, entre outras. A Horus possui a aeronave Verok, cobrindo mais de 4.000 hectares em 2 horas. A empresa XMobots que fabrica o Nauru 500, capaz de mapear perto de 50.000 hectares por voo. Ainda há drones de asa fixa importados como: SenseFly eBee, PrecisionHawk Lancaster 5, Sentera Phoenix, FoxTech Nimbus ou o Trimble UX5.

 

Utilize o Google Earth Pro para fazer o reconhecimento prévio da área da missão. Nele é possível avaliar o relevo, a vegetação, os acessos disponíveis (rodovias, estradas, caminhos…), se há obstáculos naturais (rios, montanhas, depressão…), entre outros.

 

É importante que o plano de voo seja realizado mantendo a área mapeada o mais centralizada possível. Outro detalhe é extrapolar as margens do plano de voo para além da área de interesse. Mas, por quê? Isso evitará que as imagens das bordas atrapalhem a construção do mosaico de fotos por algum efeito como vinheta, ruídos ou distorções.

4. Qual GSD deve ser obtido para alcançar a resolução apropriada para identificar / resolver a missão?

Podemos dizer que GSD é a representação do Pixel no terreno. O termo GSD é uma sigla que vem do inglês Ground Sample Distance. Em tradução literal é uma amostra do terreno na imagem. Quanto menor for o valor do GSD maior será a resolução da imagem e a definição do mapeamento realizado.

 

Mas como saber o GSD desta missão? Isso depende da resposta dada para a pergunta 1 (qual o problema), pois cada resultado esperado demanda um GSD específico. A tabela a seguir, elaborada pela empresa Horus, ajuda a decidir qual será o GSD para a execução do serviço.

 

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Observe que o GSD da tabela está em centímetros. Mas o que isso significa?

 

Um GSD de 5 cm significa que cada pixel na imagem corresponde a 5 cm no terreno. Em outras palavras é dizer que cada pixel armazenou um único valor numérico, que é a representação digital da da radiação eletromagnética captada pelo sensor da câmera, e que esse valor corresponde a 5 cm do terreno.

 

Esta é a menor informação capaz de ser analisada neste mapeamento com um GSD de 5 cm. Assim, caso seja necessário obter mais informações, o GSD deve ser menor ainda, aumentando a resolução da imagem. Pode-se alterar o GSD trocando a câmera utilizada, variando a altura do voo ou utilizando pontos de apoio.

 

Vale ressaltar que a tabela é apenas uma referência e que a decisão quanto ao GSD adequado deve ser discutida pela equipe do projeto de acordo com a missão e resultado final que se deseja alcançar.

 

Segue o link do artigo original da tabela para consulta: Qual o GSD ideal para cada resultado?

5. Qual será a altura e velocidade do voo para obter o GSD esperado com o equipamento disponível?

Hoje os principais softwares de planejamento do voo, como o Drone Deploy e Mission Planner, mostram o valor do GSD em relação à altura do voo definida. Basta digitar no software a altura do voo que o valor do GSD será calculado.

 

Por trás desta simplicidade que a tecnologia atual proporciona está a relação matemática entre tamanho do pixel, distância focal, altura do voo, escala e densidade da escala da imagem. Por enquanto é importante saber que o tamanho do pixel e a distância focal são valores fixos, características da câmera utilizada. A altura do voo é a variável manipulável que altera a escala e densidade da escala e, consequentemente o valor do GSD. Em outro post trataremos da matemática associada aos cálculos. Saiba que:

 

  • Quanto maior a altura do voo, maior o GSD e menor o nível de detalhamento (resolução) da imagem;
  • Quanto menor a altura do voo, menor o GSD e maior será o nível de detalhamento da imagem.

 

Tenha cuidado com a velocidade para a missão. Errar a relação velocidade, altura do voo e abertura do obturador pode gerar imagens borradas e isso inviabiliza qualquer possibilidade do software de processamento de “costurar” um ortomosaico com qualidade e, provavelmente, terá que ser feito um novo voo com outras configurações. Quanto menor o GSD e maior resolução da imagem, maior a probabilidade de borramento. Para evitar isso ajuste a velocidade de abertura do obturador da câmera em relação à velocidade do voo.

 

Normalmente um drone voa na casa entre 30 a 40 km/h (8,3 a 11,1 m/s) em uma altura de 120 m. Nestas condições, aberturas de obturador a partir de 1/800 s são suficientes para evitar borramento. Voar mais baixo (para aumentar a resolução obtendo GSDs menores) ou mais rápido (alguns equipamentos podem chegar a 60 a 70 km/h ou 16,7 a 19,4 m/s) implica em aumentar a velocidade do obturador para 1/1600 s ou mais.

 

De maneira prática:

 

  • Sempre que aumentar a velocidade, aumente a velocidade de abertura do obturador;
  • Quando voar mais baixo procure diminuir a velocidade do drone e aumentar a abertura de obturador da câmera.

6. Para maior precisão de posicionamento (acurácia) será necessário utilizar pontos de apoio (GCPs convencionais, PPK / RTK)?

Pontos de apoio ou GCPs (Ground Control Points) são marcações naturais ou artificiais que possuem coordenadas geográficas conhecidas capturadas no terreno com equipamentos GNSS geodésicos de alta precisão e tem a finalidade de aumentar a acurácia geoespacial que se deseja obter no produto final do mapeamento aéreo. Estes pontos são importantes pois os dados coletados pelo sistema de posicionamento do drone é baseado em informações para navegação que podem gerar erros de posicionamento entre 3 a 20 metros. Verifique se o drone possui a tecnologia RTK / PPK (de preferência as duas juntas). Mas por quê?

 

A tecnologia RTK (Real Time Kinematic) é responsável por corrigir os dados coletados pelo drone durante o voo, em tempo real. Mas para isso é necessário que o drone tenha um sensor RTK que troca informações com satélites e com uma base RTK no solo. A base contém um receptor geodésico que registra as coordenadas com precisão e se comunica com o drone em movimento para corrigir os dados da aeronave. O problema é que a conexão entre o drone e a base pode sofrer com oscilações e até quedas, fazendo com que os dados armazenados não recebam a devida correção.

 

O PPK (Post Processed Kinematic) faz a mesma coisa que o RTK com a diferença de que o processo de correção dos dados é pós-processado. Ou seja, durante o voo os dados são armazenados sem conexão entre a base e o drone e as correções são feitas depois do voo.

 

Se o drone tiver ambas as tecnologias, o PPK vai atuar como um sistema reserva ao RTK e a acurácia dos dados estará preservada caso o sistema RTK perca a comunicação do a aeronave. Caso o drone não possua tal tecnologia será necessário a coleta de pontos de controle no terreno com as técnicas da topografia convencional. De uma forma ou de outra, utilizar pontos de apoio permite obter acurácia na ordem de 1 cm ou menos.

 

Mas quando realmente precisarei de pontos de controle? Para a maioria dos projetos a construção do ortomosaico, nuvem de pontos, MDT e MDS apenas com os dados do drone funciona muito bem. Este modelo relativo leva em conta apenas a posição de cada pixel na imagem em relação ao outro pixel (da própria imagem) formando as bases cartográficas sem a necessidade de amarrar os dados ao terreno real, ou seja, sem o uso dos pontos de apoio.

 

Com estes dados é possível obter distâncias, volumes e diferenças de altura e fazer operações como a aplicação de índices de vegetação aos seus dados. Entretanto, se o objetivo é utilizar estes dados em algum software GIS (sistema de informação geográfica), fazendo correlações entre dados de outras camadas pré-existentes ou exportar arquivos com coordenadas geográficas para planejamento de curvas de nível, uso em piloto automático em tratores, colheitadeiras ou pulverizadores, planejar as linhas de plantio, é importante coletar GCPs (pontos de apoio) ou utilizar um equipamento com RTK / PPK.

7. Para maior precisão de posicionamento (acurácia) será necessário utilizar pontos de apoio (GCPs convencionais, PPK / RTK)?

Pontos de apoio ou GCPs (Ground Control Points) são marcações naturais ou artificiais que possuem coordenadas geográficas conhecidas capturadas no terreno com equipamentos GNSS geodésicos de alta precisão e tem a finalidade de aumentar a acurácia geoespacial que se deseja obter no produto final do mapeamento aéreo. Estes pontos são importantes pois os dados coletados pelo sistema de posicionamento do drone é baseado em informações para navegação que podem gerar erros de posicionamento entre 3 a 20 metros. Verifique se o drone possui a tecnologia RTK / PPK (de preferência as duas juntas). Mas por quê?

A tecnologia RTK (Real Time Kinematic) é responsável por corrigir os dados coletados pelo drone durante o voo, em tempo real. Mas para isso é necessário que o drone tenha um sensor RTK que troca informações com satélites e com uma base RTK no solo. A base contém um receptor geodésico que registra as coordenadas com precisão e se comunica com o drone em movimento para corrigir os dados da aeronave. O problema é que a conexão entre o drone e a base pode sofrer com oscilações e até quedas, fazendo com que os dados armazenados não recebam a devida correção.

O PPK (Post Processed Kinematic) faz a mesma coisa que o RTK com a diferença de que o processo de correção dos dados é pós-processado. Ou seja, durante o voo os dados são armazenados sem conexão entre a base e o drone e as correções são feitas depois do voo.

Se o drone tiver ambas as tecnologias, o PPK vai atuar como um sistema reserva ao RTK e a acurácia dos dados estará preservada caso o sistema RTK perca a comunicação do a aeronave. Caso o drone não possua tal tecnologia será necessário a coleta de pontos de controle no terreno com as técnicas da topografia convencional. De uma forma ou de outra, utilizar pontos de apoio permite obter acurácia na ordem de 1 cm ou menos.

Mas quando realmente precisarei de pontos de controle? Para a maioria dos projetos a construção do ortomosaico, nuvem de pontos, MDT e MDS apenas com os dados do drone funciona muito bem. Este modelo relativo leva em conta apenas a posição de cada pixel na imagem em relação ao outro pixel (da própria imagem) formando as bases cartográficas sem a necessidade de amarrar os dados ao terreno real, ou seja, sem o uso dos pontos de apoio.

Com estes dados é possível obter distâncias, volumes e diferenças de altura e fazer operações como a aplicação de índices de vegetação aos seus dados. Entretanto, se o objetivo é utilizar estes dados em algum software GIS (sistema de informação geográfica), fazendo correlações entre dados de outras camadas pré-existentes ou exportar arquivos com coordenadas geográficas para planejamento de curvas de nível, uso em piloto automático em tratores, colheitadeiras ou pulverizadores, planejar as linhas de plantio, é importante coletar GCPs (pontos de apoio) ou utilizar um equipamento com RTK / PPK.

8. Qual a porcentagem de sobreposição das imagens , lateral (sidelap) e frontal (frontlap), necessária para gerar um ortomosaico com qualidade?

As imagens captadas no mapeamento aéreo são obtidas em sequência e em faixas de acordo com o plano de voo definido. É importante ajustar o índice de sobreposição das imagens, definindo o quanto de uma foto irá sobrepor a outra, tanto frontal quanto lateral. É comum encontrar esse valor nos softwares de planejamento do voo identificados em inglês como frontlap (sobreposição frontal) e sidelap (sobreposição lateral).

O valores definidos de ambas as sobreposições vão influenciar na qualidade do mapa gerado. Isso ocorre pois os softwares criam as nuvem de pontos procurando pontos que coincidem em mais de uma imagem e realizam o processo de amarração destes pontos. Se houverem poucas coincidências o software vai acabar gerando buracos no resultado final. O software Pix4D usa a semelhança visual entre as imagens sobrepostas para reconstruir o modelo.

Áreas com vegetação densa, com muitas árvores e copas formando um dossel uniforme forma um “tapete verde” difícil de encontrar pontos homólogos. Assim, se a sobreposição das imagens for pequena, pode ser inviável a reconstrução da nuvem de pontos e elaboração de um ortomosaico com qualidade. A porcentagem ideal de sobreposição é em torno de 70% lateral e 80% frontal ou mais.

drone agricultura frontlap sidelap

9. Vai chover?

Parece uma pergunta simples, mas é crucial. Para obter imagens de qualidade é necessário checar a previsão do tempo para o local e dia do voo e verificar se as condições climáticas são ideais. Saber sobre a nebulosidade, se pode chover, velocidade e direção do vento são itens obrigatórios.

Existem riscos em operar com nuvens baixas e ventos fortes que vão desde perder o equipamento (seu drone pode ficar sem comunicação com a base) ou não gerar imagens com qualidade satisfatória. Normalmente imagens captadas com ventos com velocidade até 30 km/h, sem nuvens, entre 9h30 até às 15h30 (evitando o zênite solar) são ideais para a elaboração dos produtos finais.

Alguns equipamentos, como a câmera RedEdge da Micasense, aceitam um dispositivo acessório chamado DSL (Downwelling Light Sensor) que tem a função de calibrar as imagens nas situações em que a luz ambiente varia durante o voo. Ele é instalado na parte superior do drone, apontando diretamente para o céu. Ele grava dados sobre a quantidade de luz incidente e incorpora estes dados a cada imagem capturada. Estes dados serão utilizados no pós-processamento para corrigir a variação de iluminação durante o voo.

Resumindo: consulte as previsões do tempo antes e no dia da missão e decida se vale ou não a pena ir ao campo naquele dia.

Drones na Agricultura Considerações Finais

Recomendamos que somente após responder detalhadamente todas as perguntas anteriores é hora de checar se as baterias estão carregadas e partir para campo. Falando sobre baterias, elas não são o único item do drone que devem ser checadas.

 

Lembre-se das documentações para a operação (ANATEL, ANAC e DECEA), de ter realizado as manutenções preventivas e corretivas do equipamento, atualização de software, se tem cartões de memória suficientes e outros itens que podem comprometer o plano de voo e a qualidade proporcionada nesta execução.

 

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