PT104798B

PT104798B - Método gerador de cartas aeroportuárias de obstáculos baseado na fusão de dados de interferometria por radares de abertura sintética assentes em plataformas espaciais com outros dados captados por sensores remotos

Info

Publication number: PT104798B
Application number: PT10479809A
Authority: PT
Inventors: José Monteiro Oliveira Henrique; Alexandre Fernandes Rodrigues Marco
Original assignee: Inst Politecnico De Beja
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2018-12-31
Also published as: EP2330435A1; EP2330435B1; PT104798A; KR20110044716A; CN102141616B; US20110098986A1; EP2330435A9; JP2016006696A; CN102141616A; JP2011090309A

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO GERADOR DE CARTAS AEROPORTUÁRIAS DE OBSTÁCULOS BASEADO NA FUSÃO DE DADOS DE INTERFEROMETRIA POR RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA ASSENTES EM PLATAFORMAS ESPACIAIS COM OUTROS DADOS CAPTADOS POR SENSORES REMOTOS. É CARACTERIZADO PELAS SEGUINTES ETAPAS:- CONVERSÃO DE DADOS PRÉ-EXISTENTES EM FORMATO ANALÓGICO INTEGRADOS NAS ÁREAS DE MONITORIZAÇÃO PARA O FORMATO DIGITAL;- VECTORIZAÇÃO DOS DADOS;- ANÁLISE DOS DADOS JÁ EM FORMATO DIGITAL;- FORMAÇÃO DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE (MDS) COMO ESTRUTURA DE DADOS PARA INPUT NUM ALGORITMO DE DETECÇÃO DE ALTERAÇÕES NO SOLO EM FORMATO MATRICIAL;-COMPARAÇÃO DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE RESPEITANTE À ÉPOCA INICIAL COM NOVOS DADOS ADQUIRIDO EM ÉPOCA POSTERIOR;-COMPARAÇÃO DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE (MDS) BASE COM UMA ESTRUTURA DE INFORMAÇÃO ALTIMÉTRICA ORIUNDA DE DADOS INTERFEROMÉTRICOS A PARTIR DE RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA POSICIONADOS EM PLATAFORMAS ESPACIAIS;- CO-REGISTO E GEOREFERENCIAÇÃO DOS DADOS DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE (MDS);- CORTE DA IMAGEM PARA ASSEGURAR QUE TODA A ÁREA A MONITORIZAR SE ENCONTRA CORRECTAMENTE IDENTIFICADA;-REAMOSTRAGEM DOS MODELOS MATRICIAIS A COMPARAR DAS ÉPOCAS INICIAL E POSTERIORES DE FORMA APRESENTAREM O MESMO NÚMERO DE PIXÉIS EM LINHA E EM COLUNA REPRESENTANDO A MESMA ÁREA DE MONITORIZAÇÃO;-DETECÇÃO DE ALTERAÇÕES NO SOLO PARA COMPARAR AS ELEVAÇÕES EM AMBOS OS MODELOS DIGITAIS DE SUPERFÍCIE (MDS) PROVENIENTES DE ÉPOCAS DIFERENTES PARA PRODUZIR UM TERCEIRO MODELO MATRICIAL;- SOBREPOSIÇÃO DAS IMAGENS MATRICIAIS DE OBJECTOS CONSIDERADOS COMO OBSTRUÇÕES COM A CARTA DE OBSTRUÇÃO DO AEROPORTO EM FORMATO VECTORIAL;- VALIDAÇÃO DE NOVAS OBSTRUÇÕES; E - TRANSMISSÃO DA NOVA CARTA DE OBSTRUÇÃO DE AEROPORTOS ÀS ENTIDADES COMPETENTES.

Description

(54) Epígrafe: MÉTODO GERADOR DE CARTAS AEROPORTUÁRIAS DE OBSTÁCULOS BASEADO NA FUSÃO DE DADOS DE INTERFEROMETRIA POR RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA

ASSENTES EM PLATAFORMAS ESPACIAIS COM OUTROS DADOS CAPTADOS POR SENSORES REMOTOS (57) Resumo:

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO GERADOR DE CARTAS AEROPORTUÁRIAS DE OBSTÁCULOS BASEADO NA FUSÃO DE DADOS DE INTERFEROMETRIA POR RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA ASSENTES EM PLATAFORMAS ESPACIAIS COM OUTROS DADOS CAPTADOS POR SENSORES REMOTOS. É CARACTERIZADO PELAS SEGUINTES ETAPAS:- CONVERSÃO DE DADOS PRÉ-EXISTENTES EM FORMATO ANALÓGICO INTEGRADOS NAS ÁREAS DE MONITORIZAÇÃO PARA O FORMATO DIGITAL;- VECTORIZAÇÃO DOS DADOS;- ANÁLISE DOS DADOS JÁ EM FORMATO DIGITAL;- FORMAÇÃO DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE (MDS) COMO ESTRUTURA DE DADOS PARA INPUT NUM ALGORITMO DE DETECÇÃO DE ALTERAÇÕES NO SOLO EM FORMATO MATRICIAL;-COMPARAÇÃO DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE RESPEITANTE À ÉPOCA INICIAL COM NOVOS DADOS ADQUIRIDO EM ÉPOCA POSTERIOR;-COMPARAÇÃO DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE (MDS) BASE COM UMA ESTRUTURA DE INFORMAÇÃO ALTIMÉTRICA ORIUNDA DE DADOS INTERFEROMÉTRICOS A PARTIR DE RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA POSICIONADOS EM PLATAFORMAS ESPACIAIS;- CO-REGISTO E GEOREFERENCIAÇÃO DOS DADOS DO MODELO DIGITAL DE SUPERFÍCIE (MDS);- CORTE DA IMAGEM PARA ASSEGURAR QUE TODA A ÁREA A MONITORIZAR SE ENCONTRA CORRECTAMENTE IDENTIFICADA;-REAMOSTRAGEM DOS MODELOS MATRICIAIS A COMPARAR DAS ÉPOCAS INICIAL E POSTERIORES DE FORMA APRESENTAREM O MESMO NÚMERO DE PIXÉIS EM LINHA E EM COLUNA REPRESENTANDO A MESMA ÁREA DE MONITORIZAÇÃO;-DETECÇÃO DE ALTERAÇÕES NO SOLO PARA COMPARAR AS ELEVAÇÕES EM AMBOS OS MODELOS DIGITAIS DE SUPERFÍCIE (MDS) PROVENIENTES DE ÉPOCAS DIFERENTES PARA PRODUZIR UM TERCEIRO MODELO MATRICIAL;- SOBREPOSIÇÃO DAS IMAGENS MATRICIAIS DE OBJECTOS CONSIDERADOS COMO OBSTRUÇÕES COM A

CARTA DE OBSTRUÇÃO DO AEROPORTO EM FORMATO VECTORIAL;- VALIDAÇÃO DE NOVAS OBSTRUÇÕES; E - TRANSMISSÃO DA NOVA CARTA DE OBSTRUÇÃO DE AEROPORTOS ÀS ENTIDADES COMPETENTES.

RESUMO

MÉTODO GERADOR DE CARTAS AEROPORTUÁRIAS DE OBSTÁCULOS

BASEADO NA FUSÃO DE DADOS DE INTERFEROMETRIA POR RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA ASSENTES EM PLATAFORMAS ESPACIAIS COM

OUTROS DADOS CAPTADOS POR SENSORES REMOTOS

O presente invento diz respeito a um método gerador de cartas aeroportuárias de obstáculos baseado na fusão de dados de interferometria por radares de abertura sintética assentes em plataformas espaciais com outros dados captados por sensores remotos. É caracterizado pelas seguintes etapas:- Conversão de dados pré-existentes em formato analógico integrados nas áreas de monitorização para o formato digital;- Vectorização dos dados;- Análise dos dados já em formato digital;- Formação do modelo digital de superfície (MDS) como estrutura de dados para input num algoritmo de Detecção de Alterações no Solo em formato matricial;- Comparação do modelo digital de superfície respeitante à época inicial com novos dados adquirido em época posterior;- Comparação do modelo digital de superfície (MDS) base com uma estrutura de informação altimétrica oriunda de dados interferométricos a partir de Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais;- Co-registo e georeferenciação dos dados do modelo digital de superfície (MDS);- Corte da imagem para assegurar que toda a área a monitorizar se encontra correctamente identificada;- Reamostragem dos modelos matriciais a comparar das épocas inicial e posteriores de forma apresentarem o mesmo número de pixéis em linha e em coluna representando a mesma área de monitorização;Detecção de alterações no solo para comparar as elevações em ambos os modelos digitais de superfície (MDS) provenientes de épocas diferentes para produzir um terceiro modelo matricial;- Sobreposição das imagens matriciais de objectos considerados como obstruções com a Carta de Obstrução do Aeroporto em formato vectorial;- Validação de novas obstruções; e - Transmissão da nova carta de obstrução de aeroportos às entidades competentes.

DESCRIÇÃO

MÉTODO GERADOR DE CARTAS AEROPORTUÁRIAS DE OBSTÁCULOS

BASEADO NA FUSÃO DE DADOS DE INTERFEROMETRIA POR RADARES DE ABERTURA SINTÉTICA ASSENTES EM PLATAFORMAS ESPACIAIS COM OUTROS DADOS CAPTADOS POR SENSORES REMOTOS

Campo da invenção

A existência de informação geográfica tridimensional precisa, por parte das entidades gestoras de infra-estruturas aeroportuárias e relativa às áreas de cobertura Standard associadas aos Aeroportos que se encontram descritas na documentação da ICAO (International Civil Aviation Authority) denominada Standards e Práticas Recomendadas (SARPS - Standards and Recommended Practices), tem sido uma das principais necessidades da comunidade responsável pela gestão da segurança aeronáutica.

A presente invenção enquadra-se no âmbito da segurança aeronáutica associada às obstruções (nomeadamente a sua localização e altura) que se encontram em zonas específicas associadas às infra-estruturas aeronáuticas (aeroportos e outros aerodromos), obstruções estas que necessitam de estar identificadas em Cartas de Obstrução de Aeroportos (AOC - Airport Obstruction Charts e nas Cartas de Terreno para Aproximação de Precisão (PATC - Precision Approach Terrain Charts), de acordo com os requisitos indicados nos documentos da ICAO Anexo 4, Anexo 14 e Anexo

15.

A gestão das referidas cartas é da responsabilidade da autoridade para a aviação civil ou da autoridade para a gestão dos Aeroportos. A sua elaboração é regulada mundialmente pela ICAO e em Portugal pela autoridade nacional para a aviação civil, isto é, o Instituto Nacional de Aviação Civil (INAC).

Nos dias de hoje, um procedimento rápido para a produção e actualização de Cartas de Obstrução em Aeroportos é necessário, devido ao aumento das restrições de segurança relacionadas com o mercado do transporte aéreo. A maioria dos estudos relacionados com a produção de dados de obstáculos é realizada com alguns anos de intervalo, entre o momento da criação de uma Carta de Terreno para Aproximação de Precisão (PATC) ou uma Carta de Obstruções em Aeroportos (AOC), e o momento da sua actualização. Em geral, pode obter-se uma janela temporal de um ano ou mais entre os dois momentos anteriormente referidos, mesmo usando a tecnologia correspondente ao estado da técnica actual, com recurso a Airborne Laser-Scanning and LIght Detection And Ranging (ALS/LIDAR) , e considerando uma estrutura regular de dados de obstruções associada a uma zona de cobertura de pequenas dimensões. Esta situação torna muitas vezes os dados obsoletos quando a estrutura de dados está concluída, e até o não cumprimento dos prazos limites definidos pela ICAO, no seu Anexo 15, Capitulo 10, parágrafo 10.6, para o caso de uma estrutura de dados de obstruções (terreno e obstáculos) associada a uma zona de cobertura de grandes dimensões.

Estado da técnica

Uma análise comparativa entre as plataformas

ALS/LIDAR, a tecnologia correspondente ao estado da técnica actual no âmbito deste tipo de aplicação, assente numa plataforma aérea, e assente em Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais, mostra que a altitude da aeronave é bastante mais baixa que a dos satélites, deste modo, com o uso da tecnologia aérea ALS/LIDAR adicionam-se em geral vários inconvenientes, de uma forma frequente ou sistemática, ao processo de aquisição de dados:

• Existem severas restrições nas operações aeroportuárias durante a realização dos voos para a aquisição de dados remotos usando sensores LiDAR, gerando igualmente situações de perigo devido à necessidade de altitudes de voo baixas;

• Grandes atrasos nas partidas e chegadas de voos em especial para o caso de Aeroportos internacionais com elevado tráfego aéreo, também devido à suspensão das operações aeroportuárias;

• Em alguns casos, a aquisição de dados usando LiDAR está restrita a voos diurnos.

tempo necessário para o processamento de dados adquiridos por sensores remotos LiDAR é muito elevado (geralmente mais de seis meses para uma área de muito pequenas dimensões, até quase dois anos para o caso de áreas de monitorização Standard de média e elevada dimensão), requerendo a análise de biliões de pontos, mesmo para uma área de monitorização de pequenas dimensões, pois é uma aplicação baseada na captura de pontos num espaço tridimensional, sendo necessária a correcção espacial em relação a todos eles relativamente a erros associados a desvios originados por pequenas alterações na trajectória da aeronave durante o voo, bem como a homogeneização de diferentes fiadas de pontos em épocas diferentes de aquisição para uma mesma zona de monitorização. Embora o Hardware associado a sistemas LiDAR seja extremamente sofisticado, a captura de dados é demorada, o que faz evidenciar outra desvantagem na utilização deste tipo de sensor remoto, ou seja, os seus elevados custos de produção. Em Saksono T. et al., The future of maps of Indonésia: Benefit of leading edge radar interferometry technology, in Map Asia 2003, Technology Trends, 2003 mencionam-se estas mesmas limitações em relação à capacidade de computação, o que implicou que o processamento fosse feito em Otawa nos EUA para dados provenientes do projecto da indonésia.

Os dados adquiridos por sensores orbitais não requerem hardware muito especifico para o seu processamento, já que em geral apresentam um formato matricial (modelo raster) ao contrário do formato de pontos num espaço tridimensional. Assim, a intenção por detrás do uso de um modelo matricial consiste em garantir que em cada pixel, que representa uma área à superfície da Terra, temse um número digital que lhe está associado (e que consiste neste contexto, na altitude no seu domínio de interesse) igual ao do mais alto objecto no referido pixel. É claramente assumida pela comunidade científica que a monitorização de áreas de elevadas dimensões, por exemplo todo o território de um Estado, é impraticável quando se recorre ao uso de sensores remotos LiDAR, enquanto que os sensores colocados em plataformas orbitais representam uma adequada alternativa, bem como uma solução de mais baixo custo, isto é, estes últimos apresentam-se como uma solução financeiramente mais viável relativamente ao processo de aquisição de dados.

Os sistemas remotos ALS/LIDAR são unidades de captação de dados próximos da vertical. As plataformas orbitais de Radares de Abertura Sintética são sistemas de scan lateral, apresentando algumas vantagens para o âmbito da aplicação alvo da invenção - dados de obstáculos para uso aeronáutico. Como exemplo, objectos de pequena área de implantação espacial bidimensional e com elevada altitude, como por exemplo, uma antena de telecomunicações com 30 m de altura, representada num Modelo Digital de Superfície (MDS) obtido por sensores LiDAR, revela uma área de pequenas dimensões, enquanto que uma de maiores dimensões é obtida para o mesmo objecto, quando o mesmo é monitorizado por um sistema de scan lateral, devido às suas características de observação lateral.

Adicionalmente, a largura de banda da energia envolvida pela tecnologia baseada no sistema remoto LiDAR é pequena (geralmente perto do Infra-vermelho), o que implica uma severa afectação da mesma pela atmosfera terrestre, induzindo erros indetectáveis nos valores de altimetria dos dados obtidos, contrariamente à tecnologia baseada em Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais (orbitais), que podem operar em todas as condições atmosféricas, quer seja dia ou noite.

A precisão dos dados obtidos pela tecnologia baseada em sensores remotos LiDAR varia,, ao longo da área de estudo, devido a frequentes alterações da altitude de voo da aeronave. Adicionalmente, os sistemas inerciais de Geo-posicionamento Global (GPS) acoplados à aeronave que transporta todo o Hardware relativo ao sistema remoto LiDAR não conseguem lidar eficazmente com os erros associados ao movimento da aeronave ao longo do seu eixo longitudinal (vulgarmente designados por roll induced errors), quando comparados com os existentes em plataformas espaciais orbitais. Mais, devido à variabilidade do retorno do sinal envolvido no sistema remoto LiDAR, devido à existência de humidade, bem como, à presença de pequenas partículas em suspensão na atmosfera (aerossóis), a precisão do sistema aéreo LiDAR é descrita em termos de precisão radiométrica, em vez da necessária verdadeira precisão altimétrica.

São conhecidos alguns métodos gerador de cartas aeroportuárias de obstáculos. Assim:

Em Garrity C.,Digital Cartographic Production Using Airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR), North Slopem Alaska, 2005 e Saksono T. et al., The future of maps of Indonésia: Benefit of leading edge radar interf erometry technology, in Map Asia 2003, Technology Trends, 2003 descrevem-se os princípios da Técnica de SAR, como já havia sido descrita pela comunidade científica desde os anos 80, e descreve-se um trabalho desenvolvido pela empresa INTERMAP que implementou um serviço de aquisição de dados com um Modelo Digital de Superfície (MDS) e um Modelo Digital de Terreno (MDT) mas, que não se adequam ao uso aeronáutico. E se em 2003 o modelo estava em implementação, em 2010 pode afirmar-se com certeza que a resolução temporal dos dados obtidos pela técnica descrita no artigo não é eficiente em termos de custos/benefícios, não sendo possível ocorrer em intervalos anuais ou mesmo inferiores, pelo menos a um custo razoávele possível. Em Garrity C.,Digital Cartographic Production Using Airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR), North Slopem Alaska, 2005 menciona-se efectivamente a aquisição de dados com recurso a SAR e refere-se inclusive que até apresenta uma boa resolução espacial mas, seria sempre inviável recolher informação de um território inteiro na janela temporal necessária para a aplicação aeronáutica em causa, pois o artigo refere-se à tecnologia Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas aéreas (IFSAR - Airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar). Esta abordagem não é adequada à utilização aeronáutica, pois para além de não apresentarem as precisões verticais exigidas pela ICAO, Anexo 15, Capítulo 10, a resolução temporal é muito fraca, pois não se prevê actualização dos referidos dados num prazo inferior a 5 anos, o que é incomparável, por exemplo, com o tempo de repetição de passagem de sistemas de satélites existentes como o TERRASAR-X ou RADARSAT, ou ainda, futuros sistemas como o SENTINEL. Ainda assim, essa referência menciona timidamente a utilização acessória de dados Landsat 7 e AVHRR mas, no caso da presente invenção, o objectivo central, em termos de aplicação aeronáutica, prende-se com o detectar alterações altimétricas correspondentes a novos obstáculos e não um Modelo Digital de Superfície (MDS) completo da área a monitorizar.

Em Alves et al., Fundamentos do processamento interferométrico de dados de radar de abertura sintética , in Anais XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Natal, Brasil, INPE, p.7227-7234, 2009 descreve-se, em particular, do ponto de vista matemático o princípio dos Radares de Abertura Sintética, embora se mencione sempre as utilizações no campo das deformações e, na verdade, não é a técnica de processamento de imagens provenientes de Radares de Abertura Sintética que constitui a presente invenção em si, dado que ela é pré-existente obviamente mas, sim o processamento de dados captados por Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais orbitais com outros captados remotamente e rápida produção e actualização de

Aeroportos, este aspecto não possível capazes de conduzir a uma

Cartas de Obstruções em pelas técnicas descritas nas referências, anteriormente referidas, assentes em Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas aéreas.

Com a presente invenção não se torna necessário proceder a qualquer interrupção ou suspensão das actividades aeroportuárias, situação que é considerada como uma das maiores vantagens, entre outras, quando comparada com a tecnologia ALS/LiDAR, correspondente ao estado da técnica actual no âmbito de aplicação alvo da invenção. A implementação de um processo automático para a análise de dados georreferenciados no ambiente de um Sistema de Informação Geográfica (SIG) para a actualização e fornecimento de AOC's de uma forma eficiente no segundo estágio é, também, outra vantagem técnica relevante da invenção. Neste estágio, imagens estereoscópicas Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping Advanced Land Observing Satellite (PRISM-ALOS) ou SPOT-5 (multi-pass) podem também ser integradas com os MDS gerados a partir do processamento interferométrico de dados obtidos por Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais, aumentando assim o nível de confiança das obstruções declaradas nas AOC. Para além da captura de dados e produção de Cartas de Obstrução de Aeroportos, a criação de uma ferramenta baseada no tipo de dados desenvolvidos nesta invenção, permitirá que o pessoal ligado à gestão aeroportuária possa empreender outras actividades de uma forma mais sustentada, nomeadamente: planeamento, ordenamento e mesmo licenciamento de estruturas de Engenharia Civil, todas estas acções de acordo com os Anexos 4, e 15 da documentação elaborada pela ICAO.

As trajectórias das plataformas espaciais orbitais são bastante mais estáveis do que a linha de voo de uma aeronave, devido à sua maior distância do solo, e a aquisição de dados pode ser vista quase como instantânea para uma vasta área a monitorizar, normalmente compreendendo toda a área a monitorizar para um dado aeroporto apenas numa única imagem, ou mesmo todo o território de um Estado, de acordo com o especificado na documentação da ICAO, Anexo 15, Capitulo 10, relacionada com dados electrónicos de Terreno e Obstáculos (eTOD electronic Terrain and Obstacle Data). Este facto permite afirmar que a existência de erros existente em cada conjunto de dados (imagem) apresenta uma distribuição homogénea em cada linha de visão lateral (Vulgarmente designado por swath na terminologia Inglesa) do sistema remoto, o que representa uma grande vantagem na aplicação (sobre a imagem) de algoritmos de correcção geométrica de imagens. Com a utilização do LiDAR, muitas das vezes são adquiridos vários grupos ou faixas de pontos em diferentes épocas de observação e em diferentes dias ao longo de algumas semanas, facto este que introduz severos erros geométricos entre os diferentes conjuntos de pontos, e que são dificeis de eliminar.

Todas estas limitações da tecnologia correspondente ao estado da técnica aplicável ao âmbito alvo da presente invenção, anteriormente referidas, evidenciam por contraste as vantagens técnicas desta última, assentes no uso do processamento Interferométrico de dados adquiridos por Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais para adquirir dados de terreno e de obstáculos para sua utilização na área da aeronáutica, no cumprimento escrupuloso dos requisitos descritos na documentação da ICAO, Anexo 4, Anexo 14 e Anexo 15, isto é, o desenvolvimento de um procedimento de baixo custo e que permita uma rápida aquisição de dados.

Com os mesmos recursos financeiros usados para actualizar uma AOC com o recurso à tecnologia LiDAR uma vez por ano, uma mais frequente e fiável actualização de informação tridimensional georreferenciada em zonas de monitorização Standard em redor dos Aeroportos pode ser executada com a presente invenção, e até mesmo solicitada várias vezes ao longo de um ano, ou de acordo com a periodicidade requerida pelos gestores de qualquer infraestrutura aeroportuária, sem na realidade afectar as correspondentes operações aeroportuárias. Se as operações aeroportuárias necessitarem de ser interrompidas por um determinado período de tempo, com o recurso à tecnologia LiDAR, os custos da produção dos dados irão consequentemente aumentar.

Outra vantagem em comparação com a tecnologia

LIDAR, tem a ver com o facto da actualização dos dados poder ser quase realizada semanalmente se necessário, aspecto que se deve sobrepor à precisão vertical para as áreas de monitorização mais exigentes em termos dos requisitos numéricos de terreno e de obstáculos. A ICAO recomenda que os dados de obstáculos devam ser declarados como «permanentes» ou «temporários» para as áreas de monitorização na proximidade dos aeroportos (as mais exigentes em termos de requisitos numéricos conforme referido anteriormente) como, por exemplo, uma grua posicionada num estaleiro de uma obra nas proximidades de um aeroporto, pode ser declarada numa AOC ao longo de vários anos, até que outra campanha com o recurso à tecnologia LiDAR seja realizada. A invenção apresenta uma maior ligação entre a realidade (ground truth) e os obstáculos declarados, devido a uma mais rápida periodicidade em termos da actualização dos dados, visto que a resolução temporal dos mesmos é substancialmente melhorada quando uma plataforma espacial com sensores remotos de Radares de Abertura Sintética é usada.

Sumário

A invenção refere-se a um método inovador baseado na existência de um Digital Surface Model (DSM) - em termos da sua precisão altimétrica e da sua resolução espacial correspondente à primeira superfície reflectora, isto é, topo de edifícios, topo de antenas de telecomunicações, topo de pontes, etc., assente no processamento Interferométrico de dados provenientes da tecnologia Spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR), num curto período de tempo (menos de seis meses), para uma vasta área a monitorizar (por exemplo: todo o território de um Estado) , e na fusão com outro tipo de dados obtidos remotamente, nomeadamente, imagens ópticas de alta resolução, multi-espectrais e hiper-espectrais. No primeiro estágio do método, executa-se a conversão para o formato digital de quaisquer dados pré-existentes integrados nas áreas de monitorização, de acordo com o Manual de Implementação do Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84) da EUROCONTROL. No segundo estágio, um modelo base matricial é construído e comparado com um novo Modelo Digital de Superfície (MDS) obtido por processamento Interferométrico de dados remotos adquiridos por Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais orbitais, identificando novas obstruções e declarando-as numa actualizada Carta de Obstruções do Aeroporto, aplicando um protocolo de Detecção Automática de Alterações no Solo. Os posteriores MDS realizados após o MDS inicial, são realizados aplicando-se uma fusão de dados entre dados interferométricos obtidos a partir de Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais e outros que se considerem adequados para o efeito. Após a produção do Modelo Digital de Superfície (MDS) preciso, o mesmo será integrado num protocolo automático de Detecção de Alterações do Solo para actualizar e difundir a referida Carta de Obstruções em Aeroportos (AOC) em formato digital, num curto período de tempo (um mês ou menos, conforme o requerido). Este processo permitirá também o armazenamento e a constante actualização de conjuntos de dados electrónicos de Terreno e Obstáculos, cobrindo as quatro áreas territoriais conforme especifiçados no Anexo 15, Capitulo 10 da documentação da ICAO, e que são necessários para suportar a navegação aérea baseada em cockpit ou sistemas e funções baseados em operações terrestres.

A invenção baseia-se na utilização de dados provenientes da Interferometria de Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais, ao contrário de sensores laser posicionados em plataformas aéreas ALS/LiDAR, estes últimos conhecidos, actualmente, como a tecnologia correspondente ao estado da técnica actual usada para a captura de dados de terreno e de obstáculos denominados de «obstruções», conforme descrito nos Standards e Práticas Recomendadas para a aeronáutica internacional elaboradas pelas ICAO. O conjunto de dados de terreno e obstáculos adquiridos que são considerados como obstruções, necessitam de ser divulgados nas Cartas de Obstrução em Aeroportos (AOC), no cumprimento escrupuloso dos requisitos enunciados no documento Anexo 15 da ICAO, Capitulo 10 relativos a electronic Terrain and Obstacle Data (eTOD). A monitorização de vastas áreas é considerada impraticável no que diz respeito à sua execução num curto período de tempo (menos de seis meses) usando a tecnologia correspondente ao estado da técnica actual no âmbito deste tipo de aplicação (exemplo: para o caso da Área 1, todo o território de um Estado necessita de ser monitorizado) , tendo em conta a necessária informação aeronáutica que tem de ser adquirida para a referida área a monitorizar.

A presente invenção apresenta, assim, sinteticamente, as seguintes vantagens face ao actual estado da técnica:

• Reduz de um modo acentuado, o tempo dispendido para adquirir dados de terreno e de obstáculos;

• Reduz o tempo de produção de uma nova Carta de Obstruções em Aeroportos (AOC);

• Reduz o tempo de actualização de uma Carta de Obstruções em Aeroportos (AOC) já existente;

• Evita a suspensão das operações aéreas durante a aquisição de dados de terreno e de obstáculos por observação remota;

• Corresponde aos requisitos numéricos dos dados de terreno e de obstáculos indicados para as Áreas 1 e 2 e enunciados na documentação da ICAO, Anexo 15, Capítulo 10 (eTOD);

• Permite a aquisição de dados de terreno e de obstáculos sob qualquer condição atmosférica;

• Reduz a complexidade da cadeia de produção/actualização de Cartas de Obstruções em Aeroportos (AOC);

• Permite adquirir dados capazes de serem utilizados em aplicações relacionadas com navegação aérea, de acordo com as indicações existentes na documentação da ICAO, anexo 15, Capítulo 10, parágrafo 10.1.

Breve descrição dos desenhos

A descrição que se segue tem por base os desenhos anexos, nos quais sem qualquer carácter limitativo representam:

- A figura 1, um diagrama de conversão de dados pré- existentes;

- A figura 2, um diagrama de detecção de alterações do solo;

- A figura 3, a, b, c, d e e modelos matriciais típicos e processo de sobreposição envolvido.

Descrição detalhada

Conforme se pode observar na figura 1, os dados em formato analógico são convertidos para o formato digital, por vectorização de ponto, linha e polígono e as imagens existentes devem ser convertidas para o formato matricial (exemplo: imagens ortorectifiçadas, entre outro tipo de imagens). Os elementos eventualmente já existentes em formato digital necessitam, porém, de ser, ainda assim, analisados, pois geralmente correspondem a dados pontuais adquiridos ao longo de um determinado período de tempo, sendo necessário construir uma estrutura de dados global associada à área a monitorizar. Quer no caso da digitalização de dados analógicos, quer na análise de dados já em formato digital, toda a informação conjugada compõe um Modelo Digital de Superfície (MDS) como uma estrutura de dados de input para o algoritmo de Detecção de Alterações do Solo em formato matricial. Todos os ficheiros de dados dizem respeito à época inicial do Modelo Digital de Superfície (To) a ser comparado com novos dados adquiridos numa nova época (T₀+i ou épocas seguintes) . Com base no processo de conversão anterior, obtém-se um ficheiro vectorial (Carta de Obstrução Vectorial do Aeroporto) apenas para propósitos de sobreposição de resultados, usando o Modelo Digital de Superfície (MDS) base para

Detecção de Alterações no Solo em formato matricial.

Este Modelo Digital de Superfície (MDS) base é comparado com uma estrutura de informação altimétrica oriunda de dados de Interferometria a partir de Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais (ver figura 2). Posteriormente, após terem sido correctamente co-registados e georreferenciados, para os dados analisados, a imagem deverá ser cortada de modo a assegurar que toda a área a monitorizar está correctamente identificada (corte da imagem para a área a monitorizar) .

Em geral, os dados matriciais adquiridos nas épocas T_Q e T_o+1 (ou épocas seguintes) podem apresentar um ligeiro desfasamento horizontal (algum desfasamento ao nível sub-pixel) e apresentar diferentes resoluções espaciais. De modo a obter melhores resultados na aplicação do protocolo de Detecção de Alterações no Solo, deve assegurar-se que ambos os modelos matriciais a comparar devem ter mesmo número de pixéis em linha e coluna, representando a mesma área de monitorização (passo denominado reamostragem ouRe-Sample) .

Após aplicação do passo de reamostragem, o passo de detecção de alterações no solo é activado, comparando as elevações (cotas) em ambos os modelos digitais de superfície (provenientes de diferentes épocas). 0 resultado da diferença aritmética entre ambos os modelos, tendo em conta um determinado limiar, produzirá um terceiro modelo matricial, em que o número digital associado a cada pixel do modelo representa a ausência de penetração, ou a identificação de uma nova penetração da superfície de obstrução, bem como, a sua dimensão acima da superfície tridimensional de obstrução do Aeroporto em análise. A imagem matricial dos objectos considerados como obstruções é posteriormente sobreposta com a Carta de Obstrução do Aeroporto vectorial, conforme mencionado anteriormente (figura 3).

Após esta sobreposição, novas obstruções são também validadas. Se as mesmas representam novas obstruções entre as épocas T_o e T₀+i (ou épocas seguintes) , esta validação pode até corresponder simplesmente a uma verificação visual (ou a aferida através de técnicas complementares de fusão de dados para comparação entre as duas épocas) . Por exemplo, se existe uma nova penetração originada por um novo edifício, a referida informação deve ser actualizada e declarada na AOC. Mas se por qualquer razão a referida ocorrência não corresponder a uma nova obstrução, a informação referente aos pixéis em foco deve ser mantida na época T_o e avaliada, de modo a entender porque razão existiu tal indicação de obstrução no processo detecção de alterações do solo. De modo a identificar obstruções (a sua localização e altura), um procedimento de sobreposição é aplicado aos seguintes dados georreferenciados:

• A superfície tridimensional construída de acordo com a informação existente nos documentos da ICAO, Anexo 4, Anexo 14 e Anexo 15, para as áreas obrigatórias de monitorização relacionadas com as infra-estruturas aeronáuticas (ver exemplo no topo da Figura 3);

• Superfície tridimensional obtida pela fusão de ambos os MDSs (o anterior e o novo) e a imagem estereoscópica PRISMALOS (Panchomatric Remote-Sensing Instrument for Stereo Mapping - Advanced Land Observing Satellite) ou SPOT-5 (multi-pass) se necessário.

Finalmente, com a nova AOC devidamente validade e correspondente à época T₀+i, todos os dados de obstruções podem ser difundidos às necessárias entidades.

Os resultados experimentais esperados estão muito próximos dos requisitos enunciados na documentação da ICAO, isto é, entre 10 metros e 3 metros em termos da precisão vertical (provavelmente próximo do valor mais baixo, ou seja 3 metros, definido como a máxima precisão vertical alvo a atingir com esta proposta, no cumprimento com os requisitos mais exigentes indicados na documentação da ICAO, Anexo 15, Capítulo 10 eTOD para a Area 2). Um tradeoff entre o tempo necessário para executar uma única operação de actualização de dados (esperado ao longo de uma semana) e a precisão garantida por este processo, será uma das premissas da proposta. Tal facto implica um maior avanço relacionado com questões de segurança associadas às operações aeroportuárias (livres de interrupções/suspensões e obtenção de dados de obstrução mais próximos da realidade actual). Mesmo se apenas 5 metros de precisão vertical foram alcançados, esta proposta trará igualmente uma vantagem importante quando comparada com qualquer processo actual, devido a um aumento da segurança das operações aeroportuárias, visto que uma base de dados de obstruções declaradas nas AOCs é actualizada num curto período de tempo.

Uma melhoria na qualidade do Modelo Digital de Superfície (MDS) é obtida através da interferometria com base em Radares de Abertura Sintética posicionados em plataformas espaciais orbitais, usando a invenção descrita anteriormente com a sua aplicação no campo da aeronáutica. Existem duas áreas distintas no que diz respeito aos requisitos de dados de terreno e de obstáculos (de acordo com o Anexos 14 e 15 de documentação da ICAO) , identificadas como Área 1 e Área 2 (geometricamente caracterizadas no Anexo 15 da documentação da ICAO). Para a Área 1, 30 metros de precisão vertical para os obstáculos é um requisito numérico. No caso da Área 2, 3 metros de precisão vertical para os obstáculos é um requisito numérico. O valor da precisão indicado para a Área 2 apresenta-se algo ambicioso, tendo em conta as conhecidas estimativas de precisão atingidas com o recurso a dados captados por sensores orbitais SAR. No entanto, 3 metros de precisão vertical é um dos objectivos a alcançar pela da invenção, também no respeito de um nível de confiança de 90% dos dados de obstáculos que penetram as superfícies de obstrução relativas às Áreas 1 e 2, de acordo com indicado no Anexo 15 da ICAO, para a sua correcta identificação em cada uma das referidas áreas.

Para o caso das restantes áreas indicadas na documentação da ICAO, Anexo 15, nomeadamente a Área 3 e Área 4, embora os resultados da invenção não permitam atingir o nivel de confiança indicado relativamente à precisão vertical absoluta necessária no respeito do exposto na documentação da ICAO, Anexo 15, a invenção pode, no entanto, ser implementada para as referidas áreas, de modo a obter uma elevada precisão vertical relativa (precisão vertical milimétrica) quando dados provenientes de sensores orbitais SAR são adquiridos ao longo de diferentes épocas sequenciais.

Claims

1. Método para gerar Cartas de Obstrução do Aeroporto de áreas monitoradas com base em uma fusão de dados do Radar de Abertura Sintética de plataformas espaciais com imagens óticas de alta resolução, imagens multiespectrais ou híper espectrais, obtidas por sensores remotos, caracterizadas pelas seguintes etapas:

A: Construção de um Modelo de Superfície Digital (DSM) de base em formato matricial com resolução altimétrica e espacial:

AI: Captura de imagens analógicas e digitais préexistentes das áreas monitoradas;

A2: Conversão das referidas imagens analógicas préexistentes para o formato digital;

A3: assegurando que as imagens sejam convertidas em formato matricial;

A4 : Vectorização das referidas imagens pré-existentes para gerar uma Carta de Obstrução do Aeroporto vetorial;

B: Deteção de alterações no terreno:

BI: Captura de novos dados, em formato matricial, sendo posteriormente adquirida informação altimétrica, derivada de dados interferométricos obtidos por sensores de radar de abertura sintética de plataformas espaciais;

B2: Co registro e georreferenciação de novos dados;

B3: Corte de imagem dos novos dados para assegurar que toda a área a ser monitorada seja corretamente identificada;

B4: Reamostragem das ditas imagens preexistentes e ditos novos dados, para que apresentem o mesmo número de pixels em linha e coluna, representando a mesma área monitorada;

B5: Comparação do modelo de superfície digital de base com informação altimétrica, oriunda de dados interferométricos obtidos por sensores de radar de abertura sintética de plataformas espaciais;

B6: Deteção de alterações de terreno na referida comparação, a fim de produzir um terceiro modelo matricial;

C: Atualização da Carta de Obstrução do Aeroporto:

Cl: Sobreposição do terceiro modelo matricial e da Carta de Obstrução do Aeroporto vetorial;

C2: Identificação de uma superfície tridimensional de obstrução através da comparação de modelos obtidos em épocas diferentes (tO, tl, ..., tn);

03: Validação de novas obstruções;

C4 : Atualização de nova carta de obstrução do aeroporto com base nas novas obstruções validadas; e

C5: Transmissão da nova Carta de Obstrução do Aeroporto às autoridades competentes.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas imagens serem orto retificadas.

3. Método de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o terceiro modelo matricial ser o resultado das diferenças altimétricas dos modelos anteriores sendo que o número digital associado a cada pixel do modelo representa a ausência de penetração, ou a identificação de uma nova penetração da superfície de obstrução, bem como a sua dimensão acima da superfície tridimensional de obstrução de um aeroporto em análise.

4. Método de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado pela validação de novas obstruções entre a época inicial (TO) e posteriores (TO + 1), ser realizada por verificação visual ou aferida por outras técnicas complementares de fusão de dados para comparação entre duas épocas.

5. Método de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por identificar obstruções, suas localizações e altura em que foi obtida por um procedimento de sobreposição aos seguintes dados georreferenciados:

- Superfície tridimensional obtida pela fusão de ambos os modelos de superfícies digitais, o anterior e o novo, e imagens estereoscópicas, oriundas do Sistema Pancromático de Sensores Remotos para Mapeamento Estéreo - Satélite Avançado de Terra, PRISM-ALOS, ou multi-pass SPOT-5.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por uma precisão vertical entre 10 e 3 metros.