Orientador: Maurício Galo / Banca: Daniel Rodrigues dos Santos / Banca: Edson Aparecido Mitishita / Banca: Aluir Porfírio Dal Poz / Banca: Antonio Maria Garcia Tommaselli / Resumo: Esta tese trata da extração e regularização automática de contornos de telhados de edificações obtidos a partir de dados LiDAR (Light Detection and Ranging) adquiridos por sistema de varredura a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) aerotransportado. Em linhas gerais, dois problemas são tratados. O primeiro corresponde à determinação adaptativa do parâmetro α do algoritmo alpha-shape, utilizado na obtenção do contorno aproximado, a partir da nuvem de pontos. O segundo refere-se à regularização/modelagem dos contornos de edificações no espaço tridimensional, incluindo edificações formadas por segmentos curvos de maior complexidade. Com relação ao primeiro problema, duas abordagens foram propostas, ambas baseadas no espaçamento médio entre os pontos. A principal contribuição das abordagens propostas está ligada à determinação adaptativa de α, possibilitando minimizar a influência da variação da densidade de pontos. Para solucionar o problema ligado a regularização de contornos, uma metodologia baseada no conceito de CD-Spline (Changeable Degree Spline) foi desenvolvida. A principal contribuição do uso da CD-Spline está ligada à habilidade de modelar contornos formados por segmentos com diferentes níveis de complexidade no espaço n-dimensional, sendo esses modelados por funções polinomiais de diferentes graus. Na metodologia proposta, a função polinomial que melhor modela cada segmento é selecionada de forma automática por meio da análise estatística do... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This Doctoral dissertation deals with the automatic extraction and regularization of building roof boundaries from LiDAR (Light Detection and Ranging) data, obtained by airborne LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) scanning. In this context, two problems were explored. The first corresponds to the adaptive determination of the parameter α of the alpha-shape algorithm, used to extract the approximate contour, from the available point cloud. The second refers to the regularization/modeling of building boundaries in the three-dimensional space, including buildings formed by curved segments of high complexity. Regarding the first problem, two approaches were proposed, both based on average point spacing. The main contribution of the approaches is related to the adaptive determination of α, allowing to minimize the influence of the point density variation. In order to solve the problem related to boundary regularization, a method based on the concept of CD-Spline (Changeable Degree Spline) was developed. The CD-Spline has ability to model boundaries formed by segments with different levels of complexity in n-dimensional space, which are modeled by polynomial functions of different degrees. In order to select the polynomial function automatically, an iterative approach of the CD-Spline was proposed. In this methodology, the polynomial function that best models each segment is selected by means of the statistical analysis of the residuals in each iteration... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Mauricio Galo / Banca: Daniel Rodrigues dos Santos / Banca: Aluir Porfírio Dal Poz / Resumo: As nuvens de pontos provindas de Sistemas de Varredura a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Aerotransportados (SVLA) representam a superfície com um grande detalhamento, sendo registrada a vegetação e as feições antrópicas, como edificações e rodovias, por exemplo. A automação da tarefa de classificação da nuvem de pontos é importante para a redução de custos em aplicações práticas relacionadas a atividades de mapeamento. Esta dissertação tem por objetivo principal o estudo, implementação e avaliação de técnicas de processamento e análise de imagens visando a classificação da nuvem de pontos LiDAR (Light Detection and Ranging), e a obtenção, de forma automática, do MDT (Modelo Digital do Terreno) e dos pontos pertencentes a edificações e vegetação. Inicialmente são apresentados os conceitos necessários para o entendimento do método proposto, o qual é detalhado na sequência, assim como os conjuntos de dados utilizados para as avaliações. Além da revisão conceitual sobre tópicos como Morfologia Matemática, Análise de Componentes Principais e algoritmo RANSAC, estudou-se a necessidade de redução da quantidade de iterações do RANSAC e uma alternativa para obtenção de alguns dos parâmetros do método a priori. Foram realizados experimentos sobre a escolha do interpolador (para a geração da grade regular) e para a seleção da forma e dimensão do elemento estruturante (usado nas operações morfológicas). A classificação final foi avaliada em termos de compl... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The point clouds acquired by ALS (Airborne LASER Scanning) systems represent the surface with great level of detail, recording both natural vegetation and anthropic features, such as buildings and roads, for example. The automation's task of point clouds classification is important to reduce costs in practical applications related to mapping activities and production. This work is primarily focused in the study, implementation and evaluation of image processing and analysis techniques, aiming the automatic cloud point classification, generation of the DTM (Digital Terrain Model) and the detection of roof plane and vegetation points. Besides the conceptual review about Mathematical Morphology, Principal Component Analysis and RANSAC (Random Sample Consensus), it was studied the need to reduce the quantity of iterations and an alternative to obtain some of the parameters required by RANSAC algorithm considering one preliminary classification based on Principal Component Analysis. Some experiments were conducted in order to select both the interpolation method (to generate the grid) and the shape and size of the structuring element (used in the morphological operations). The final classification was evaluated in terms of completeness and correctness, computed with respect to a manually generated reference. / Mestre

Orientador: Mauricio Galo / Banca: Aluir Porfirio Dal Poz / Banca: Veraldo Liesenberg / Resumo: O Sensoriamento Remoto tem-se mostrado, nos últimos anos, uma excelente ferramenta na aquisição de informações da cobertura da Terra. Dentre os diversos sensores remotos, o sistema de aquisição de dados por varredura LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) se apresenta como uma ferramenta poderosa na coleta de informações tridimensionais. A tecnologia lidar (Light Detection And Ranging), quando a bordo de aeronaves, pode ser denominada como Airborne Laser Scanning (ALS), diferente dos sistemas aerofotogramétricos de imageamento tradicionais, permite coletar, simultaneamente, pontos com coordenadas 3D sobre copas de árvores, bem como o terreno abaixo dela, em função da capacidade de registro de múltiplos retornos e da divergência do pulso. Por esta razão, esta tecnologia tem sido utilizada em diversas aplicações florestais, como manejo e recuperação florestal, silvicultura, exploração madeireira, dentre outras. Diversas pesquisas têm mostrado a possibilidade de utilização dos dados lidar na extração e delimitação de indivíduos arbóreos e, portanto, na estimativa de variáveis dendrométricas. Desta forma, o desenvolvimento de técnicas que proporcionem a automatização no delineamento das copas das árvores e na estimativa destas informações é de grande interesse. Contudo, grande parte das pesquisas relacionadas à detecção de árvores, delimitação de copa e estimativa de algumas variáveis são desenvolvidas considerando cenários homogêneos e específicos, onde ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Remote Sensing has shown to be, in the last years, an excellent way of acquiring Earth's surface data. Among all remote sensors, the system of data acquisition by LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) scanning has been presented as a powerful tool for three-dimensional information collection. lidar (Light Detection And Ranging) technology, when onboard of airplanes can be named Airborne Laser Scanning (ALS) and, differently from traditional photogrammetric techniques, allows the collection of simultaneously 3D points over tree crowns, as well as the ground underneath it, due to the recording capacity of multiple echoes arising from the divergence of the pulse. For this reason, this technology has been used in many different forest applications, as management and forest recovery, forestry, logging and others. Some researchers have shown the possibility of using lidar data on tree extraction and crown delineation and, therefore, on the estimation of their dendrometric variables. In this way, the development of techniques that can provide the automation of tree crowns delineation and estimation of this information has increased. However, most of the researches performed ever related to tree detection, canopy delineation and estimation of some dendrometric variables are developed considering homogeneous and specific scenarios where the vegetation is characterized by the presence of coniferous and/or deciduous trees. For this purpose, the objective of thi... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by Socorro Albuquerque (sbarbosa@ufpa.br) on 2018-04-27T20:04:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_UsoLidarAerotransportado.pdf: 3437847 bytes, checksum: 9fb066cbe1200a8a789b65cbb8c3e007 (MD5) / Approved for entry into archive by Socorro Albuquerque (sbarbosa@ufpa.br) on 2018-04-27T20:05:20Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_UsoLidarAerotransportado.pdf: 3437847 bytes, checksum: 9fb066cbe1200a8a789b65cbb8c3e007 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T20:05:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_UsoLidarAerotransportado.pdf: 3437847 bytes, checksum: 9fb066cbe1200a8a789b65cbb8c3e007 (MD5) Previous issue date: 2018-03-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta pesquisa está centrada na definição de métodos para a utilização de dados de Light Detection And Range – LiDAR em mapeamento geológico estrutural. Na Região Amazônica, em particular nas formações ferríferas bandadas da Província Mineral de Carajás – PMC, a cobertura vegetal compromete a extração de informações estruturais a partir de dados de sensoriamento remoto ótico, pois ela mascara as feições geomorfológicas e estruturais que podem corresponder as estruturas geológicas. Esta tese abordou a aplicação de técnicas de processamento digital de imagens de dados LiDAR, a partir de i) modelo de relevo sombreado – MRS do, o qual foi utilizado uma configuração com oito modos de iluminação com visadas distintas variando de 45º entre elas, para geração de mapas de alinhamentos; e ii) filtragem laplaciana em modelo de relevo sombreado – FLMRS em visadas multidirecionais. Em ambos os mapas resultantes foram observados os mesmos trends estruturais, NE-SW, NW-SE e secundariamente N-S e E-W. No entanto, o mapa gerado a partir da FLMRS em visadas multidirecionais apresentou uma melhor geometria da distribuição espacial dos lineamentos. Os resultados obtidos a partir da análise dos dados LiDAR foram comparados com dados estruturais coletados e analisados a partir do estudo da deformação do minério de ferro e nas rochas vulcânicas associadas na mina da Serra Sul de Carajás - S11D. A análise estrutural mostrou um único episódio refletindo encurtamento na direção E-W, com a instalação de dois sistemas de falhas, uma de direção NE-SW e a mais nova de direção NW-SE. Esta deformação é responsável pela geometria das rochas do platô S11D, formando uma sequência sinformal/antiformal com caimento para NE e SE acompanhando o e desses sistemas de falhas e com planos axiais mergulhando em alto ângulo para NW e NE formando dobras com padrões de interferência complexos. A laminação no minério de ferro preserva ainda estruturas primárias e não há evidências de milonitização pervasiva nestas rochas. Propõe-se um modelo deformacional para as rochas do Platô S11D relacionado a transpressão controlada pela Falha Carajás durante movimentos sinistrais regionais. A análise comparativa de mapas estruturais gerados com dados LiDAR aerotransportados e métodos manuais tradicionais foram realizados a partir do comparativo dos dois mapas. O cálculo e quantificação da dispersão das linhas de contorno estrutural em cada área a partir dos diferentes métodos mostrou um coeficiente de correlação que variou entre 0,91 e 0,93, sugerindo um bom grau de similaridade entre as estruturas mapeadas, embora haja variações na orientação e abundância nas linhas de contorno estrutural. Em geral, os resultados demonstram a eficácia dos dados LiDAR aerotransportado para extrair informações estruturais detalhadas e precisas em terrenos tropicais, podendo ser utilizados para complementar o mapeamento estrutural baseado em dados de campo. / This research is focused on the definition of methods for the use of Light Detection And Range - LiDAR data in structural geological mapping. In the Amazon Region, in particular in the banded iron formations of the Mineral Province of Carajás - PMC, the vegetal cover compromises the extraction of structural information from optical remote sensing data, since it masks the geomorphological and structural features that can correspond the geological structures . This thesis addressed the application of digital image processing techniques of LiDAR data, from i) shaded relief model - MRS do, which used a configuration with eight lighting modes with different views ranging from 45º between them, to generation of alignment maps; and ii) laplacian filtration in shaded relief model - FLMRS in multidirectional visions. In both resulting maps the same structural trends, NE-SW, NW-SE and secondarily N-S and E-W were observed. However, the map generated from the FLMRS in multidirectional visions presented a better geometry of the spatial distribution of the lineaments. The results obtained from the analysis of LiDAR data were compared with structural data collected and analyzed from the study of iron ore deformation and associated volcanic rocks at the Serra Sul de Carajás mine - S11D. The structural analysis showed a single episode reflecting shortening in the E-W direction, with the installation of two fault systems, one NE-SW direction and the new NW-SE direction. This deformation is responsible for the geometry of the rocks of the S11D plateau, forming a sinformal / antiformal sequence with NE and SE trim along with these fault systems and with axial planes dipping at high angles to NW and NE forming folds with complex interference patterns. Lamination in iron ore still preserves primary structures and there is no evidence of pervasive milonization in these rocks. It proposes a deformational model for the rocks of the S11D Plateau related to transpression controlled by the Carajás Fault during regional sinistral movements. The comparative analysis of the structural maps generated with airborne LiDAR data and traditional manual methods were performed from the comparative of the two maps. The calculation and quantification of the dispersion of the structural contour lines in each area from the different methods showed a correlation coefficient that varied between 0.91 and 0.93, suggesting a good degree of similarity between the mapped structures, although there are variations in the orientation and abundance in the structural contour lines. In general, the results demonstrate the effectiveness of the airborne LiDAR data to extract detailed and accurate structural information on tropical terrain and can be used to complement the fieldbased structural mapping.

O crescimento regular do tráfego aéreo mundial e a introdução de grandes aeronaves impuseram a necessidade de aumentar a capacidade dos aeroportos e, consequentemente, reduzir a separação mínima entre as aeronaves. Um fator limitante desta distância mínima é a geração de vórtices de ponta de asa das aeronaves, cujas turbulências geradas pelo escoamento através das asas são mais intensas em aeronaves de grande porte. Este trabalho visa a explicação do fenômeno de geração de vórtices de ponta de asa, assim como suas consequências, aplicações tecnológicas que auxiliam na detecção deste fenômeno, melhorias na segurança de vôo (Safety assessment) e o impacto econômico gerado em aeroportos e operadoras. Diversas técnicas estão sendo desenvolvidas para a detecção e previsão das turbulências geradas pelos vórtices, sendo as principais: LIDAR (Light Detection and Ranging), Detecção acústica e Ultra-som. Além do conhecimento acadêmico desenvolvido, esta dissertação tem por finalidade capacitar tecnicamente o setor aeronáutico no sentido de conhecer novos sistemas (em aeronaves e aeroportos) economicamente viáveis que possam ser aplicados no gerenciamento do tráfego aéreo.

ANP; FINEP; MCT; CAPES / Este trabalho objetiva otimizar a localização de um robô móvel para a inspeção dos tanques de armazenamento de GLP -- Gás Liquefeito de Petróleo -- e permitir a navegação autônoma deste robô por toda a superfície do tanque. A falta de marcos no interior dos tanques levou ao desenvolvimento de uma solução envolvendo detecção de pequenas estruturas com sensores LIDAR (Light Detection and Ranging - Detecção e Telemetria por Luz) aplicada aos cordões de solda, estes sim presentes no interior do tanque, que é apresentada na primeira parte do trabalho. Em seguida, aplicando uma técnica de fusão de dados, as diferentes fontes de odometria presentes no robô são combinadas, permitindo uma precisão mais elevada na inspeção de modo geral. Por fim, o mapeamento e navegação simultâneos do exterior da esfera é abordado, a fim de se adicionar uma camada suplementar ao mapa digital, indicando os locais onde existem falhas. Testes para validação de cada uma das técnicas foram efetuados e uma análise de desempenho é apresentada ao final do trabalho. / This work aims to optimize localization of a climbing inspection robot for spherical LPG -- Liquified Petroleum Gas -- tanks and allow autonomous navigation along the entire surface of these tanks. One solution envolving small structures detection using LIDAR sensors is applied to the weld beads that are present inside the tanks. This solution is developed on the first part of this work. Following, a data fusion technique is used to combine the diferent odometry sources on the robot, resulting in a better, higher precision on the inspection as a whole. Finnaly, simultaneous mapping and navigation on the exterior of the spherical tank was studied in order to add one extra layer to the digital map, pinpointing the places where failures and weld beams were found. Validation tests for each one of this techniques are carried out and a performance analysis is also documented herein.

ANP; FINEP; MCT; CAPES / Este trabalho objetiva otimizar a localização de um robô móvel para a inspeção dos tanques de armazenamento de GLP -- Gás Liquefeito de Petróleo -- e permitir a navegação autônoma deste robô por toda a superfície do tanque. A falta de marcos no interior dos tanques levou ao desenvolvimento de uma solução envolvendo detecção de pequenas estruturas com sensores LIDAR (Light Detection and Ranging - Detecção e Telemetria por Luz) aplicada aos cordões de solda, estes sim presentes no interior do tanque, que é apresentada na primeira parte do trabalho. Em seguida, aplicando uma técnica de fusão de dados, as diferentes fontes de odometria presentes no robô são combinadas, permitindo uma precisão mais elevada na inspeção de modo geral. Por fim, o mapeamento e navegação simultâneos do exterior da esfera é abordado, a fim de se adicionar uma camada suplementar ao mapa digital, indicando os locais onde existem falhas. Testes para validação de cada uma das técnicas foram efetuados e uma análise de desempenho é apresentada ao final do trabalho. / This work aims to optimize localization of a climbing inspection robot for spherical LPG -- Liquified Petroleum Gas -- tanks and allow autonomous navigation along the entire surface of these tanks. One solution envolving small structures detection using LIDAR sensors is applied to the weld beads that are present inside the tanks. This solution is developed on the first part of this work. Following, a data fusion technique is used to combine the diferent odometry sources on the robot, resulting in a better, higher precision on the inspection as a whole. Finnaly, simultaneous mapping and navigation on the exterior of the spherical tank was studied in order to add one extra layer to the digital map, pinpointing the places where failures and weld beams were found. Validation tests for each one of this techniques are carried out and a performance analysis is also documented herein.