Integração de point clouds no GIS: uma nova fronteira para análise espacial

No panorama em rápida evolução das tecnologias geoespaciais, a integração das nuvens de pontos no GIS (Sistemas de Informação Geográfica) representa uma mudança significativa. As nuvens de pontos são conjuntos de dados tridimensionais que descrevem a superfície de um objeto ou de uma área através de pontos únicos com coordenadas específicas. Essas nuvens de pontos são obtidas principalmente através de técnicas de varredura a laser (LiDAR) ou fotogrametria aérea, e oferecem uma representação detalhada e precisa do mundo real.

A utilização de software BIM GIS específicos permite a integração de mapas GIS com modelos 3D, modelos openBIM, malhas texturizadas e nuvens de pontos, permitindo gerenciar simultaneamente, em uma única cena, uma grande quantidade de informações provenientes de diferentes áreas disciplinares.

O que é uma nuvem de pontos?

Antes de passar à integração GIS e nuvem de pontos, é certamente útil ter um panorama claro do que é uma nuvem de pontos. Vamos ver juntos!

As nuvens de pontos são um conjunto de pontos no espaço digital, identificados através de sua posição única em um sistema de coordenadas X, Y e Z e adquiridos por meio de:

• levantamento a laser 3D / LiDAR (Light Detection and Ranging) – utiliza pulsos laser para medir distâncias precisas da fonte (geralmente um avião ou um drone) até a superfície terrestre. Este método produz dados de alta resolução que podem capturar detalhes minuciosos do terreno e das estruturas;
• fotogrametria: consiste no uso de imagens fotográficas para criar mapas tridimensionais. As imagens sobrepostas tiradas de diferentes ângulos são processadas para extrair as coordenadas espaciais, gerando assim uma nuvem de pontos.

A nuvem de pontos assim gerada constitui uma representação muito precisa (a precisão dependerá do número de pontos adquiridos), útil como base de partida para realizar:

• o modelo 3D do objeto levantado;
• o modelo BIM diretamente da nuvem de pontos.

Nuvem de pontos

Quando então às nuvens de pontos e aos modelos 3D/BIM integramos o GIS, isso amplia a esfera de utilização do modelo em si e nos permite a realização de Gêmeos Digitais Geoespaciais e Cidades Inteligentes, ou seja, modelos IFC/openBIM^®, BIM/3D, nuvens de pontos, malhas texturizadas, etc. geolocalizados e integrados com o GIS.

Outros importantes usos que derivam da integração sinérgica entre openBIM e GIS são:

• cartografia de precisão: as nuvens de pontos fornecem dados de alta resolução que melhoram a precisão dos mapas topográficos e temáticos. Isso é particularmente útil para o planejamento urbano, a engenharia civil e a gestão de recursos naturais;
• monitoramento ambiental: a capacidade de detectar mudanças no solo, na vegetação, nos cursos d’água, etc., permite monitorar a erosão do solo, o acúmulo de sedimentos e outros fenômenos ambientais com uma precisão sem precedentes;
• gestão de infraestruturas: as nuvens de pontos podem ser utilizadas para inspecionar e gerenciar infraestruturas críticas como pontes, estradas e redes elétricas, identificando danos e degradação com alta precisão;
• arqueologia e conservação de bens culturais: as nuvens de pontos permitem a criação de modelos detalhados de sítios arqueológicos e monumentos, facilitando a documentação e a conservação digital;
• gestão de ativos: para a manutenção e gestão dos ativos ao longo do tempo.

Estes são apenas alguns exemplos dos múltiplos usos e campos de aplicação da integração entre nuvens de pontos e GIS. Graças à sua capacidade de fornecer dados detalhados e tridimensionais, as nuvens de pontos estão se tornando cada vez mais essenciais para uma ampla gama de setores e disciplinas que requerem análises espaciais precisas e aprofundadas.

Se você quiser aprofundar, leia também Pointcloud to BIM para descobrir como realizar um modelo 3D BIM diretamente da nuvem de pontos, aproveitando os automatismos de um software de nuvem de pontos para BIM.

Técnicas avançadas para a aquisição de nuvens de pontos

No parágrafo anterior, mencionamos as principais técnicas de aquisição das nuvens de pontos, que lembramos podem ter uma precisão mais ou menos acentuada que pode ser decidida a priori na fase de configuração do levantamento e que depende dos usos que faremos da nuvem de pontos, bem como das técnicas que utilizaremos para sua aquisição. Vamos então ver juntos as técnicas mais avançadas que o dinâmico mundo da tecnologia nos propõe, além das já mencionadas LiDAR e fotogrametria:

• escaneamento 3D a luz estruturada: baseado na utilização de scanners específicos que permitem digitalizar em 3D os objetos, reconstruindo sua geometria através da projeção de padrões de luz codificados. Uma ou mais câmeras capturam as imagens de como a luz estruturada se deforma quando projetada nas superfícies dos objetos. Esses dados são transformados em coordenadas 3D através de algoritmos de triangulação. Esta técnica encontra aplicação principalmente no design industrial e na engenharia reversa;
• câmeras de tempo de voo: o tempo de voo (Time of Flight) é uma técnica de imagem que utiliza a iluminação do objeto com uma fonte de luz modulada. A posição é determinada pelo tempo de percurso (Time of Flight, de fato) de um impulso de luz enviado pelo emissor e seu retorno ao sensor após ser refletido por um objeto. Utilizando essa informação temporal, é possível calcular com precisão a distância entre o objeto e o sensor, permitindo a criação de imagens tridimensionais detalhadas. Encontra ampla aplicação principalmente na robótica;
• Multibeam Echo Sounder (MBES): trata-se de um sistema complexo composto por vários sensores que aplica os princípios da reflexão acústica, da difusão e da interferometria acústica para criar dados batimétricos que medem a profundidade e permitem elaborar um levantamento cartográfico dos fundos. Encontra aplicação em levantamentos marinhos e em mapeamentos de extrema precisão dos fundos, tanto para inspeções de caráter geológico, arqueológico ou de pesquisa/recupero. Mais recentemente, também são utilizados para monitorar gasodutos, cabos submarinos e parques eólicos offshore.

Guia passo a passo para a integração das nuvens de pontos com plataformas GIS

A aquisição das nuvens de pontos, através de uma ou da integração de mais técnicas entre as vistas no parágrafo anterior, não prevê o referenciamento automático a nenhuma coordenada do mundo real. Isso significa que, uma vez adquirida a nuvem de pontos, será nossa responsabilidade realizar corretamente a integração dos modelos 3D/BIM com plataformas BIM-GIS.

Para georreferenciar nossos modelos, existem três métodos, cada um dos quais regula automaticamente a orientação e a posição da nuvem de pontos ao sistema de coordenadas apropriado sem causar alterações de forma, dimensões ou escala. Vamos então ver juntos esses três métodos:

• georreferenciamento das nuvens de pontos lidar utilizando os pontos de controle em solo (GCPs): os pontos de controle em solo, ou Ground Control Points (acrônimo GPCs), são pontos no terreno com coordenadas conhecidas aos quais nos apoiamos para conectar o levantamento fotogramétrico às dimensões e à orientação real. Na realidade operacional do levantamento, os GPCs são tornados visíveis por marcadores de contraste cromático, objetos de alta reconhecibilidade, que são fixados adequadamente ao solo em pontos sempre visíveis de cima. Através de uma instrumentação específica (estação total, haste GPS ou outros instrumentos topográficos), são levantadas as coordenadas do ponto de controle GCP identificado pelo marcador;
• alinhamento de nuvens de pontos lidar a modelos ou desenhos de edifícios já georreferenciados: este segundo método, ligeiramente mais empírico que o primeiro, consiste em alinhar a nuvem de pontos ainda não georreferenciada a dados projetuais que já o são. Neste caso, será necessário abrir o modelo georreferenciado através do nosso software BIM-GIS e alinhar a nova nuvem de pontos ao modelo já orientado e posicionado utilizando pontos de referência conhecidos;
• registro de uma nuvem de pontos a uma já geolocalizada: este método simplifica ainda mais o processo. Se já se dispõe de uma nuvem de pontos georreferenciada para o local, é possível registrar e georreferenciar a nova nuvem de pontos fazendo referência a esta.

Superar os desafios técnicos na integração entre nuvens de pontos e GIS

A integração entre nuvens de pontos e GIS já é possível, mas isso não significa que não existam desafios técnicos a serem superados. Vamos ver juntos quais são os principais:

• coleta de dados espaciais precisos e confiáveis: podem ocorrer problemas como baixa qualidade do sinal, bateria descarregada, formatos incompatíveis ou atributos ausentes. Para superar esses desafios, é necessário planejar cuidadosamente a coleta de dados e utilizar métodos e ferramentas apropriadas. Por exemplo, é possível utilizar aplicativos móveis que funcionam offline e sincronizam os dados quando estão online, utilizar carregadores solares ou baterias de reserva para estender a duração da bateria, utilizar formatos padrão e metadados para garantir a compatibilidade dos dados e utilizar procedimentos de controle de qualidade para verificar e corrigir os erros dos dados;
• análise e visualização dos dados: este problema técnico pode se manifestar com mapas de baixa qualidade ou com o uso de símbolos e cores inadequados para o uso do próprio mapa. Para superar essa lacuna, é necessário utilizar princípios e práticas eficazes de design e comunicação. Por exemplo, será útil utilizar imagens ou mapas base de alta resolução, utilizar símbolos ou cores claras e coerentes, utilizar rótulos ou legendas para explicar os elementos do mapa ou utilizar funções interativas ou multimídia para melhorar a experiência do mapa;
• gestão e armazenamento de dados territoriais: este desafio pode envolver a perda, roubo ou corrupção de dados, sua duplicação ou incongruência, ou a gestão da privacidade dos dados. Para superar esses desafios, é necessário utilizar sistemas e políticas de gestão e armazenamento de dados confiáveis e seguros, como, por exemplo, o armazenamento em nuvem para prevenir a perda ou o dano dos dados, utilizar padrões ou protocolos de dados para garantir a consistência ou a qualidade dos dados ou utilizar criptografia ou senhas para proteger a privacidade e a segurança dos dados;
• integração estática dos dados: outro possível limite das tecnologias atualmente adotadas para a digitalização das construções é a integração estática dos dados entre os sistemas BIM e GIS, que implica em vários limites na gestão dos gêmeos digitais. Para resolver esse desafio técnico, é indispensável referir-se a plataformas de gestão dos gêmeos digitais geoespaciais que baseiam seu funcionamento em uma integração dinâmica e bidirecional entre o sistema openBIM^® e o GIS.
• gestão e compartilhamento de projetos complexos: o enorme volume de dados é o maior problema ao juntar os detalhes do BIM, com todas as informações de cada objeto da construção, com a visão em escala territorial do GIS. Mesmo assim, o desafio pode ser superado através do uso das ferramentas certas, graças às quais todas as informações do BIM estão sempre disponíveis para o GIS para consultas geoespaciais sem limites em número e tamanho.

Casos de estudo reais: aplicações das nuvens de pontos no GIS

Antecipamos que a integração entre BIM e GIS permite enfrentar desafios projetuais e de gestão de edifícios e infraestruturas de maneira totalmente vanguardista. Para entender melhor do que estamos falando, vamos ver juntos alguns casos de estudo reais, na Itália e no mundo:

• Gêmeos Digitais Geoespaciais para um projeto de Cidade Inteligente em Milão: o projeto previu o levantamento tridimensional, a aquisição de nuvens de pontos de infraestruturas e edifícios do centro de Milão, incluindo o estádio com uma nuvem de 2,6 milhões de pontos, a elaboração de modelos IFC e sua posterior integração com mapas GIS, permitindo assim obter informações de caráter geoespacial;
• Gestão de Ativos GIS – caso de estudo de um shopping center: neste caso, o modelo IFC openBIM do shopping center é integrado em um contexto geoespacial, permitindo uma análise detalhada dos recursos dentro do ambiente circundante;
• OpenBIM e GIS na arqueologia: benefícios e aplicações na cidade antiga de Pompeia: a integração entre GIS, levantamentos digitais com nuvens de pontos e modelos BIM permitiu uma visualização detalhada e imersiva de todo o parque arqueológico, oferecendo novas perspectivas sobre a conservação e o estudo das “domus” pompeianas.
• El Jadida – Marrocos: a integração entre openBIM e GIS também trouxe resultados extraordinários em relação à modelagem de cidades históricas. Como caso de estudo emblemático, mencionamos a digitalização da cidade de El Jadida, no Marrocos, cujo modelo é particularmente útil para o planejamento urbano da cidade.
• Barcelona: neste caso, o modelo IFC da Área Metropolitana de Barcelona (AMB) foi integrado com plataformas GIS para otimizar a gestão da cidade.

Gêmeo digital geoespacial – o caso de estudo Cidade Inteligente em Milão

Futuro das point clouds no GIS: tendências e inovações

Os desafios da integração entre GIS e point clouds podem ser superados com o uso das ferramentas tecnológicas adequadas. De fato, ao trabalhar com aplicações online avançadas, muitos dos desafios mencionados não constituem mais um obstáculo. Com as ferramentas em nuvem, por exemplo, não são necessários softwares especializados de processamento de dados, nem ferramentas para conversão e compatibilidade entre formatos (GIS e point clouds), nem espaços de armazenamento em desktop.

Por exemplo, a tecnologia de usBIM.geotwin permite inserir em uma cena GIS, não apenas modelos 3D openBIM em formatos abertos e proprietários, mas também levantamentos e nuvens de pontos nos formatos mais comuns atualmente disponíveis no mercado. Esses modelos inseridos na cena interagem com todo o resto e não são apenas simples maquetes. De fato, é possível realizar diversas ações, como tirar medidas diretamente em modelos presentes na cena, ou gerar seções dos modelos 3D em tempo real, para visualizar também os interiores dos edifícios e conduzir análises detalhadas em diferentes escalas.

O mapa GIS, portanto, se enriquece com modelos informativos e levantamentos também muito extensos no espaço, como infraestruturas do tipo linear (ferrovias, linhas aéreas, etc.), estações ferroviárias, túneis, pontes, etc. Trabalhar com modelos de grande dimensão continua a ser uma operação fácil e eficiente, com visualização precisa e realista.

Os modelos podem ser sempre atualizados e modificados, sem a necessidade de recorrer ao uso de BIM authoring, diretamente com aplicações online de edição de arquivos IFC.

A integração é completa porque permite visualizar em um único mapa modelos 3D openBIM, levantamentos com malhas texturizadas e nuvens de pontos. Além disso, as informações relacionadas no mapa não são apenas geométricas, mas também de caráter informativo.

Em resumo, utilizando usBIM.geotwin:

• gerencia modelos IFC/openBIM, BIM/3D, nuvens de pontos, malhas texturizadas, etc.;
• carrega modelos complexos em um único ambiente de trabalho;
• geolocaliza os modelos e os integra perfeitamente com o GIS;
• realiza incríveis Digital Twins Geoespaciais;
• opera sem limites na complexidade, no número e na atualização contínua dos dados.

O futuro das point clouds no GIS parece promissor, portanto, com contínuos avanços tecnológicos que reduzem custos e melhoram a acessibilidade. A integração com tecnologias emergentes, como inteligência artificial e machine learning, promete automatizar e melhorar ainda mais a análise de dados, abrindo caminho para novas aplicações inovadoras.

Para saber mais, leia também: Análise de dados espaciais em GIS

Guia completo para profissionais GIS Point Cloud

As profissões relacionadas ao mundo do GIS são múltiplas e estão em constante evolução, assim como evolui o dinâmico mundo da tecnologia que vê a interação do BIM com o GIS. Quem trabalha dentro do mundo GIS e se interfaceia com a gestão das nuvens de pontos e a subsequente elaboração do modelo BIM sabe que os passos necessários a seguir são:

• coleta e gestão de dados: sabemos que no GIS os dados são as informações essenciais para elaborar mapas e modelos e compreender suas relações. Para gerenciar melhor essa fase, será necessário, claramente, contar com ferramentas de levantamento adequadas e com softwares de edição e gestão adequados;
• escolher as ferramentas adequadas: quando se começa a trabalhar neste mundo, a escolha do software pode parecer marginal, mas nem todos os softwares são iguais entre si e é necessário prestar atenção a fatores como a quantidade de dados que o software BIM-GIS consegue gerenciar e à integração dinâmica e bidirecional entre o sistema openBIM^® e o GIS;
• projeto e visualização dos mapas: o projeto dos mapas é um passo mais do que essencial no mundo GIS Point Cloud, porque é graças a eles que transferimos informações que devem ser o mais acessíveis e compreensíveis possível. Portanto, será importante a escolha equilibrada de cores e ícones;
• técnicas de análise espacial: a análise espacial é o lugar onde ocorre a verdadeira mágica nos GIS. Ela nos permite descobrir padrões e relações entre nossos dados através do projeto cuidadoso feito na etapa anterior;
• integração do GIS com outras tecnologias: integrar em mapas GIS, modelos 3D openBIM, malhas texturizadas e nuvens de pontos permite gerenciar simultaneamente, em uma única cena, uma grande quantidade de informações provenientes de diferentes áreas disciplinares.

Como profissionais GIS, o uso das nuvens de pontos é mais do que frequente e necessário. Utilizam-se nuvens de pontos para criar modelos 3D de paisagens, cidades e edifícios, superfície do solo, para levantamentos subaquáticos, para monitorar mudanças ambientais ao longo do tempo, como o desmatamento ou o derretimento das geleiras, e para análises geoespaciais de vários tipos. Os benefícios, portanto, da integração entre nuvens de pontos e GIS são múltiplos, incluindo:

• precisão e detalhe: as point clouds oferecem uma representação extremamente detalhada do mundo real, útil para análises precisas e aprofundadas;
• eficiência: a coleta de dados por meio de LiDAR e fotogrametria, ou outras técnicas avançadas, pode cobrir amplas áreas em tempos relativamente curtos em comparação com os métodos tradicionais;
• integração com outros dados GIS: as point clouds podem ser facilmente integradas com outras camadas de dados GIS, enriquecendo as análises espaciais.

Em conclusão, as point clouds representam um componente crucial para o futuro dos sistemas GIS. Sua capacidade de fornecer dados detalhados e precisos está revolucionando a maneira como interpretamos e interagimos com o mundo espacial, oferecendo novas oportunidades para pesquisa, planejamento e gestão de recursos.

Abaixo, mostro um breve vídeo de usBIM.geotwin com aplicações práticas e casos de estudo de gestão de point clouds e GIS.