Laser scanner, fotogrametria digital e drones com o BIM

Vamos conhecer como as tecnologias digitais podem afetar, alterar e melhorar o processo de construção: laser scanner, fotogrametria digital e drones para o levantamento de edifícios com a ajuda do BIM

Nos últimos anos, a evolução das ferramentas tecnológicas levou a grandes inovações, em particular no campo do levantamento arquitetônico e topográfico. Neste respeito, por exemplo, são significativas as vantagens (em termos de precisão, tempo e custos) que podem resultar de uma pesquisa realizada com scanner integrado num drone.

Estas vantagens podem ser aproveitadas por todos os técnicos, graças a softwares de vanguarda que permitem reconstruir a mesh (malha) tridimensional a partir de fotografias tiradas de cima. Grande parte do trabalho de processamento de dados, na verdade, hoje pode ser feita com programas fáceis de usar, que disponibilizam os dados em modelos 3D.

Com tais softwares é possível transformar os dados coletados a partir de dispositivos laser e fotográficos em nuvens de pontos, malhas tridimensionais, Modelos Digitais de Elevação (DTM) e ortofotografias georreferenciadas.

Estes programas, portanto, permitem obter tudo o que for necessário para o levantamento dos edifícios, o projeto de infraestruturas novas ou a manutenção das mesmas.

Vamos ver quais são os princípios de funcionamento destas tecnologias.

Levantamento dos edifícios

Numa época em que se constrói cada vez menos e se reforma cada vez mais o património existente, é essencial executar um levantamento preciso do estado do edifício a ser reformado.

Conhecer bem uma estrutura, uma fachada o um local permite ao projetista focar melhor na fase de projeto, pois poderá fazer escolhas informadas, otimizar os espaços, bem como orçamentar as obras a serem executadas de forma consideravelmente precisa.

Até recentemente, o levantamento de edifícios e/ou locais costumava ser realizado com ferramentas simples que não permitiam obter um modelo do edifício a ser reformado.

As medições feitas para gerar o plano de um edifício eram, muitas vezes, cortes horizontais, a uma certa altura, que não levavam em conta eventuais inclinações das paredes, possíveis anomalias estáticas das lajes, etc. Mesmo que um modelo 3D do edifício fosse definido, isso era condicionado por uma série de aproximações.

Hoje, as novas tecnologias permitem combinar informações métricas, fotográficas, termográficas, entre outras, graças à utilização de laser scanner e drones.

O projetista trabalha diretamente na estrutura, conhecendo a sua forma, dimensões, materiais, situações críticas (lesões, situações insalubres, etc.).

Tudo isso, naturalmente, visa criar um projeto de alto nível.

Fotogrametria digital

A fotogrametria arquitetônica é uma técnica de levantamento. Permite obter dados métricos de um objeto (forma e posição) adquirindo e analisando um conjunto de fotogramas estereométricos.
O levantamento com a fotogrametria arquitetônica prevê duas fases:

a gravação, que produz o conjunto de fotogramas estereométricos. O objeto é fotografado com a câmara estereométrica ou com a câmara métrica, colocada em dois pontos distintos e escolhida respeitando a estereoscopia artificial.
o retorno, que utiliza o conjunto de fotogramas estereométricos. Esta operação permite detectar as dimensões requeridas ou realizar uma representação, em projeção ortogonal, do objeto fotografado.

A fotogrametria digital é outra técnica de levantamento, que permite obter informações métricas e geográficas, (forma e posição) de objetos tridimensionais, tais como terrenos e edifícios, elaborando imagens fotográficas e digitais.

A fotogrametria com drones, enfim, consiste na realização de modelos digitais do terreno e ortofotografias. Permite, ainda, obter levantamentos arquitetônicos de infraestruturas e edifícios para a criação de modelos 3D.

Atualmente a aerofotogrametria é uma das técnicas mais confiáveis, baratas e precisas de coleta de dados do território, útil nas análises da mudança do território também.

A fotogrametria com drone tem várias aplicações técnicas: ortofotografias, levantamentos geológicos, serviços topográficos com drone, modelos 3D (reconstruções de nuvens de pontos, curvas de nível), mapeamento de canteiros de obras e territórios, renderização de edifícios, monitoramento de sítios com instabilidade hidrogeológica, DEM (Digital Elevation Model).

A partir de uma série de imagens digitais, é possível criar um modelo tridimensional de superfície. Várias são as fontes de dados: vamos conhecer algumas!

Laser scanner

O laser scanner mede, num determinado espaço e de acordo com uma densidade pré-definida, a posição de pontos dos objetos presentes.
Daí resulta uma nuvem de pontos, ou seja, um conjunto de pontos com coordenadas definidas no espaço. A partir da nuvem de pontos, é possível definir superfícies que consistem em triângulos (malhas) e superfícies contínuas (nurbs, ou seja, curvas). As superfícies podem ser foto realistas.
Concebido para aplicações industriais, o laser scanner é um dispositivo eletro-ótico mecânico que, através da técnica de varreduras consecutivas, permite detectar automaticamente um objeto nas suas três dimensões.
O levantamento tridimensional fornece quatro informações: as três coordenadas do ponto detectado e o valor da refletância, que muda de acordo com o tipo do material.

A refletância é a capacidade dos objetos de refletir o raio laser. Para cada ponto de uma superfície de material opaco, atingido por um raio de luz, essa indica:

o fator de resposta, ou seja, a densidade de fluxo radiante incidente;
a emitância, ou seja, a densidade de fluxo radiante de saída.

Independentemente da tecnologia de varredura a laser utilizada (no campo arquitetônico a mais avançada é a varredura de fase), o resultado é uma nuvem de pontos muito densa a partir da qual é possível obter um número impressionante de dados e elaborados:

Modelos 3D a cores dos edifícios levantados
Modelo 3D a superfícies ou malha
Ortofotografia de fachadas e elevações
Cortes e planimetrias
Navegações virtuais da nuvem de pontos
Implementações em ambientes digitais e softwares AR (Realidade Aumentada)
Implementação em ambientes BIM (Building Information Modeling) para a modelagem rápida da situação atual.

O resultado pode, ainda, ser integrado com tecnologias GNSS para o georreferenciamento da nuvem, com levantamentos aerofotogramétricos a partir de drone para as coberturas dos edifícios e qualquer outro levantamento digital pré-existente.

Vídeos digitais

A possibilidade de utilizar uma câmara profissional para obter um levantamento torna esta tecnologia fácil de usar e difundir, com a vantagem de detectar rapidamente até mesmo áreas muito grandes. Além disso, a facilidade de transporte dos dispositivos e a autonomia dos mesmos tornam essas ferramentas bem adequadas para levantamentos em áreas de difícil acesso.

Fotografias digitais

Dispor de uma câmara digital como ferramenta de levantamento torna esta tecnologia ainda mais simples e acessível. A principal vantagem é, sem dúvida, a possibilidade de realizar fotogrametria tridimensional de baixo custo.

Nuvem de pontos: o que é?

Nuvem de pontos

Ao executar uma varredura, o laser scanner registra um grande número de pontos resultantes das superfícies presentes na área que está a ser digitalizada: paredes, janelas, tubulações, estruturas de aço, etc.

O ponto é, portanto, a entidade essencial em que se baseia o método do levantamento fotogramétrico.

O resultado é uma nuvem de pontos, com coordenadas x y z, visualizável diretamente no monitor de um computador como “fotografia tridimensional“, constituída por milhões de pontos. Estes últimos descrevem de forma detalhada a superfície do objeto levantado, além de fornecer informações sobre dimensão e cor.

Em outras palavras, é possível comparar uma nuvem a uma massa 3D constituída por pequenas gotas.

Os pontos detectados possuem várias características distintivas, por exemplo a cor. Graças à varredura, de fato, é possível associar às coordenadas dos pontos um dado cromático (RGB) também, resultante de uma câmara.

O gerenciamento dos dados

As varreduras são importadas no software de modelagem e filtradas para eliminar de forma automática sinales espúrios, que poderiam fornecer coordenadas 3D incorretas.

Os dados são, então, processados com ferramentas de editing que permitem gerenciar milhares de pontos derivantes do processo de digitalização. Desta forma, a nuvem de pontos é transformada em curvas (splines), superfícies e malhas.

Graças ao processamento dos dados, é possível:

medir;
realizar filmes;
obter imagens ajustadas;
exportar os cortes obtidos para o formato DXF;
colocar o objeto detectado de acordo com uma referência topográfica;
criar modelos BIM.

Os softwares que permitem o gerenciamento da nuvem de pontos são cada vez mais numerosos e eficazes: aproveitando a tecnologia structure from motion (SfM), estão progressivamente a melhorar os seus algoritmos, graças aos quais, por exemplo, é agora possível realizar de forma rápida e eficiente um modelo tridimensional de um veículo tirando fotografias com o smartphone.