Revista Militar de

ARTIGOS

Ciecircncia e Tecnologia

Vol XXXVI - Nuacutemero 4 2019

Versatildeo on-line ISSN 2316-4522

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Comparaccedilatildeo entre modelos de turbulecircnCia K- ω apliCados em um escoamento em canal com junccedilatildeo t 03andreacute luiz Rezende G c c Fiuza

Detecccedilatildeo De embaRcaccedilotildees em imaGens De sensoRes oRbitais oacutepticos baseaDa em caRacteRiacutesticas contextuais e compaRaccedilatildeo De FoRmato De contoRno 12nadjane c de almeida carlos Frederico de saacute Volotatildeo Karla dos s t

aValiaccedilatildeo De alGoRitmos Dtn paRa ambiente opeRacional taacutetico um estuDo De caso Do esquaDRatildeo De caValaRia mecanizaDo 17 Gustavo c sampaio Guilherme c sampaio Ronaldo m salles

o uso Da inteliGecircncia coletiVa Do eb no mapeamento teRRestRe De inteResse paRa as opeRaccedilotildees militaRes 29 luciano augusto terra brito luiz Felipe coutinho Ferreira da silva

atualizaccedilatildeo caRtoGRaacuteFica De aacuteRea uRbana com o uso De Veiacuteculo aeacuteReo natildeo tRipulaDo (Vant) quaDRotoR 37elias n n elias Vivian o Fernandes mirele V silva elaine G V jesus

estuDo De paRacircmetRos que contRolam a nucleaccedilatildeo Da austenita ReVeRtiDa nos accedilos maRaGinG 350 52simone i V santana luiz paulo brandatildeo pRoDuccedilatildeo De Filmes Finos De oacutexiDos De VanaacuteDio (Vox) a paRtiR De V2o3 e molibDecircnio poR coDeposiccedilatildeo Via pulVeRizaccedilatildeo catoacuteDica assistiDa poR campo maGneacutetico 56Fernanda G de F t barbosa carlos l Ferreira marcelo s b de castro

mundo atual nos desafia com situaccedilotildees cada vez mais complexas e requerem soluccedilotildees raacutepidas algumas mais difiacuteceis que outras de se resolver Os conflitos modernos nos apresentam desafios da mesma natureza Desta forma a condiccedilatildeo para resolver tais questotildees passam necessariamente por aspectos da Ciecircncia e da TecnologiaPensar Ciecircncia e Tecnologia e seu futuro no Brasil exige um sistema

educacional de excelecircncia Neste sentido faz-se necessaacuterios accedilotildees coordenadas de formaccedilatildeo e capacitaccedilatildeo dos Professores e dos Pesquisadores O Instituto Militar de Engenharia (IME) eacute uma referecircncia no ensino da Ciecircncia e da Tecnologia no Brasil O Instituto faz parte do Sistema de Ciecircncia Tecnologia e Inovaccedilatildeo do Exeacutercito (SCTIEx) que tem por finalidade produzir os resultados necessaacuterios agrave operacionalidade da Forccedila Terrestre O SCTIEx eacute constituiacutedo por onze Organizaccedilotildees militares Diretamente Subordinadas (OMDS) o Centro de Avaliaccedilotildees do Exeacutercito (CAEx) o Comando de Defesa Ciberneacutetica (Com D Ciber) o Comando de Comunicaccedilotildees e Guerra Eletrocircnica do Exeacutercito (CCOMGEx) o Centro de Desenvolvimento de Sistemas (CDS) O Centro Integrado de Telemaacutetica do Exeacutercito (CITEx) o Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito (CTEx) a Diretoria de Fabricaccedilatildeo (DF) a Diretoria de Serviccedilo Geograacutefico (DSG) o Instituto Militar de Engenharia (IME) a Agecircncia de Gestatildeo de Inovaccedilatildeo Tecnoloacutegica (AGITEC) e a Diretoria de Sistemas e Material de Emprego Militar (DSMEM) Aleacutem dessas organizaccedilotildees O SCTIEx conta ainda com a participaccedilatildeo da Induacutestria de Material Beacutelico do Brasil (IMBEL) empresa puacuteblica vinculada ao Ministeacuterio da Defesa por intermeacutedio do Comando do Exeacutercito cuja principal missatildeo eacute a produccedilatildeo de material de emprego militar (MEM) para atender as necessidades do Exeacutercito Brasileiro (EB) (Fonte httpwwwdctebmilbrindexphphistorico) Vivemos o avanccedilo acelerado da era digital enormes desafios que ela colocam para as sociedades fortes mudanccedilas de paradigmas nas aacutereas de produccedilatildeo serviccedilos emprego comunicaccedilatildeo educaccedilatildeo e cultura Por acreditar na construccedilatildeo de uma sociedade justa e dinacircmica a Revista Militar de Ciecircncia e Tecnologia (RMCT) contribui sobremaneira com o desenvolvimento de um Sistema de Ciecircncia Tecnologia e Inovaccedilatildeo forte e pujante

OEditorial

Expe

dien

tePublicaccedilatildeo de Pesquisa eDesenvolvimento Cientiacutefico-TecnoloacutegicoDo Exeacutercito Brasileiro

Revista Militar de Ciecircncia e Tecnologia

Comandante do ExeacutercitoGen Ex Edson Leal Pujol

Departamento de Ciecircncia e Tecnologia Gen Ex Deacutecio Luiacutes Schons

Departamento de Educaccedilatildeo e Cultura do Exeacutercito Gen Ex Tomaacutes Miguel Mineacute Ribeiro Paiva

Editor Ten Cel Cav Marco Andreacute Leite Ferreira Diretor da BIBLIEx

Corpo Redatorialbull Presidente Gen Bda Armando Morado Ferreirabull Editor executivo Edison Conde Perez dos Santosbull Engenharia Civil Transportes e Ciecircncias Ambientais Antocircnio Carlos Rodrigues Guimaratildees ndash IME (SE2)bull Engenharia Nuclear Seacutergio de Oliveira Vellozo ndash IME (SE7)bull Engenharia Eleacutetrica Geraldo Magela Pinheiro Gomes ndash IME (SE3)bull Engenharia Mecacircnica Andreacute Luiz Tenoacuterio Rezende ndash IME (SE4)bull Ciecircncia dos Materiais Andreacute Ben-Hur da Silva Figueiredo ndash IME (SE8)bull Ciecircncia da Computaccedilatildeo Paulo Cesar Salgado Vidal ndash IME (SE9)bull Engenharia de Defesa Antocircnio Eduardo Carrilho da Cunha ndash IME (SE10)bull Engenharia Quiacutemica e Quiacutemica Kaacutetia Regina de Souza ndash IME (SE5)bull Engenharia Cartograacutefi ca Heloiacutesa Alves Silva Marques ndash IME (SE6)bull Pesquisa Desenvolvimento e Inovaccedilatildeo Aderson Campos Passos ndash IME (SE9)bull Outras aacutereas Paulo Henrique Coelho Maranhatildeo ndash IME (SE4) Raquel Aparecida Abrahatildeo Costa e Oliveira ndash IME (SE6)

Editores associados externosbull Dr Andreacute Fenili ndash Universidade Federal do ABC Santo Andreacute SPbull Dr Artur Ziviani ndash Lab Nacional de Computaccedilatildeo Cientiacutefi ca (LNCC) Petroacutepolis RJbull Dr Fernando Fachini Filho ndash Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais SPbull Dr Joseacute Carlos Costa da Silva Pinto ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro RJbull Dr Joseacute Carlos Maldonado ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos SPbull Drordf Juacutelia Ceacutelia Mercedes Strauch ndash Escola Nacional de Ciecircncias Estatiacutesticas RJbull Dr Luiz Pereira Calocircba ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro RJbull Dr Otto Correcirca Rotunno Filho ndash COPPEUniversidade Federal do Rio de Janeiro RJbull Dr Richard Magdalena Stephan ndash COPPEUniversidade Federal do Rio de Janeiro RJbull Dr Webe Joatildeo Mansur ndash COPPEUniversidade Federal do Rio de Janeiro RJbull Dr Carlos Alberto Nunes Consenza ndash COPPEUniversidade Federal do Rio de Janeiro RJ

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 3REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

Comparaccedilatildeo entre modelos de turbulecircncia K- ω aplicados em um escoamento em canal com junccedilatildeo T

G C C Fiuza1 A L T Rezende1

1 Seccedilatildeo de Engenharia Mecacircnica IME ndash Instituto Militar de Engenharia RJ Brazil e-mailarezendeimeebbr

RESUMO O escoamento em um canal tipo junccedilatildeo T estaacute presente em diversas aplicaccedilotildees industriais tais como sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento a aacutegua e sistemas de exaustatildeo de gases No presente trabalho foi analisado numericamente o escoamento de ar atraveacutes do canal tipo junccedilatildeo T Para simular numericamente este caso foram utilizadas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para um escoamento estacionaacuterio bidimensional pelo uso dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω A razatildeo de momento utilizada foi de 119872119872 =2 e o nuacutemero de Reynolds na entrada do escoamento paralelo ao canal eacute Re = 15000 Os resultados encontrados foram comparados com os dados da literatura que utiliza Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) Os resultados obtidos foram satisfatoacuterios e proacuteximos aos encontrados pela simulaccedilatildeo LES para ambos os modelos k-ω poreacutem o modelo SST k-ω apresentou tamanho de bolha mais proacuteximo da literatura Os resultados de ambos os modelos apresentaram pequenas distorccedilotildees para os perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k entretanto ilustraram de maneira anaacuteloga agrave literatura a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K concentrada nas camadas cisalhantes entre escoamentos Os principais resultados analisados neste artigo satildeo comprimento da bolha de recirculaccedilatildeo magnitude de velocidade meacutedia produccedilatildeo de energia cineacutetica k e perfil de velocidade adimensional u+

ABSTRACT The flow in a T junction type channel is present in many industrial applications such as air conditioning systems water cooling circuits gas exhaust systems and others In the present study an air flow through the T-junction channel was numerically analyzed In order to simulate this case the Reynolds Navier-Stokes equations (RANS) were used for a two-dimensional stationary flow using the SST k- ω and k-ω The moment ratio used was 119872119872=2 and the Reynolds number at the inlet of the flow parallel to the channel is Re = 15000 The results were compared to the literature data that used the Large Scale Simulation (LES) The results obtained were satisfactory and close to that found by the LES simulation for both k-ω models However the SST k-ω model showed a bubble size closer to the literature The results of both models presented small distortions for the turbulent kinetic energy production profiles k but in a way similar to the one found in the literature they illustrate the production of turbulent kinetic energy K concentrated in the shear layers between the flows The main results analyzed in this paper are the length of the recirculation bubble mean velocity magnitude kinetic energy production k and dimensionless velocity profile u +

PALAVRAS-CHAVE Escoamento turbulento Junccedilatildeo T SST k-ω k-ω turbulecircncia RANS KEYWORDS Turbulent flow T junction SST k-ω k-ω

turbulence RANS

1 INTRODUCcedilAtildeO

O principal objetivo do presente trabalho eacute a anaacutelise computacional da geometria de um canal retangular com junccedilatildeo tipo T Nesta situaccedilatildeo ocorre a entrada de um escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Paralelordquo e outro escoamento transversal agrave direccedilatildeo do escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Jatordquo Ao se aproximar da regiatildeo de entrada do escoamento jato o escoamento paralelo contorna o escoamento jato devido ao alto fluxo de momento do escoamento jato Uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue penetrar no escoamento jato ele o contorna como um obstaacuteculo

Adicionalmente o escoamento jato por sua vez natildeo consegue penetrar no escoamento paralelo se curvando ateacute se tornar paralelo ao escoamento paralelo e ao canal Tais mudanccedilas de direccedilatildeo geram bolhas de recirculaccedilatildeo proacuteximas agrave entrada do escoamento jato ao canal

O escoamento em canal com junccedilatildeo T como ilustrado na Fig 1 tem sido amplamente estudado na aacuterea de dinacircmica de fluidos e pode ser facilmente encontrado em sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento de aacutegua em usinas de energia nuclear e sistemas de recirculaccedilatildeo de gaacutes de exaustatildeo em motores a combustatildeo interna Em grande parte de dispositivos teacutecnicos nos quais haacute transporte de fluidos um tipo de conexatildeo de tubulaccedilatildeo normalmente encontrado nestes sistemas eacute uma junccedilatildeo tipo T em 90 graus com variados diacircmetros

Fig 1 Caracteriacutesticas de um escoamento em um canal com junccedilatildeo T

As simulaccedilotildees foram realizadas baseadas nas Equaccedilotildees Meacutedias de Reynolds RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) com nuacutemero de Reynolds 119877119877119877119877 119877 119877119877119877119877119877119877 na entrada do escoamento paralelo ao canal e utilizando o ar como fluido O nuacutemero de Reynolds eacute uma funccedilatildeo do diacircmetro hidraacuteulico do canal 119889119889 viscosidade cinemaacutetica 120592120592 e velocidade meacutedia de entrada do escoamento 119880119880 dado pela Eq 1

119877119877119877119877 119877 (1)

Onde o diacircmetro hidraacuteulico para um canal retangular eacute

caracterizado segundo a Eq 2 onde 119871119871 eacute a largura e H a altura do canal

119889119889 119877 (2)

4 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Com a finalidade de comparar os escoamentos paralelo (paralelo ao canal) e jato (transversal ao canal) foi utilizado o conceito de razatildeo de momento de fluido Tal razatildeo eacute definida como funccedilatildeo da velocidade de entrada do escoamento 119880119880 aacuterea da seccedilatildeo transversal utilizada 119860119860 e a densidade 120588120588 de cada fluido dada pela Eq 3

119872119872 =

(3)

A performance do modelo de turbulecircncia utilizado para

o caso construiacutedo no presente trabalho foi avaliada por comparaccedilatildeo com os resultados numeacutericos obtidos por [1] Georgiou e Papalexandris realizaram uma simulaccedilatildeo numeacuterica utilizando ar como fluido e com 119877119877119877119877 = 119877119877119877119877119877119877 para a entrada do escoamento paralelo por meio da teacutecnica Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) com tratamento em regiotildees proacuteximas a parede para a anaacutelise de um canal com junccedilatildeo T para escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 e 119877119877

Baseado nos estudos anteriores este trabalho apresenta resultados numeacutericos da geometria de canal com junccedilatildeo T utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω em escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 A escolha dos modelos se deve a melhores resultados para escoamentos com separaccedilatildeo e melhor resultado para regiotildees proacuteximas a parede Os resultados obtidos foram comparados com o estudo de [1]

2 MODELAGEM MATEMAacuteTICA O escoamento atraveacutes de um canal com junccedilatildeo T no

presente trabalho eacute governado pela aplicaccedilatildeo das Equaccedilotildees RANS que descrevem o movimento de fluido incompressiacutevel Tais equaccedilotildees satildeo equaccedilotildees de conservaccedilatildeo de momento e de continuidade sendo apresentadas na Eq 4 abaixo

= 119892119892 minus

+

= 119877 (4)

O meacutetodo das equaccedilotildees meacutedias de Reynolds eacute baseado

na decomposiccedilatildeo do valor da velocidade instantacircnea na equaccedilatildeo 119906119906 = 119906119906 + 119906119906prime em que 119906119906 representa o valor da velocidade instantacircnea 119906119906 o vetor de velocidade meacutedia e 119906119906prime representa o vetor de flutuaccedilatildeo de velocidade [2] Consequentemente a equaccedilatildeo de momento meacutedio para escoamentos natildeo transientes e incompressiacuteveis eacute dada pela Eq 5 abaixo

= 119892119892 minus

+

minus 119906119906prime119906119906prime

= 119877 (5)

O termo 119906119906prime119906119906prime presente na Eq 5 eacute chamado de tensatildeo turbulenta de Reynolds e representa a influecircncia das flutuaccedilotildees de velocidade no escoamento meacutedio

Entretanto a Eq 5 natildeo representa um sistema fechado de equaccedilotildees sendo portanto necessaacuterio determinar o valor de tensatildeo turbulenta de Reynolds para fechar o sistema Para isto eacute realizada uma analogia agrave Lei de Stokes baseando-se na hipoacutetese de Boussinesq onde as tensotildees turbulentas satildeo proporcionais ao gradiente de velocidade meacutedia do escoamento A Eq 6 representa a equaccedilatildeo do tensor de Reynolds

minus119906119906prime119906119906prime = 119906119906

+

minus 119896119896119896119896 119896119896 =

119906119906prime119906119906prime (6)

O termo 119906119906 eacute caracterizado como viscosidade turbulenta

e eacute definido de acordo com os modelos de turbulecircncia a seguir Haacute diversos modelos de turbulecircncia para encontrar o termo poreacutem neste trabalho utilizaremos os modelos da famiacutelia k-ω mais especificadamente os modelos k-ω Standard e SST k-ω

21 Modelo K-ω O modelo k-ω possui como caracteriacutestica a resoluccedilatildeo da

equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta k de forma conjunta com a equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da taxa especiacutefica da dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta Geralmente ω eacute determinado como uma frequecircncia caracteriacutestica do processo de decaimento da turbulecircncia cujo inverso eacute a escala de tempo na qual a dissipaccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta ocorre Sua taxa eacute determinada pela taxa de transferecircncia de energia sobre o espectro de comprimento entatildeo ω eacute definido por grandes escalas de movimento e eacute relacionado a propriedades meacutedias de escoamento [3]

O modelo k-ω mais utilizado eacute o modelo de [4] um modelo k-ω padratildeo com as equaccedilotildees de conservaccedilatildeo abaixo

120588120588 + 120588120588

=

120583120583 +

+ 119875119875 minus 119884119884 (7)

+

120588120588119906119906 =

120583120583 +

+ 119866119866 minus 119884119884 (8)

Onde os termos 119875119875 e 119884119884 satildeo respectivamente os

termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k 119866119866 e 119884119884 satildeo respectivamente os termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta ω e a viscosidade turbulenta eacute dada na Eq 9 abaixo

120583120583 = 119886119886lowast 119886119886lowast = 119877 (9)

Onde 119886119886lowast eacute o coeficiente de amortecimento da

viscosidade turbulenta O modelo padratildeo k-ω possui bom desempenho para

escoamentos livre de cisalhamentos e escoamentos em placas planas com camada limite O modelo tambeacutem obteacutem

RMCT VOL36 Nordm4 2019 5REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

3

bons resultados para gradientes de pressatildeo adversos e escoamentos separados O modelo eacute efetivo para simulaccedilotildees de camada limite onde valores de ω proacuteximos a parede tendem ao infinito e natildeo satildeo influenciados por valores de ω na regiatildeo natildeo turbulenta [5]

Entretanto o modelo tambeacutem apresenta aspectos negativos como por exemplo uma forte dependecircncia das condiccedilotildees de contorno no escoamento livre para ω O problema pode ser evitado aplicando-se condiccedilotildees de contorno para ω em escoamento livre

22 Modelo SST K-ω O modelo utilizado no presente trabalho modelo SST k-

ω (Shear-Stress Transport k-ω) eacute amplamente utilizado em casos com separaccedilatildeo de camada limite por combinaccedilatildeo dos modelos de turbulecircncia k-ε e k-ω O modelo k-ω apresenta melhor resultados que o modelo k-ε em regiotildees proacuteximas a parede Entretanto o modelo k-ω requer uma condiccedilatildeo de contorno natildeo nula para ω para correntes livres natildeo turbulentas [6]

Contudo o modelo k-ε natildeo possui tal deficiecircncia [7] Portanto o modelo SST k-ω eacute uma combinaccedilatildeo oacutetima entre o modelo k-ω em regiotildees proacuteximas a parede independente da corrente livre e o modelo k-ε para regiotildees distantes da camada limite

Desse modo o modelo k-ε eacute modificado com a finalidade de ser descrito em termos da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo ω O modelo padratildeo k-ω e o modelo k-ε modificado satildeo multiplicados por uma funccedilatildeo de mistura e somados A funccedilatildeo de mistura F1 eacute definida como um valor uacutenico na regiatildeo interna da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ε) e eacute zero na regiatildeo distante da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ω) [2] A funccedilatildeo de mistura estaacute descrita na Eq 10 e Eq 11 abaixo

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) (10)

119905119905119886119886119905119905 = 119905119905 radiclowast

(11)

O termo CDkω eacute a parte positiva da difusatildeo cruzada e d eacute

a distacircncia ateacute a superfiacutecie mais proacutexima O termo CDkω se encontra descrito na Eq 12 abaixo

119862119862119862119862 = 2120590120590

10 (12)

A viscosidade turbulenta eacute definida de acordo com a Eq

13 e Eq 14

120583120583 = () (13)

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) 119905119905119886119886119905119905 = radiclowast

(14)

O termo 119878119878 refere ao modulo do tensor meacutedio de deformaccedilatildeo 119878119878 e o termo 119865119865 refere-se agrave funccedilatildeo de mistura para a viscosidade turbulenta para o modelo SST k-ω e 120590120590 eacute uma constante empiacuterica

A energia cineacutetica turbulenta k e a taxa de dissipaccedilatildeo especiacutefica ω pode ser obtida pela soluccedilatildeo de suas equaccedilotildees de conservaccedilatildeo em que as configuraccedilotildees para a constante 120601120601 para o modelo SST k-ω satildeo obtidas utilizando o uso de uma funccedilatildeo de mistura entre as constantes 1206011206011 (proveniente do modelo k-ω padratildeo) e 1206011206012 (proveniente do modelo k-ε padratildeo) sendo a relaccedilatildeo entre ambas as constantes dada por

120601120601 = 119865119865120601120601 + (1 minus 119865119865)120601120601 (15)

As constantes utilizadas no modelo SST k-ω estatildeo

ilustrados na Tabela 1

Tabela 1 Constantes do modelo SST K-ω

Constante 1206011206011 1206011206012

120573120573 00750 00828

120573120573lowast 009 009

120590120590 05 10

120590120590 05 0856

120590120590 0856 0856

120572120572 59 044

3 METODOLOGIA O presente trabalho consiste na construccedilatildeo da

geometria em 2D de um canal com junccedilatildeo tipo T simulando dois escoamentos um paralelo ao canal e outro transversal ao canal A geometria do canal estaacute descrita na Fig 2 As dimensotildees aqui apresentadas satildeo baseadas nas utilizadas no trabalho de [1] e estatildeo relacionadas com a largura da entrada do escoamento jato 120575120575 proveniente do trabalho de [1] O valor de 120575120575 utilizado no presente trabalho eacute constante e igual a 1 m Para a simulaccedilatildeo foi apenas considerada a razatildeo de momento de 119872119872 = 2 A geometria construiacuteda para todos os casos simulados nesse trabalho possui as mesmas dimensotildees da geometria ilustrada na Fig 2

Fig 2 Geometria utilizada no presente trabalho

6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

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1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

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1000

1500

2000

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01 1 10 100 1000

Y+

u+

RMCT VOL36 Nordm4 2019 11REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

9

Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

nde a mar

gem as e

anccedila

s da ao

es e o a

dos de agrave onto onde onto osta

lho)

stras z de satildeo nto os agrave o de

accedilatildeo r os ento do eacute

por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

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RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

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Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

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como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

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Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 11

O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

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estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

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Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

RMCT VOL36 Nordm4 2019 35REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

38 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

RMCT VOL36 Nordm4 2019 39REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 3

digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

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Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

40 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O VANT quracteriacutesticas cacircavaccedilatildeo de viacutedeoV embutido q

ndroid) atraveacutes capturar ateacute 9

ntrolar o acircnguntrolaacutevel atraveacutenutos com um

Ah que conteacutemrga restante emuipamento

Fig 3 ndash V A cacircmera uti

ma cacircmera mercialmente dande angular ar ela ter um acircntorccedilatildeo nas imresentando mui

siccedilatildeo das imaom 2 Este equss onde a velocaacute sucedido o vome que permitecaso ocorra al

uadrotor DJI z que em sua s as seguinteadicional esta altura constannciamento deanejamento do

s aplicabilidadsui a liberdade anual ou seja utomaacutetica jaacute realizaacute-la de

quipamento uadrotor DJI Pacircmera natildeo-meacutetro HD 1080p emque transfere vde Wi-fi (300m80 peacutes acima ulo de inclinaeacutes do aplicativ

ma uacutenica cargam um circuitombutido A fig

VANT quadroto

ilizada pelo VAnatildeo-meacutetrica denominada Aa qual foi desenngulo de aberturmagens Possibitas vezes fotos

agens foi utiuipamento posscidade de cadaoo Eacute equipadoem que o equiplgum problema

Phantom 2 fofuncionalidade

es caracteriacutestiabilidade de vnte informaccedilotildeee imagens

os voos des em sua da realizaccedilatildeo do operador podefinida porforma manu

Phantom 2 porica FC200 intem um cartatildeo mviacutedeo no seu sm) extensor W

gimbal motoraccedilatildeo da cacircmevo Vision tema usando a ba

o inteligente e gura 3 exibe u

or DJI Phantom

ANT quadrotodenominada

Action Cams (Cnvolvida para

ura grande 140ordmbilita enquadras com aspecto a

REVISTA MILI

ilizado o VAsui quatro motoa rotor determino com recursospamento retornea teacutecnico ou pe

foi utilizado ne eacute permitido icas referentesvoo por sensoes de toda a rotae facilidade

programaccedilatildeodos voos de foode executar ur programas ual utilizando

ossui as seguinegrada 14MP c

micro SD sistemsmartphone (iO

Wi-fi incluiacutedo caizado que permera manualme

mpo de voo ateacuteateria LiPo 5um indicador

uma fotografia

m 2 [26]

or DJi Pantom de Viewfin

Cacircmeras de accedilfilmagens e fo

ordm apresenta graar aacutereas maioarredondado

LITAR DE CIEcircNCIA

ANT ores na a s de e ao erda

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2 eacute nder ccedilatildeo) otos ande ores

45 CoPar

anaacutelisefacilmeforma agraves fotelemenprodutofeiccedilotildeesinterce

Anforam Brasilecorrespobter cGeodeacuteaacuterea deIBGE (SAVOcoordeSIRGA

A pcoordeanaacutelise

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E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

taccedilotildees de referecircntos de controleo izada a teacutecnicareceptor GNS

ndas portadorase 1 segundo O do como sendoprimento da ls de ambiguidque a distacircnc

e SSA ateacute osKm e 3 Km

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minaccedilatildeo da acado

40 pontos de io para a exedados com coona mesma regforam aprovei

que existissematividades De

talidade foram

RMCT VOL

dos pontos do trabalho foavaliar feiccedilotildees

utos obtidos ateacutemoacutelogas no terreaacutefica do SIC

cilmente identiescolhidos co

tacionamentos etc s coordenadas ataforma onlintica (IBGE) n

Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

duas estaccedilotildees dcomo Salvad

a dos Portos no Sistema

recircncia foram de que viabiliza

a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

apoio eacute detilizado para oas foi o GNSS

m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

s m a o s a

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

RMCT VOL36 Nordm4 2019 53REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

54 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

RMCT VOL36 Nordm4 2019 55REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

ReferecircnciaS Bibliograacuteficas

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RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

RMCT VOL36 Nordm4 2019 57REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

58 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

RMCT VOL36 Nordm4 2019 59REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

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mundo atual nos desafia com situaccedilotildees cada vez mais complexas e requerem soluccedilotildees raacutepidas algumas mais difiacuteceis que outras de se resolver Os conflitos modernos nos apresentam desafios da mesma natureza Desta forma a condiccedilatildeo para resolver tais questotildees passam necessariamente por aspectos da Ciecircncia e da TecnologiaPensar Ciecircncia e Tecnologia e seu futuro no Brasil exige um sistema

educacional de excelecircncia Neste sentido faz-se necessaacuterios accedilotildees coordenadas de formaccedilatildeo e capacitaccedilatildeo dos Professores e dos Pesquisadores O Instituto Militar de Engenharia (IME) eacute uma referecircncia no ensino da Ciecircncia e da Tecnologia no Brasil O Instituto faz parte do Sistema de Ciecircncia Tecnologia e Inovaccedilatildeo do Exeacutercito (SCTIEx) que tem por finalidade produzir os resultados necessaacuterios agrave operacionalidade da Forccedila Terrestre O SCTIEx eacute constituiacutedo por onze Organizaccedilotildees militares Diretamente Subordinadas (OMDS) o Centro de Avaliaccedilotildees do Exeacutercito (CAEx) o Comando de Defesa Ciberneacutetica (Com D Ciber) o Comando de Comunicaccedilotildees e Guerra Eletrocircnica do Exeacutercito (CCOMGEx) o Centro de Desenvolvimento de Sistemas (CDS) O Centro Integrado de Telemaacutetica do Exeacutercito (CITEx) o Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito (CTEx) a Diretoria de Fabricaccedilatildeo (DF) a Diretoria de Serviccedilo Geograacutefico (DSG) o Instituto Militar de Engenharia (IME) a Agecircncia de Gestatildeo de Inovaccedilatildeo Tecnoloacutegica (AGITEC) e a Diretoria de Sistemas e Material de Emprego Militar (DSMEM) Aleacutem dessas organizaccedilotildees O SCTIEx conta ainda com a participaccedilatildeo da Induacutestria de Material Beacutelico do Brasil (IMBEL) empresa puacuteblica vinculada ao Ministeacuterio da Defesa por intermeacutedio do Comando do Exeacutercito cuja principal missatildeo eacute a produccedilatildeo de material de emprego militar (MEM) para atender as necessidades do Exeacutercito Brasileiro (EB) (Fonte httpwwwdctebmilbrindexphphistorico) Vivemos o avanccedilo acelerado da era digital enormes desafios que ela colocam para as sociedades fortes mudanccedilas de paradigmas nas aacutereas de produccedilatildeo serviccedilos emprego comunicaccedilatildeo educaccedilatildeo e cultura Por acreditar na construccedilatildeo de uma sociedade justa e dinacircmica a Revista Militar de Ciecircncia e Tecnologia (RMCT) contribui sobremaneira com o desenvolvimento de um Sistema de Ciecircncia Tecnologia e Inovaccedilatildeo forte e pujante

OEditorial

Expe

dien

tePublicaccedilatildeo de Pesquisa eDesenvolvimento Cientiacutefico-TecnoloacutegicoDo Exeacutercito Brasileiro

Revista Militar de Ciecircncia e Tecnologia

Comandante do ExeacutercitoGen Ex Edson Leal Pujol

Departamento de Ciecircncia e Tecnologia Gen Ex Deacutecio Luiacutes Schons

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 3REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

Comparaccedilatildeo entre modelos de turbulecircncia K- ω aplicados em um escoamento em canal com junccedilatildeo T

G C C Fiuza1 A L T Rezende1

1 Seccedilatildeo de Engenharia Mecacircnica IME ndash Instituto Militar de Engenharia RJ Brazil e-mailarezendeimeebbr

RESUMO O escoamento em um canal tipo junccedilatildeo T estaacute presente em diversas aplicaccedilotildees industriais tais como sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento a aacutegua e sistemas de exaustatildeo de gases No presente trabalho foi analisado numericamente o escoamento de ar atraveacutes do canal tipo junccedilatildeo T Para simular numericamente este caso foram utilizadas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para um escoamento estacionaacuterio bidimensional pelo uso dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω A razatildeo de momento utilizada foi de 119872119872 =2 e o nuacutemero de Reynolds na entrada do escoamento paralelo ao canal eacute Re = 15000 Os resultados encontrados foram comparados com os dados da literatura que utiliza Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) Os resultados obtidos foram satisfatoacuterios e proacuteximos aos encontrados pela simulaccedilatildeo LES para ambos os modelos k-ω poreacutem o modelo SST k-ω apresentou tamanho de bolha mais proacuteximo da literatura Os resultados de ambos os modelos apresentaram pequenas distorccedilotildees para os perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k entretanto ilustraram de maneira anaacuteloga agrave literatura a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K concentrada nas camadas cisalhantes entre escoamentos Os principais resultados analisados neste artigo satildeo comprimento da bolha de recirculaccedilatildeo magnitude de velocidade meacutedia produccedilatildeo de energia cineacutetica k e perfil de velocidade adimensional u+

ABSTRACT The flow in a T junction type channel is present in many industrial applications such as air conditioning systems water cooling circuits gas exhaust systems and others In the present study an air flow through the T-junction channel was numerically analyzed In order to simulate this case the Reynolds Navier-Stokes equations (RANS) were used for a two-dimensional stationary flow using the SST k- ω and k-ω The moment ratio used was 119872119872=2 and the Reynolds number at the inlet of the flow parallel to the channel is Re = 15000 The results were compared to the literature data that used the Large Scale Simulation (LES) The results obtained were satisfactory and close to that found by the LES simulation for both k-ω models However the SST k-ω model showed a bubble size closer to the literature The results of both models presented small distortions for the turbulent kinetic energy production profiles k but in a way similar to the one found in the literature they illustrate the production of turbulent kinetic energy K concentrated in the shear layers between the flows The main results analyzed in this paper are the length of the recirculation bubble mean velocity magnitude kinetic energy production k and dimensionless velocity profile u +

PALAVRAS-CHAVE Escoamento turbulento Junccedilatildeo T SST k-ω k-ω turbulecircncia RANS KEYWORDS Turbulent flow T junction SST k-ω k-ω

turbulence RANS

1 INTRODUCcedilAtildeO

O principal objetivo do presente trabalho eacute a anaacutelise computacional da geometria de um canal retangular com junccedilatildeo tipo T Nesta situaccedilatildeo ocorre a entrada de um escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Paralelordquo e outro escoamento transversal agrave direccedilatildeo do escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Jatordquo Ao se aproximar da regiatildeo de entrada do escoamento jato o escoamento paralelo contorna o escoamento jato devido ao alto fluxo de momento do escoamento jato Uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue penetrar no escoamento jato ele o contorna como um obstaacuteculo

Adicionalmente o escoamento jato por sua vez natildeo consegue penetrar no escoamento paralelo se curvando ateacute se tornar paralelo ao escoamento paralelo e ao canal Tais mudanccedilas de direccedilatildeo geram bolhas de recirculaccedilatildeo proacuteximas agrave entrada do escoamento jato ao canal

O escoamento em canal com junccedilatildeo T como ilustrado na Fig 1 tem sido amplamente estudado na aacuterea de dinacircmica de fluidos e pode ser facilmente encontrado em sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento de aacutegua em usinas de energia nuclear e sistemas de recirculaccedilatildeo de gaacutes de exaustatildeo em motores a combustatildeo interna Em grande parte de dispositivos teacutecnicos nos quais haacute transporte de fluidos um tipo de conexatildeo de tubulaccedilatildeo normalmente encontrado nestes sistemas eacute uma junccedilatildeo tipo T em 90 graus com variados diacircmetros

Fig 1 Caracteriacutesticas de um escoamento em um canal com junccedilatildeo T

As simulaccedilotildees foram realizadas baseadas nas Equaccedilotildees Meacutedias de Reynolds RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) com nuacutemero de Reynolds 119877119877119877119877 119877 119877119877119877119877119877119877 na entrada do escoamento paralelo ao canal e utilizando o ar como fluido O nuacutemero de Reynolds eacute uma funccedilatildeo do diacircmetro hidraacuteulico do canal 119889119889 viscosidade cinemaacutetica 120592120592 e velocidade meacutedia de entrada do escoamento 119880119880 dado pela Eq 1

119877119877119877119877 119877 (1)

Onde o diacircmetro hidraacuteulico para um canal retangular eacute

caracterizado segundo a Eq 2 onde 119871119871 eacute a largura e H a altura do canal

119889119889 119877 (2)

4 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Com a finalidade de comparar os escoamentos paralelo (paralelo ao canal) e jato (transversal ao canal) foi utilizado o conceito de razatildeo de momento de fluido Tal razatildeo eacute definida como funccedilatildeo da velocidade de entrada do escoamento 119880119880 aacuterea da seccedilatildeo transversal utilizada 119860119860 e a densidade 120588120588 de cada fluido dada pela Eq 3

119872119872 =

(3)

A performance do modelo de turbulecircncia utilizado para

o caso construiacutedo no presente trabalho foi avaliada por comparaccedilatildeo com os resultados numeacutericos obtidos por [1] Georgiou e Papalexandris realizaram uma simulaccedilatildeo numeacuterica utilizando ar como fluido e com 119877119877119877119877 = 119877119877119877119877119877119877 para a entrada do escoamento paralelo por meio da teacutecnica Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) com tratamento em regiotildees proacuteximas a parede para a anaacutelise de um canal com junccedilatildeo T para escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 e 119877119877

Baseado nos estudos anteriores este trabalho apresenta resultados numeacutericos da geometria de canal com junccedilatildeo T utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω em escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 A escolha dos modelos se deve a melhores resultados para escoamentos com separaccedilatildeo e melhor resultado para regiotildees proacuteximas a parede Os resultados obtidos foram comparados com o estudo de [1]

2 MODELAGEM MATEMAacuteTICA O escoamento atraveacutes de um canal com junccedilatildeo T no

presente trabalho eacute governado pela aplicaccedilatildeo das Equaccedilotildees RANS que descrevem o movimento de fluido incompressiacutevel Tais equaccedilotildees satildeo equaccedilotildees de conservaccedilatildeo de momento e de continuidade sendo apresentadas na Eq 4 abaixo

= 119892119892 minus

+

= 119877 (4)

O meacutetodo das equaccedilotildees meacutedias de Reynolds eacute baseado

na decomposiccedilatildeo do valor da velocidade instantacircnea na equaccedilatildeo 119906119906 = 119906119906 + 119906119906prime em que 119906119906 representa o valor da velocidade instantacircnea 119906119906 o vetor de velocidade meacutedia e 119906119906prime representa o vetor de flutuaccedilatildeo de velocidade [2] Consequentemente a equaccedilatildeo de momento meacutedio para escoamentos natildeo transientes e incompressiacuteveis eacute dada pela Eq 5 abaixo

= 119892119892 minus

+

minus 119906119906prime119906119906prime

= 119877 (5)

O termo 119906119906prime119906119906prime presente na Eq 5 eacute chamado de tensatildeo turbulenta de Reynolds e representa a influecircncia das flutuaccedilotildees de velocidade no escoamento meacutedio

Entretanto a Eq 5 natildeo representa um sistema fechado de equaccedilotildees sendo portanto necessaacuterio determinar o valor de tensatildeo turbulenta de Reynolds para fechar o sistema Para isto eacute realizada uma analogia agrave Lei de Stokes baseando-se na hipoacutetese de Boussinesq onde as tensotildees turbulentas satildeo proporcionais ao gradiente de velocidade meacutedia do escoamento A Eq 6 representa a equaccedilatildeo do tensor de Reynolds

minus119906119906prime119906119906prime = 119906119906

+

minus 119896119896119896119896 119896119896 =

119906119906prime119906119906prime (6)

O termo 119906119906 eacute caracterizado como viscosidade turbulenta

e eacute definido de acordo com os modelos de turbulecircncia a seguir Haacute diversos modelos de turbulecircncia para encontrar o termo poreacutem neste trabalho utilizaremos os modelos da famiacutelia k-ω mais especificadamente os modelos k-ω Standard e SST k-ω

21 Modelo K-ω O modelo k-ω possui como caracteriacutestica a resoluccedilatildeo da

equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta k de forma conjunta com a equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da taxa especiacutefica da dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta Geralmente ω eacute determinado como uma frequecircncia caracteriacutestica do processo de decaimento da turbulecircncia cujo inverso eacute a escala de tempo na qual a dissipaccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta ocorre Sua taxa eacute determinada pela taxa de transferecircncia de energia sobre o espectro de comprimento entatildeo ω eacute definido por grandes escalas de movimento e eacute relacionado a propriedades meacutedias de escoamento [3]

O modelo k-ω mais utilizado eacute o modelo de [4] um modelo k-ω padratildeo com as equaccedilotildees de conservaccedilatildeo abaixo

120588120588 + 120588120588

=

120583120583 +

+ 119875119875 minus 119884119884 (7)

+

120588120588119906119906 =

120583120583 +

+ 119866119866 minus 119884119884 (8)

Onde os termos 119875119875 e 119884119884 satildeo respectivamente os

termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k 119866119866 e 119884119884 satildeo respectivamente os termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta ω e a viscosidade turbulenta eacute dada na Eq 9 abaixo

120583120583 = 119886119886lowast 119886119886lowast = 119877 (9)

Onde 119886119886lowast eacute o coeficiente de amortecimento da

viscosidade turbulenta O modelo padratildeo k-ω possui bom desempenho para

escoamentos livre de cisalhamentos e escoamentos em placas planas com camada limite O modelo tambeacutem obteacutem

RMCT VOL36 Nordm4 2019 5REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

3

bons resultados para gradientes de pressatildeo adversos e escoamentos separados O modelo eacute efetivo para simulaccedilotildees de camada limite onde valores de ω proacuteximos a parede tendem ao infinito e natildeo satildeo influenciados por valores de ω na regiatildeo natildeo turbulenta [5]

Entretanto o modelo tambeacutem apresenta aspectos negativos como por exemplo uma forte dependecircncia das condiccedilotildees de contorno no escoamento livre para ω O problema pode ser evitado aplicando-se condiccedilotildees de contorno para ω em escoamento livre

22 Modelo SST K-ω O modelo utilizado no presente trabalho modelo SST k-

ω (Shear-Stress Transport k-ω) eacute amplamente utilizado em casos com separaccedilatildeo de camada limite por combinaccedilatildeo dos modelos de turbulecircncia k-ε e k-ω O modelo k-ω apresenta melhor resultados que o modelo k-ε em regiotildees proacuteximas a parede Entretanto o modelo k-ω requer uma condiccedilatildeo de contorno natildeo nula para ω para correntes livres natildeo turbulentas [6]

Contudo o modelo k-ε natildeo possui tal deficiecircncia [7] Portanto o modelo SST k-ω eacute uma combinaccedilatildeo oacutetima entre o modelo k-ω em regiotildees proacuteximas a parede independente da corrente livre e o modelo k-ε para regiotildees distantes da camada limite

Desse modo o modelo k-ε eacute modificado com a finalidade de ser descrito em termos da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo ω O modelo padratildeo k-ω e o modelo k-ε modificado satildeo multiplicados por uma funccedilatildeo de mistura e somados A funccedilatildeo de mistura F1 eacute definida como um valor uacutenico na regiatildeo interna da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ε) e eacute zero na regiatildeo distante da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ω) [2] A funccedilatildeo de mistura estaacute descrita na Eq 10 e Eq 11 abaixo

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) (10)

119905119905119886119886119905119905 = 119905119905 radiclowast

(11)

O termo CDkω eacute a parte positiva da difusatildeo cruzada e d eacute

a distacircncia ateacute a superfiacutecie mais proacutexima O termo CDkω se encontra descrito na Eq 12 abaixo

119862119862119862119862 = 2120590120590

10 (12)

A viscosidade turbulenta eacute definida de acordo com a Eq

13 e Eq 14

120583120583 = () (13)

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) 119905119905119886119886119905119905 = radiclowast

(14)

O termo 119878119878 refere ao modulo do tensor meacutedio de deformaccedilatildeo 119878119878 e o termo 119865119865 refere-se agrave funccedilatildeo de mistura para a viscosidade turbulenta para o modelo SST k-ω e 120590120590 eacute uma constante empiacuterica

A energia cineacutetica turbulenta k e a taxa de dissipaccedilatildeo especiacutefica ω pode ser obtida pela soluccedilatildeo de suas equaccedilotildees de conservaccedilatildeo em que as configuraccedilotildees para a constante 120601120601 para o modelo SST k-ω satildeo obtidas utilizando o uso de uma funccedilatildeo de mistura entre as constantes 1206011206011 (proveniente do modelo k-ω padratildeo) e 1206011206012 (proveniente do modelo k-ε padratildeo) sendo a relaccedilatildeo entre ambas as constantes dada por

120601120601 = 119865119865120601120601 + (1 minus 119865119865)120601120601 (15)

As constantes utilizadas no modelo SST k-ω estatildeo

ilustrados na Tabela 1

Tabela 1 Constantes do modelo SST K-ω

Constante 1206011206011 1206011206012

120573120573 00750 00828

120573120573lowast 009 009

120590120590 05 10

120590120590 05 0856

120590120590 0856 0856

120572120572 59 044

3 METODOLOGIA O presente trabalho consiste na construccedilatildeo da

geometria em 2D de um canal com junccedilatildeo tipo T simulando dois escoamentos um paralelo ao canal e outro transversal ao canal A geometria do canal estaacute descrita na Fig 2 As dimensotildees aqui apresentadas satildeo baseadas nas utilizadas no trabalho de [1] e estatildeo relacionadas com a largura da entrada do escoamento jato 120575120575 proveniente do trabalho de [1] O valor de 120575120575 utilizado no presente trabalho eacute constante e igual a 1 m Para a simulaccedilatildeo foi apenas considerada a razatildeo de momento de 119872119872 = 2 A geometria construiacuteda para todos os casos simulados nesse trabalho possui as mesmas dimensotildees da geometria ilustrada na Fig 2

Fig 2 Geometria utilizada no presente trabalho

6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

RMCT VOL36 Nordm4 2019 11REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

9

Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

nde a mar

gem as e

anccedila

s da ao

es e o a

dos de agrave onto onde onto osta

lho)

stras z de satildeo nto os agrave o de

accedilatildeo r os ento do eacute

por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

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RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

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Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

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como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

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8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

RMCT VOL36 Nordm4 2019 27REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

32 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 37REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

38 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

RMCT VOL36 Nordm4 2019 39REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

para operaccedilatildeo aeacuterea de Aeronave Remotamente Pilotada do Departamento de Poliacutecia Federal

Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6

quaeleacutetformseglocde

trabsejafotoinevoopro

equautrotalabcon

cargraFPVAnde conconminmAcarequ

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Para a aquisadrotor Phantotricos brushlesma como seraacute

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balho uma vezam atribuiacutedasogrametria tra

erciais e GNSSo georreferenogramaccedilatildeo e pla

Aleacutem destasuipamento posstocircnoma ou maa de voo auoratoacuterio ou ntrolador do eq

O VANT quracteriacutesticas cacircavaccedilatildeo de viacutedeoV embutido q

ndroid) atraveacutes capturar ateacute 9

ntrolar o acircnguntrolaacutevel atraveacutenutos com um

Ah que conteacutemrga restante emuipamento

Fig 3 ndash V A cacircmera uti

ma cacircmera mercialmente dande angular ar ela ter um acircntorccedilatildeo nas imresentando mui

siccedilatildeo das imaom 2 Este equss onde a velocaacute sucedido o vome que permitecaso ocorra al

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s aplicabilidadsui a liberdade anual ou seja utomaacutetica jaacute realizaacute-la de

quipamento uadrotor DJI Pacircmera natildeo-meacutetro HD 1080p emque transfere vde Wi-fi (300m80 peacutes acima ulo de inclinaeacutes do aplicativ

ma uacutenica cargam um circuitombutido A fig

VANT quadroto

ilizada pelo VAnatildeo-meacutetrica denominada Aa qual foi desenngulo de aberturmagens Possibitas vezes fotos

agens foi utiuipamento posscidade de cadaoo Eacute equipadoem que o equiplgum problema

Phantom 2 fofuncionalidade

es caracteriacutestiabilidade de vnte informaccedilotildeee imagens

os voos des em sua da realizaccedilatildeo do operador podefinida porforma manu

Phantom 2 porica FC200 intem um cartatildeo mviacutedeo no seu sm) extensor W

gimbal motoraccedilatildeo da cacircmevo Vision tema usando a ba

o inteligente e gura 3 exibe u

or DJI Phantom

ANT quadrotodenominada

Action Cams (Cnvolvida para

ura grande 140ordmbilita enquadras com aspecto a

REVISTA MILI

ilizado o VAsui quatro motoa rotor determino com recursospamento retornea teacutecnico ou pe

foi utilizado ne eacute permitido icas referentesvoo por sensoes de toda a rotae facilidade

programaccedilatildeodos voos de foode executar ur programas ual utilizando

ossui as seguinegrada 14MP c

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mpo de voo ateacuteateria LiPo 5um indicador

uma fotografia

m 2 [26]

or DJi Pantom de Viewfin

Cacircmeras de accedilfilmagens e fo

ordm apresenta graar aacutereas maioarredondado

LITAR DE CIEcircNCIA

ANT ores na a s de e ao erda

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intes com ma a OS apaz mite ente eacute 25 200 r de a do

2 eacute nder ccedilatildeo) otos ande ores

45 CoPar

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serviracriaramde feiccedilestudoa fim execuccedilestudocontrol

E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

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RMCT VOL

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cilmente identiescolhidos co

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Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

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a dos Portos no Sistema

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a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

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m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

s m a o s a

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

RMCT VOL36 Nordm4 2019 53REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

54 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

RMCT VOL36 Nordm4 2019 55REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

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56 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

RMCT VOL36 Nordm4 2019 57REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

58 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

RMCT VOL36 Nordm4 2019 59REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

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Expe

dien

tePublicaccedilatildeo de Pesquisa eDesenvolvimento Cientiacutefico-TecnoloacutegicoDo Exeacutercito Brasileiro

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 3REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

Comparaccedilatildeo entre modelos de turbulecircncia K- ω aplicados em um escoamento em canal com junccedilatildeo T

G C C Fiuza1 A L T Rezende1

1 Seccedilatildeo de Engenharia Mecacircnica IME ndash Instituto Militar de Engenharia RJ Brazil e-mailarezendeimeebbr

RESUMO O escoamento em um canal tipo junccedilatildeo T estaacute presente em diversas aplicaccedilotildees industriais tais como sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento a aacutegua e sistemas de exaustatildeo de gases No presente trabalho foi analisado numericamente o escoamento de ar atraveacutes do canal tipo junccedilatildeo T Para simular numericamente este caso foram utilizadas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para um escoamento estacionaacuterio bidimensional pelo uso dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω A razatildeo de momento utilizada foi de 119872119872 =2 e o nuacutemero de Reynolds na entrada do escoamento paralelo ao canal eacute Re = 15000 Os resultados encontrados foram comparados com os dados da literatura que utiliza Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) Os resultados obtidos foram satisfatoacuterios e proacuteximos aos encontrados pela simulaccedilatildeo LES para ambos os modelos k-ω poreacutem o modelo SST k-ω apresentou tamanho de bolha mais proacuteximo da literatura Os resultados de ambos os modelos apresentaram pequenas distorccedilotildees para os perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k entretanto ilustraram de maneira anaacuteloga agrave literatura a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K concentrada nas camadas cisalhantes entre escoamentos Os principais resultados analisados neste artigo satildeo comprimento da bolha de recirculaccedilatildeo magnitude de velocidade meacutedia produccedilatildeo de energia cineacutetica k e perfil de velocidade adimensional u+

ABSTRACT The flow in a T junction type channel is present in many industrial applications such as air conditioning systems water cooling circuits gas exhaust systems and others In the present study an air flow through the T-junction channel was numerically analyzed In order to simulate this case the Reynolds Navier-Stokes equations (RANS) were used for a two-dimensional stationary flow using the SST k- ω and k-ω The moment ratio used was 119872119872=2 and the Reynolds number at the inlet of the flow parallel to the channel is Re = 15000 The results were compared to the literature data that used the Large Scale Simulation (LES) The results obtained were satisfactory and close to that found by the LES simulation for both k-ω models However the SST k-ω model showed a bubble size closer to the literature The results of both models presented small distortions for the turbulent kinetic energy production profiles k but in a way similar to the one found in the literature they illustrate the production of turbulent kinetic energy K concentrated in the shear layers between the flows The main results analyzed in this paper are the length of the recirculation bubble mean velocity magnitude kinetic energy production k and dimensionless velocity profile u +

PALAVRAS-CHAVE Escoamento turbulento Junccedilatildeo T SST k-ω k-ω turbulecircncia RANS KEYWORDS Turbulent flow T junction SST k-ω k-ω

turbulence RANS

1 INTRODUCcedilAtildeO

O principal objetivo do presente trabalho eacute a anaacutelise computacional da geometria de um canal retangular com junccedilatildeo tipo T Nesta situaccedilatildeo ocorre a entrada de um escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Paralelordquo e outro escoamento transversal agrave direccedilatildeo do escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Jatordquo Ao se aproximar da regiatildeo de entrada do escoamento jato o escoamento paralelo contorna o escoamento jato devido ao alto fluxo de momento do escoamento jato Uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue penetrar no escoamento jato ele o contorna como um obstaacuteculo

Adicionalmente o escoamento jato por sua vez natildeo consegue penetrar no escoamento paralelo se curvando ateacute se tornar paralelo ao escoamento paralelo e ao canal Tais mudanccedilas de direccedilatildeo geram bolhas de recirculaccedilatildeo proacuteximas agrave entrada do escoamento jato ao canal

O escoamento em canal com junccedilatildeo T como ilustrado na Fig 1 tem sido amplamente estudado na aacuterea de dinacircmica de fluidos e pode ser facilmente encontrado em sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento de aacutegua em usinas de energia nuclear e sistemas de recirculaccedilatildeo de gaacutes de exaustatildeo em motores a combustatildeo interna Em grande parte de dispositivos teacutecnicos nos quais haacute transporte de fluidos um tipo de conexatildeo de tubulaccedilatildeo normalmente encontrado nestes sistemas eacute uma junccedilatildeo tipo T em 90 graus com variados diacircmetros

Fig 1 Caracteriacutesticas de um escoamento em um canal com junccedilatildeo T

As simulaccedilotildees foram realizadas baseadas nas Equaccedilotildees Meacutedias de Reynolds RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) com nuacutemero de Reynolds 119877119877119877119877 119877 119877119877119877119877119877119877 na entrada do escoamento paralelo ao canal e utilizando o ar como fluido O nuacutemero de Reynolds eacute uma funccedilatildeo do diacircmetro hidraacuteulico do canal 119889119889 viscosidade cinemaacutetica 120592120592 e velocidade meacutedia de entrada do escoamento 119880119880 dado pela Eq 1

119877119877119877119877 119877 (1)

Onde o diacircmetro hidraacuteulico para um canal retangular eacute

caracterizado segundo a Eq 2 onde 119871119871 eacute a largura e H a altura do canal

119889119889 119877 (2)

4 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Com a finalidade de comparar os escoamentos paralelo (paralelo ao canal) e jato (transversal ao canal) foi utilizado o conceito de razatildeo de momento de fluido Tal razatildeo eacute definida como funccedilatildeo da velocidade de entrada do escoamento 119880119880 aacuterea da seccedilatildeo transversal utilizada 119860119860 e a densidade 120588120588 de cada fluido dada pela Eq 3

119872119872 =

(3)

A performance do modelo de turbulecircncia utilizado para

o caso construiacutedo no presente trabalho foi avaliada por comparaccedilatildeo com os resultados numeacutericos obtidos por [1] Georgiou e Papalexandris realizaram uma simulaccedilatildeo numeacuterica utilizando ar como fluido e com 119877119877119877119877 = 119877119877119877119877119877119877 para a entrada do escoamento paralelo por meio da teacutecnica Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) com tratamento em regiotildees proacuteximas a parede para a anaacutelise de um canal com junccedilatildeo T para escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 e 119877119877

Baseado nos estudos anteriores este trabalho apresenta resultados numeacutericos da geometria de canal com junccedilatildeo T utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω em escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 A escolha dos modelos se deve a melhores resultados para escoamentos com separaccedilatildeo e melhor resultado para regiotildees proacuteximas a parede Os resultados obtidos foram comparados com o estudo de [1]

2 MODELAGEM MATEMAacuteTICA O escoamento atraveacutes de um canal com junccedilatildeo T no

presente trabalho eacute governado pela aplicaccedilatildeo das Equaccedilotildees RANS que descrevem o movimento de fluido incompressiacutevel Tais equaccedilotildees satildeo equaccedilotildees de conservaccedilatildeo de momento e de continuidade sendo apresentadas na Eq 4 abaixo

= 119892119892 minus

+

= 119877 (4)

O meacutetodo das equaccedilotildees meacutedias de Reynolds eacute baseado

na decomposiccedilatildeo do valor da velocidade instantacircnea na equaccedilatildeo 119906119906 = 119906119906 + 119906119906prime em que 119906119906 representa o valor da velocidade instantacircnea 119906119906 o vetor de velocidade meacutedia e 119906119906prime representa o vetor de flutuaccedilatildeo de velocidade [2] Consequentemente a equaccedilatildeo de momento meacutedio para escoamentos natildeo transientes e incompressiacuteveis eacute dada pela Eq 5 abaixo

= 119892119892 minus

+

minus 119906119906prime119906119906prime

= 119877 (5)

O termo 119906119906prime119906119906prime presente na Eq 5 eacute chamado de tensatildeo turbulenta de Reynolds e representa a influecircncia das flutuaccedilotildees de velocidade no escoamento meacutedio

Entretanto a Eq 5 natildeo representa um sistema fechado de equaccedilotildees sendo portanto necessaacuterio determinar o valor de tensatildeo turbulenta de Reynolds para fechar o sistema Para isto eacute realizada uma analogia agrave Lei de Stokes baseando-se na hipoacutetese de Boussinesq onde as tensotildees turbulentas satildeo proporcionais ao gradiente de velocidade meacutedia do escoamento A Eq 6 representa a equaccedilatildeo do tensor de Reynolds

minus119906119906prime119906119906prime = 119906119906

+

minus 119896119896119896119896 119896119896 =

119906119906prime119906119906prime (6)

O termo 119906119906 eacute caracterizado como viscosidade turbulenta

e eacute definido de acordo com os modelos de turbulecircncia a seguir Haacute diversos modelos de turbulecircncia para encontrar o termo poreacutem neste trabalho utilizaremos os modelos da famiacutelia k-ω mais especificadamente os modelos k-ω Standard e SST k-ω

21 Modelo K-ω O modelo k-ω possui como caracteriacutestica a resoluccedilatildeo da

equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta k de forma conjunta com a equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da taxa especiacutefica da dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta Geralmente ω eacute determinado como uma frequecircncia caracteriacutestica do processo de decaimento da turbulecircncia cujo inverso eacute a escala de tempo na qual a dissipaccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta ocorre Sua taxa eacute determinada pela taxa de transferecircncia de energia sobre o espectro de comprimento entatildeo ω eacute definido por grandes escalas de movimento e eacute relacionado a propriedades meacutedias de escoamento [3]

O modelo k-ω mais utilizado eacute o modelo de [4] um modelo k-ω padratildeo com as equaccedilotildees de conservaccedilatildeo abaixo

120588120588 + 120588120588

=

120583120583 +

+ 119875119875 minus 119884119884 (7)

+

120588120588119906119906 =

120583120583 +

+ 119866119866 minus 119884119884 (8)

Onde os termos 119875119875 e 119884119884 satildeo respectivamente os

termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k 119866119866 e 119884119884 satildeo respectivamente os termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta ω e a viscosidade turbulenta eacute dada na Eq 9 abaixo

120583120583 = 119886119886lowast 119886119886lowast = 119877 (9)

Onde 119886119886lowast eacute o coeficiente de amortecimento da

viscosidade turbulenta O modelo padratildeo k-ω possui bom desempenho para

escoamentos livre de cisalhamentos e escoamentos em placas planas com camada limite O modelo tambeacutem obteacutem

RMCT VOL36 Nordm4 2019 5REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

3

bons resultados para gradientes de pressatildeo adversos e escoamentos separados O modelo eacute efetivo para simulaccedilotildees de camada limite onde valores de ω proacuteximos a parede tendem ao infinito e natildeo satildeo influenciados por valores de ω na regiatildeo natildeo turbulenta [5]

Entretanto o modelo tambeacutem apresenta aspectos negativos como por exemplo uma forte dependecircncia das condiccedilotildees de contorno no escoamento livre para ω O problema pode ser evitado aplicando-se condiccedilotildees de contorno para ω em escoamento livre

22 Modelo SST K-ω O modelo utilizado no presente trabalho modelo SST k-

ω (Shear-Stress Transport k-ω) eacute amplamente utilizado em casos com separaccedilatildeo de camada limite por combinaccedilatildeo dos modelos de turbulecircncia k-ε e k-ω O modelo k-ω apresenta melhor resultados que o modelo k-ε em regiotildees proacuteximas a parede Entretanto o modelo k-ω requer uma condiccedilatildeo de contorno natildeo nula para ω para correntes livres natildeo turbulentas [6]

Contudo o modelo k-ε natildeo possui tal deficiecircncia [7] Portanto o modelo SST k-ω eacute uma combinaccedilatildeo oacutetima entre o modelo k-ω em regiotildees proacuteximas a parede independente da corrente livre e o modelo k-ε para regiotildees distantes da camada limite

Desse modo o modelo k-ε eacute modificado com a finalidade de ser descrito em termos da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo ω O modelo padratildeo k-ω e o modelo k-ε modificado satildeo multiplicados por uma funccedilatildeo de mistura e somados A funccedilatildeo de mistura F1 eacute definida como um valor uacutenico na regiatildeo interna da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ε) e eacute zero na regiatildeo distante da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ω) [2] A funccedilatildeo de mistura estaacute descrita na Eq 10 e Eq 11 abaixo

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) (10)

119905119905119886119886119905119905 = 119905119905 radiclowast

(11)

O termo CDkω eacute a parte positiva da difusatildeo cruzada e d eacute

a distacircncia ateacute a superfiacutecie mais proacutexima O termo CDkω se encontra descrito na Eq 12 abaixo

119862119862119862119862 = 2120590120590

10 (12)

A viscosidade turbulenta eacute definida de acordo com a Eq

13 e Eq 14

120583120583 = () (13)

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) 119905119905119886119886119905119905 = radiclowast

(14)

O termo 119878119878 refere ao modulo do tensor meacutedio de deformaccedilatildeo 119878119878 e o termo 119865119865 refere-se agrave funccedilatildeo de mistura para a viscosidade turbulenta para o modelo SST k-ω e 120590120590 eacute uma constante empiacuterica

A energia cineacutetica turbulenta k e a taxa de dissipaccedilatildeo especiacutefica ω pode ser obtida pela soluccedilatildeo de suas equaccedilotildees de conservaccedilatildeo em que as configuraccedilotildees para a constante 120601120601 para o modelo SST k-ω satildeo obtidas utilizando o uso de uma funccedilatildeo de mistura entre as constantes 1206011206011 (proveniente do modelo k-ω padratildeo) e 1206011206012 (proveniente do modelo k-ε padratildeo) sendo a relaccedilatildeo entre ambas as constantes dada por

120601120601 = 119865119865120601120601 + (1 minus 119865119865)120601120601 (15)

As constantes utilizadas no modelo SST k-ω estatildeo

ilustrados na Tabela 1

Tabela 1 Constantes do modelo SST K-ω

Constante 1206011206011 1206011206012

120573120573 00750 00828

120573120573lowast 009 009

120590120590 05 10

120590120590 05 0856

120590120590 0856 0856

120572120572 59 044

3 METODOLOGIA O presente trabalho consiste na construccedilatildeo da

geometria em 2D de um canal com junccedilatildeo tipo T simulando dois escoamentos um paralelo ao canal e outro transversal ao canal A geometria do canal estaacute descrita na Fig 2 As dimensotildees aqui apresentadas satildeo baseadas nas utilizadas no trabalho de [1] e estatildeo relacionadas com a largura da entrada do escoamento jato 120575120575 proveniente do trabalho de [1] O valor de 120575120575 utilizado no presente trabalho eacute constante e igual a 1 m Para a simulaccedilatildeo foi apenas considerada a razatildeo de momento de 119872119872 = 2 A geometria construiacuteda para todos os casos simulados nesse trabalho possui as mesmas dimensotildees da geometria ilustrada na Fig 2

Fig 2 Geometria utilizada no presente trabalho

6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

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2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

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1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

RMCT VOL36 Nordm4 2019 11REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

nde a mar

gem as e

anccedila

s da ao

es e o a

dos de agrave onto onde onto osta

lho)

stras z de satildeo nto os agrave o de

accedilatildeo r os ento do eacute

por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

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RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

REFEREcircNCIAS

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Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

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Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

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como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

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8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

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estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

32 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

RMCT VOL36 Nordm4 2019 35REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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36 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 37REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

38 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

RMCT VOL36 Nordm4 2019 39REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

para operaccedilatildeo aeacuterea de Aeronave Remotamente Pilotada do Departamento de Poliacutecia Federal

Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

40 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6

quaeleacutetformseglocde

trabsejafotoinevoopro

equautrotalabcon

cargraFPVAnde conconminmAcarequ

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Para a aquisadrotor Phantotricos brushlesma como seraacute

guranccedila go homcal de origem sinal O VANT qu

balho uma vezam atribuiacutedasogrametria tra

erciais e GNSSo georreferenogramaccedilatildeo e pla

Aleacutem destasuipamento posstocircnoma ou maa de voo auoratoacuterio ou ntrolador do eq

O VANT quracteriacutesticas cacircavaccedilatildeo de viacutedeoV embutido q

ndroid) atraveacutes capturar ateacute 9

ntrolar o acircnguntrolaacutevel atraveacutenutos com um

Ah que conteacutemrga restante emuipamento

Fig 3 ndash V A cacircmera uti

ma cacircmera mercialmente dande angular ar ela ter um acircntorccedilatildeo nas imresentando mui

siccedilatildeo das imaom 2 Este equss onde a velocaacute sucedido o vome que permitecaso ocorra al

uadrotor DJI z que em sua s as seguinteadicional esta altura constannciamento deanejamento do

s aplicabilidadsui a liberdade anual ou seja utomaacutetica jaacute realizaacute-la de

quipamento uadrotor DJI Pacircmera natildeo-meacutetro HD 1080p emque transfere vde Wi-fi (300m80 peacutes acima ulo de inclinaeacutes do aplicativ

ma uacutenica cargam um circuitombutido A fig

VANT quadroto

ilizada pelo VAnatildeo-meacutetrica denominada Aa qual foi desenngulo de aberturmagens Possibitas vezes fotos

agens foi utiuipamento posscidade de cadaoo Eacute equipadoem que o equiplgum problema

Phantom 2 fofuncionalidade

es caracteriacutestiabilidade de vnte informaccedilotildeee imagens

os voos des em sua da realizaccedilatildeo do operador podefinida porforma manu

Phantom 2 porica FC200 intem um cartatildeo mviacutedeo no seu sm) extensor W

gimbal motoraccedilatildeo da cacircmevo Vision tema usando a ba

o inteligente e gura 3 exibe u

or DJI Phantom

ANT quadrotodenominada

Action Cams (Cnvolvida para

ura grande 140ordmbilita enquadras com aspecto a

REVISTA MILI

ilizado o VAsui quatro motoa rotor determino com recursospamento retornea teacutecnico ou pe

foi utilizado ne eacute permitido icas referentesvoo por sensoes de toda a rotae facilidade

programaccedilatildeodos voos de foode executar ur programas ual utilizando

ossui as seguinegrada 14MP c

micro SD sistemsmartphone (iO

Wi-fi incluiacutedo caizado que permera manualme

mpo de voo ateacuteateria LiPo 5um indicador

uma fotografia

m 2 [26]

or DJi Pantom de Viewfin

Cacircmeras de accedilfilmagens e fo

ordm apresenta graar aacutereas maioarredondado

LITAR DE CIEcircNCIA

ANT ores na a s de e ao erda

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intes com ma a OS apaz mite ente eacute 25 200 r de a do

2 eacute nder ccedilatildeo) otos ande ores

45 CoPar

anaacutelisefacilmeforma agraves fotelemenprodutofeiccedilotildeesinterce

Anforam Brasilecorrespobter cGeodeacuteaacuterea deIBGE (SAVOcoordeSIRGA

A pcoordeanaacutelise

Parestaacuteticofrequecircne taxa dde conem funeliminamesmoreferecircnrespectprocesSolutio

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serviracriaramde feiccedilestudoa fim execuccedilestudocontrol

E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

taccedilotildees de referecircntos de controleo izada a teacutecnicareceptor GNS

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40 pontos de io para a exedados com coona mesma regforam aprovei

que existissematividades De

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RMCT VOL

dos pontos do trabalho foavaliar feiccedilotildees

utos obtidos ateacutemoacutelogas no terreaacutefica do SIC

cilmente identiescolhidos co

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Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

duas estaccedilotildees dcomo Salvad

a dos Portos no Sistema

recircncia foram de que viabiliza

a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

apoio eacute detilizado para oas foi o GNSS

m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

RMCT VOL36 Nordm4 2019 53REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

54 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

RMCT VOL36 Nordm4 2019 55REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

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RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

RMCT VOL36 Nordm4 2019 57REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

58 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

RMCT VOL36 Nordm4 2019 59REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 3REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

Comparaccedilatildeo entre modelos de turbulecircncia K- ω aplicados em um escoamento em canal com junccedilatildeo T

G C C Fiuza1 A L T Rezende1

1 Seccedilatildeo de Engenharia Mecacircnica IME ndash Instituto Militar de Engenharia RJ Brazil e-mailarezendeimeebbr

RESUMO O escoamento em um canal tipo junccedilatildeo T estaacute presente em diversas aplicaccedilotildees industriais tais como sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento a aacutegua e sistemas de exaustatildeo de gases No presente trabalho foi analisado numericamente o escoamento de ar atraveacutes do canal tipo junccedilatildeo T Para simular numericamente este caso foram utilizadas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para um escoamento estacionaacuterio bidimensional pelo uso dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω A razatildeo de momento utilizada foi de 119872119872 =2 e o nuacutemero de Reynolds na entrada do escoamento paralelo ao canal eacute Re = 15000 Os resultados encontrados foram comparados com os dados da literatura que utiliza Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) Os resultados obtidos foram satisfatoacuterios e proacuteximos aos encontrados pela simulaccedilatildeo LES para ambos os modelos k-ω poreacutem o modelo SST k-ω apresentou tamanho de bolha mais proacuteximo da literatura Os resultados de ambos os modelos apresentaram pequenas distorccedilotildees para os perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k entretanto ilustraram de maneira anaacuteloga agrave literatura a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K concentrada nas camadas cisalhantes entre escoamentos Os principais resultados analisados neste artigo satildeo comprimento da bolha de recirculaccedilatildeo magnitude de velocidade meacutedia produccedilatildeo de energia cineacutetica k e perfil de velocidade adimensional u+

ABSTRACT The flow in a T junction type channel is present in many industrial applications such as air conditioning systems water cooling circuits gas exhaust systems and others In the present study an air flow through the T-junction channel was numerically analyzed In order to simulate this case the Reynolds Navier-Stokes equations (RANS) were used for a two-dimensional stationary flow using the SST k- ω and k-ω The moment ratio used was 119872119872=2 and the Reynolds number at the inlet of the flow parallel to the channel is Re = 15000 The results were compared to the literature data that used the Large Scale Simulation (LES) The results obtained were satisfactory and close to that found by the LES simulation for both k-ω models However the SST k-ω model showed a bubble size closer to the literature The results of both models presented small distortions for the turbulent kinetic energy production profiles k but in a way similar to the one found in the literature they illustrate the production of turbulent kinetic energy K concentrated in the shear layers between the flows The main results analyzed in this paper are the length of the recirculation bubble mean velocity magnitude kinetic energy production k and dimensionless velocity profile u +

PALAVRAS-CHAVE Escoamento turbulento Junccedilatildeo T SST k-ω k-ω turbulecircncia RANS KEYWORDS Turbulent flow T junction SST k-ω k-ω

turbulence RANS

1 INTRODUCcedilAtildeO

O principal objetivo do presente trabalho eacute a anaacutelise computacional da geometria de um canal retangular com junccedilatildeo tipo T Nesta situaccedilatildeo ocorre a entrada de um escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Paralelordquo e outro escoamento transversal agrave direccedilatildeo do escoamento paralelo ao canal chamado de ldquoEscoamento Jatordquo Ao se aproximar da regiatildeo de entrada do escoamento jato o escoamento paralelo contorna o escoamento jato devido ao alto fluxo de momento do escoamento jato Uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue penetrar no escoamento jato ele o contorna como um obstaacuteculo

Adicionalmente o escoamento jato por sua vez natildeo consegue penetrar no escoamento paralelo se curvando ateacute se tornar paralelo ao escoamento paralelo e ao canal Tais mudanccedilas de direccedilatildeo geram bolhas de recirculaccedilatildeo proacuteximas agrave entrada do escoamento jato ao canal

O escoamento em canal com junccedilatildeo T como ilustrado na Fig 1 tem sido amplamente estudado na aacuterea de dinacircmica de fluidos e pode ser facilmente encontrado em sistemas de ar condicionado circuitos de resfriamento de aacutegua em usinas de energia nuclear e sistemas de recirculaccedilatildeo de gaacutes de exaustatildeo em motores a combustatildeo interna Em grande parte de dispositivos teacutecnicos nos quais haacute transporte de fluidos um tipo de conexatildeo de tubulaccedilatildeo normalmente encontrado nestes sistemas eacute uma junccedilatildeo tipo T em 90 graus com variados diacircmetros

Fig 1 Caracteriacutesticas de um escoamento em um canal com junccedilatildeo T

As simulaccedilotildees foram realizadas baseadas nas Equaccedilotildees Meacutedias de Reynolds RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) com nuacutemero de Reynolds 119877119877119877119877 119877 119877119877119877119877119877119877 na entrada do escoamento paralelo ao canal e utilizando o ar como fluido O nuacutemero de Reynolds eacute uma funccedilatildeo do diacircmetro hidraacuteulico do canal 119889119889 viscosidade cinemaacutetica 120592120592 e velocidade meacutedia de entrada do escoamento 119880119880 dado pela Eq 1

119877119877119877119877 119877 (1)

Onde o diacircmetro hidraacuteulico para um canal retangular eacute

caracterizado segundo a Eq 2 onde 119871119871 eacute a largura e H a altura do canal

119889119889 119877 (2)

4 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Com a finalidade de comparar os escoamentos paralelo (paralelo ao canal) e jato (transversal ao canal) foi utilizado o conceito de razatildeo de momento de fluido Tal razatildeo eacute definida como funccedilatildeo da velocidade de entrada do escoamento 119880119880 aacuterea da seccedilatildeo transversal utilizada 119860119860 e a densidade 120588120588 de cada fluido dada pela Eq 3

119872119872 =

(3)

A performance do modelo de turbulecircncia utilizado para

o caso construiacutedo no presente trabalho foi avaliada por comparaccedilatildeo com os resultados numeacutericos obtidos por [1] Georgiou e Papalexandris realizaram uma simulaccedilatildeo numeacuterica utilizando ar como fluido e com 119877119877119877119877 = 119877119877119877119877119877119877 para a entrada do escoamento paralelo por meio da teacutecnica Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) com tratamento em regiotildees proacuteximas a parede para a anaacutelise de um canal com junccedilatildeo T para escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 e 119877119877

Baseado nos estudos anteriores este trabalho apresenta resultados numeacutericos da geometria de canal com junccedilatildeo T utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω em escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 A escolha dos modelos se deve a melhores resultados para escoamentos com separaccedilatildeo e melhor resultado para regiotildees proacuteximas a parede Os resultados obtidos foram comparados com o estudo de [1]

2 MODELAGEM MATEMAacuteTICA O escoamento atraveacutes de um canal com junccedilatildeo T no

presente trabalho eacute governado pela aplicaccedilatildeo das Equaccedilotildees RANS que descrevem o movimento de fluido incompressiacutevel Tais equaccedilotildees satildeo equaccedilotildees de conservaccedilatildeo de momento e de continuidade sendo apresentadas na Eq 4 abaixo

= 119892119892 minus

+

= 119877 (4)

O meacutetodo das equaccedilotildees meacutedias de Reynolds eacute baseado

na decomposiccedilatildeo do valor da velocidade instantacircnea na equaccedilatildeo 119906119906 = 119906119906 + 119906119906prime em que 119906119906 representa o valor da velocidade instantacircnea 119906119906 o vetor de velocidade meacutedia e 119906119906prime representa o vetor de flutuaccedilatildeo de velocidade [2] Consequentemente a equaccedilatildeo de momento meacutedio para escoamentos natildeo transientes e incompressiacuteveis eacute dada pela Eq 5 abaixo

= 119892119892 minus

+

minus 119906119906prime119906119906prime

= 119877 (5)

O termo 119906119906prime119906119906prime presente na Eq 5 eacute chamado de tensatildeo turbulenta de Reynolds e representa a influecircncia das flutuaccedilotildees de velocidade no escoamento meacutedio

Entretanto a Eq 5 natildeo representa um sistema fechado de equaccedilotildees sendo portanto necessaacuterio determinar o valor de tensatildeo turbulenta de Reynolds para fechar o sistema Para isto eacute realizada uma analogia agrave Lei de Stokes baseando-se na hipoacutetese de Boussinesq onde as tensotildees turbulentas satildeo proporcionais ao gradiente de velocidade meacutedia do escoamento A Eq 6 representa a equaccedilatildeo do tensor de Reynolds

minus119906119906prime119906119906prime = 119906119906

+

minus 119896119896119896119896 119896119896 =

119906119906prime119906119906prime (6)

O termo 119906119906 eacute caracterizado como viscosidade turbulenta

e eacute definido de acordo com os modelos de turbulecircncia a seguir Haacute diversos modelos de turbulecircncia para encontrar o termo poreacutem neste trabalho utilizaremos os modelos da famiacutelia k-ω mais especificadamente os modelos k-ω Standard e SST k-ω

21 Modelo K-ω O modelo k-ω possui como caracteriacutestica a resoluccedilatildeo da

equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta k de forma conjunta com a equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da taxa especiacutefica da dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta Geralmente ω eacute determinado como uma frequecircncia caracteriacutestica do processo de decaimento da turbulecircncia cujo inverso eacute a escala de tempo na qual a dissipaccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta ocorre Sua taxa eacute determinada pela taxa de transferecircncia de energia sobre o espectro de comprimento entatildeo ω eacute definido por grandes escalas de movimento e eacute relacionado a propriedades meacutedias de escoamento [3]

O modelo k-ω mais utilizado eacute o modelo de [4] um modelo k-ω padratildeo com as equaccedilotildees de conservaccedilatildeo abaixo

120588120588 + 120588120588

=

120583120583 +

+ 119875119875 minus 119884119884 (7)

+

120588120588119906119906 =

120583120583 +

+ 119866119866 minus 119884119884 (8)

Onde os termos 119875119875 e 119884119884 satildeo respectivamente os

termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k 119866119866 e 119884119884 satildeo respectivamente os termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta ω e a viscosidade turbulenta eacute dada na Eq 9 abaixo

120583120583 = 119886119886lowast 119886119886lowast = 119877 (9)

Onde 119886119886lowast eacute o coeficiente de amortecimento da

viscosidade turbulenta O modelo padratildeo k-ω possui bom desempenho para

escoamentos livre de cisalhamentos e escoamentos em placas planas com camada limite O modelo tambeacutem obteacutem

RMCT VOL36 Nordm4 2019 5REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

3

bons resultados para gradientes de pressatildeo adversos e escoamentos separados O modelo eacute efetivo para simulaccedilotildees de camada limite onde valores de ω proacuteximos a parede tendem ao infinito e natildeo satildeo influenciados por valores de ω na regiatildeo natildeo turbulenta [5]

Entretanto o modelo tambeacutem apresenta aspectos negativos como por exemplo uma forte dependecircncia das condiccedilotildees de contorno no escoamento livre para ω O problema pode ser evitado aplicando-se condiccedilotildees de contorno para ω em escoamento livre

22 Modelo SST K-ω O modelo utilizado no presente trabalho modelo SST k-

ω (Shear-Stress Transport k-ω) eacute amplamente utilizado em casos com separaccedilatildeo de camada limite por combinaccedilatildeo dos modelos de turbulecircncia k-ε e k-ω O modelo k-ω apresenta melhor resultados que o modelo k-ε em regiotildees proacuteximas a parede Entretanto o modelo k-ω requer uma condiccedilatildeo de contorno natildeo nula para ω para correntes livres natildeo turbulentas [6]

Contudo o modelo k-ε natildeo possui tal deficiecircncia [7] Portanto o modelo SST k-ω eacute uma combinaccedilatildeo oacutetima entre o modelo k-ω em regiotildees proacuteximas a parede independente da corrente livre e o modelo k-ε para regiotildees distantes da camada limite

Desse modo o modelo k-ε eacute modificado com a finalidade de ser descrito em termos da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo ω O modelo padratildeo k-ω e o modelo k-ε modificado satildeo multiplicados por uma funccedilatildeo de mistura e somados A funccedilatildeo de mistura F1 eacute definida como um valor uacutenico na regiatildeo interna da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ε) e eacute zero na regiatildeo distante da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ω) [2] A funccedilatildeo de mistura estaacute descrita na Eq 10 e Eq 11 abaixo

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) (10)

119905119905119886119886119905119905 = 119905119905 radiclowast

(11)

O termo CDkω eacute a parte positiva da difusatildeo cruzada e d eacute

a distacircncia ateacute a superfiacutecie mais proacutexima O termo CDkω se encontra descrito na Eq 12 abaixo

119862119862119862119862 = 2120590120590

10 (12)

A viscosidade turbulenta eacute definida de acordo com a Eq

13 e Eq 14

120583120583 = () (13)

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) 119905119905119886119886119905119905 = radiclowast

(14)

O termo 119878119878 refere ao modulo do tensor meacutedio de deformaccedilatildeo 119878119878 e o termo 119865119865 refere-se agrave funccedilatildeo de mistura para a viscosidade turbulenta para o modelo SST k-ω e 120590120590 eacute uma constante empiacuterica

A energia cineacutetica turbulenta k e a taxa de dissipaccedilatildeo especiacutefica ω pode ser obtida pela soluccedilatildeo de suas equaccedilotildees de conservaccedilatildeo em que as configuraccedilotildees para a constante 120601120601 para o modelo SST k-ω satildeo obtidas utilizando o uso de uma funccedilatildeo de mistura entre as constantes 1206011206011 (proveniente do modelo k-ω padratildeo) e 1206011206012 (proveniente do modelo k-ε padratildeo) sendo a relaccedilatildeo entre ambas as constantes dada por

120601120601 = 119865119865120601120601 + (1 minus 119865119865)120601120601 (15)

As constantes utilizadas no modelo SST k-ω estatildeo

ilustrados na Tabela 1

Tabela 1 Constantes do modelo SST K-ω

Constante 1206011206011 1206011206012

120573120573 00750 00828

120573120573lowast 009 009

120590120590 05 10

120590120590 05 0856

120590120590 0856 0856

120572120572 59 044

3 METODOLOGIA O presente trabalho consiste na construccedilatildeo da

geometria em 2D de um canal com junccedilatildeo tipo T simulando dois escoamentos um paralelo ao canal e outro transversal ao canal A geometria do canal estaacute descrita na Fig 2 As dimensotildees aqui apresentadas satildeo baseadas nas utilizadas no trabalho de [1] e estatildeo relacionadas com a largura da entrada do escoamento jato 120575120575 proveniente do trabalho de [1] O valor de 120575120575 utilizado no presente trabalho eacute constante e igual a 1 m Para a simulaccedilatildeo foi apenas considerada a razatildeo de momento de 119872119872 = 2 A geometria construiacuteda para todos os casos simulados nesse trabalho possui as mesmas dimensotildees da geometria ilustrada na Fig 2

Fig 2 Geometria utilizada no presente trabalho

6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

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1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

RMCT VOL36 Nordm4 2019 11REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

9

Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

nde a mar

gem as e

anccedila

s da ao

es e o a

dos de agrave onto onde onto osta

lho)

stras z de satildeo nto os agrave o de

accedilatildeo r os ento do eacute

por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

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RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

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Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

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como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

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8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

RMCT VOL36 Nordm4 2019 27REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

32 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 37REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

38 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

RMCT VOL36 Nordm4 2019 39REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

para operaccedilatildeo aeacuterea de Aeronave Remotamente Pilotada do Departamento de Poliacutecia Federal

Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6

quaeleacutetformseglocde

trabsejafotoinevoopro

equautrotalabcon

cargraFPVAnde conconminmAcarequ

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Para a aquisadrotor Phantotricos brushlesma como seraacute

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balho uma vezam atribuiacutedasogrametria tra

erciais e GNSSo georreferenogramaccedilatildeo e pla

Aleacutem destasuipamento posstocircnoma ou maa de voo auoratoacuterio ou ntrolador do eq

O VANT quracteriacutesticas cacircavaccedilatildeo de viacutedeoV embutido q

ndroid) atraveacutes capturar ateacute 9

ntrolar o acircnguntrolaacutevel atraveacutenutos com um

Ah que conteacutemrga restante emuipamento

Fig 3 ndash V A cacircmera uti

ma cacircmera mercialmente dande angular ar ela ter um acircntorccedilatildeo nas imresentando mui

siccedilatildeo das imaom 2 Este equss onde a velocaacute sucedido o vome que permitecaso ocorra al

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s aplicabilidadsui a liberdade anual ou seja utomaacutetica jaacute realizaacute-la de

quipamento uadrotor DJI Pacircmera natildeo-meacutetro HD 1080p emque transfere vde Wi-fi (300m80 peacutes acima ulo de inclinaeacutes do aplicativ

ma uacutenica cargam um circuitombutido A fig

VANT quadroto

ilizada pelo VAnatildeo-meacutetrica denominada Aa qual foi desenngulo de aberturmagens Possibitas vezes fotos

agens foi utiuipamento posscidade de cadaoo Eacute equipadoem que o equiplgum problema

Phantom 2 fofuncionalidade

es caracteriacutestiabilidade de vnte informaccedilotildeee imagens

os voos des em sua da realizaccedilatildeo do operador podefinida porforma manu

Phantom 2 porica FC200 intem um cartatildeo mviacutedeo no seu sm) extensor W

gimbal motoraccedilatildeo da cacircmevo Vision tema usando a ba

o inteligente e gura 3 exibe u

or DJI Phantom

ANT quadrotodenominada

Action Cams (Cnvolvida para

ura grande 140ordmbilita enquadras com aspecto a

REVISTA MILI

ilizado o VAsui quatro motoa rotor determino com recursospamento retornea teacutecnico ou pe

foi utilizado ne eacute permitido icas referentesvoo por sensoes de toda a rotae facilidade

programaccedilatildeodos voos de foode executar ur programas ual utilizando

ossui as seguinegrada 14MP c

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mpo de voo ateacuteateria LiPo 5um indicador

uma fotografia

m 2 [26]

or DJi Pantom de Viewfin

Cacircmeras de accedilfilmagens e fo

ordm apresenta graar aacutereas maioarredondado

LITAR DE CIEcircNCIA

ANT ores na a s de e ao erda

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intes com ma a OS apaz mite ente eacute 25 200 r de a do

2 eacute nder ccedilatildeo) otos ande ores

45 CoPar

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serviracriaramde feiccedilestudoa fim execuccedilestudocontrol

E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

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RMCT VOL

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cilmente identiescolhidos co

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Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

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a dos Portos no Sistema

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a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

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m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

s m a o s a

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

RMCT VOL36 Nordm4 2019 53REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

54 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

RMCT VOL36 Nordm4 2019 55REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

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56 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

RMCT VOL36 Nordm4 2019 57REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

58 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

RMCT VOL36 Nordm4 2019 59REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

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4 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Com a finalidade de comparar os escoamentos paralelo (paralelo ao canal) e jato (transversal ao canal) foi utilizado o conceito de razatildeo de momento de fluido Tal razatildeo eacute definida como funccedilatildeo da velocidade de entrada do escoamento 119880119880 aacuterea da seccedilatildeo transversal utilizada 119860119860 e a densidade 120588120588 de cada fluido dada pela Eq 3

119872119872 =

(3)

A performance do modelo de turbulecircncia utilizado para

o caso construiacutedo no presente trabalho foi avaliada por comparaccedilatildeo com os resultados numeacutericos obtidos por [1] Georgiou e Papalexandris realizaram uma simulaccedilatildeo numeacuterica utilizando ar como fluido e com 119877119877119877119877 = 119877119877119877119877119877119877 para a entrada do escoamento paralelo por meio da teacutecnica Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES) com tratamento em regiotildees proacuteximas a parede para a anaacutelise de um canal com junccedilatildeo T para escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 e 119877119877

Baseado nos estudos anteriores este trabalho apresenta resultados numeacutericos da geometria de canal com junccedilatildeo T utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω em escoamentos com razatildeo de momento 119872119872 = 2 A escolha dos modelos se deve a melhores resultados para escoamentos com separaccedilatildeo e melhor resultado para regiotildees proacuteximas a parede Os resultados obtidos foram comparados com o estudo de [1]

2 MODELAGEM MATEMAacuteTICA O escoamento atraveacutes de um canal com junccedilatildeo T no

presente trabalho eacute governado pela aplicaccedilatildeo das Equaccedilotildees RANS que descrevem o movimento de fluido incompressiacutevel Tais equaccedilotildees satildeo equaccedilotildees de conservaccedilatildeo de momento e de continuidade sendo apresentadas na Eq 4 abaixo

= 119892119892 minus

+

= 119877 (4)

O meacutetodo das equaccedilotildees meacutedias de Reynolds eacute baseado

na decomposiccedilatildeo do valor da velocidade instantacircnea na equaccedilatildeo 119906119906 = 119906119906 + 119906119906prime em que 119906119906 representa o valor da velocidade instantacircnea 119906119906 o vetor de velocidade meacutedia e 119906119906prime representa o vetor de flutuaccedilatildeo de velocidade [2] Consequentemente a equaccedilatildeo de momento meacutedio para escoamentos natildeo transientes e incompressiacuteveis eacute dada pela Eq 5 abaixo

= 119892119892 minus

+

minus 119906119906prime119906119906prime

= 119877 (5)

O termo 119906119906prime119906119906prime presente na Eq 5 eacute chamado de tensatildeo turbulenta de Reynolds e representa a influecircncia das flutuaccedilotildees de velocidade no escoamento meacutedio

Entretanto a Eq 5 natildeo representa um sistema fechado de equaccedilotildees sendo portanto necessaacuterio determinar o valor de tensatildeo turbulenta de Reynolds para fechar o sistema Para isto eacute realizada uma analogia agrave Lei de Stokes baseando-se na hipoacutetese de Boussinesq onde as tensotildees turbulentas satildeo proporcionais ao gradiente de velocidade meacutedia do escoamento A Eq 6 representa a equaccedilatildeo do tensor de Reynolds

minus119906119906prime119906119906prime = 119906119906

+

minus 119896119896119896119896 119896119896 =

119906119906prime119906119906prime (6)

O termo 119906119906 eacute caracterizado como viscosidade turbulenta

e eacute definido de acordo com os modelos de turbulecircncia a seguir Haacute diversos modelos de turbulecircncia para encontrar o termo poreacutem neste trabalho utilizaremos os modelos da famiacutelia k-ω mais especificadamente os modelos k-ω Standard e SST k-ω

21 Modelo K-ω O modelo k-ω possui como caracteriacutestica a resoluccedilatildeo da

equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta k de forma conjunta com a equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo da taxa especiacutefica da dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta Geralmente ω eacute determinado como uma frequecircncia caracteriacutestica do processo de decaimento da turbulecircncia cujo inverso eacute a escala de tempo na qual a dissipaccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta ocorre Sua taxa eacute determinada pela taxa de transferecircncia de energia sobre o espectro de comprimento entatildeo ω eacute definido por grandes escalas de movimento e eacute relacionado a propriedades meacutedias de escoamento [3]

O modelo k-ω mais utilizado eacute o modelo de [4] um modelo k-ω padratildeo com as equaccedilotildees de conservaccedilatildeo abaixo

120588120588 + 120588120588

=

120583120583 +

+ 119875119875 minus 119884119884 (7)

+

120588120588119906119906 =

120583120583 +

+ 119866119866 minus 119884119884 (8)

Onde os termos 119875119875 e 119884119884 satildeo respectivamente os

termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta k 119866119866 e 119884119884 satildeo respectivamente os termos de produccedilatildeo e destruiccedilatildeo da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo da energia cineacutetica turbulenta ω e a viscosidade turbulenta eacute dada na Eq 9 abaixo

120583120583 = 119886119886lowast 119886119886lowast = 119877 (9)

Onde 119886119886lowast eacute o coeficiente de amortecimento da

viscosidade turbulenta O modelo padratildeo k-ω possui bom desempenho para

escoamentos livre de cisalhamentos e escoamentos em placas planas com camada limite O modelo tambeacutem obteacutem

RMCT VOL36 Nordm4 2019 5REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

3

bons resultados para gradientes de pressatildeo adversos e escoamentos separados O modelo eacute efetivo para simulaccedilotildees de camada limite onde valores de ω proacuteximos a parede tendem ao infinito e natildeo satildeo influenciados por valores de ω na regiatildeo natildeo turbulenta [5]

Entretanto o modelo tambeacutem apresenta aspectos negativos como por exemplo uma forte dependecircncia das condiccedilotildees de contorno no escoamento livre para ω O problema pode ser evitado aplicando-se condiccedilotildees de contorno para ω em escoamento livre

22 Modelo SST K-ω O modelo utilizado no presente trabalho modelo SST k-

ω (Shear-Stress Transport k-ω) eacute amplamente utilizado em casos com separaccedilatildeo de camada limite por combinaccedilatildeo dos modelos de turbulecircncia k-ε e k-ω O modelo k-ω apresenta melhor resultados que o modelo k-ε em regiotildees proacuteximas a parede Entretanto o modelo k-ω requer uma condiccedilatildeo de contorno natildeo nula para ω para correntes livres natildeo turbulentas [6]

Contudo o modelo k-ε natildeo possui tal deficiecircncia [7] Portanto o modelo SST k-ω eacute uma combinaccedilatildeo oacutetima entre o modelo k-ω em regiotildees proacuteximas a parede independente da corrente livre e o modelo k-ε para regiotildees distantes da camada limite

Desse modo o modelo k-ε eacute modificado com a finalidade de ser descrito em termos da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo ω O modelo padratildeo k-ω e o modelo k-ε modificado satildeo multiplicados por uma funccedilatildeo de mistura e somados A funccedilatildeo de mistura F1 eacute definida como um valor uacutenico na regiatildeo interna da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ε) e eacute zero na regiatildeo distante da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ω) [2] A funccedilatildeo de mistura estaacute descrita na Eq 10 e Eq 11 abaixo

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) (10)

119905119905119886119886119905119905 = 119905119905 radiclowast

(11)

O termo CDkω eacute a parte positiva da difusatildeo cruzada e d eacute

a distacircncia ateacute a superfiacutecie mais proacutexima O termo CDkω se encontra descrito na Eq 12 abaixo

119862119862119862119862 = 2120590120590

10 (12)

A viscosidade turbulenta eacute definida de acordo com a Eq

13 e Eq 14

120583120583 = () (13)

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) 119905119905119886119886119905119905 = radiclowast

(14)

O termo 119878119878 refere ao modulo do tensor meacutedio de deformaccedilatildeo 119878119878 e o termo 119865119865 refere-se agrave funccedilatildeo de mistura para a viscosidade turbulenta para o modelo SST k-ω e 120590120590 eacute uma constante empiacuterica

A energia cineacutetica turbulenta k e a taxa de dissipaccedilatildeo especiacutefica ω pode ser obtida pela soluccedilatildeo de suas equaccedilotildees de conservaccedilatildeo em que as configuraccedilotildees para a constante 120601120601 para o modelo SST k-ω satildeo obtidas utilizando o uso de uma funccedilatildeo de mistura entre as constantes 1206011206011 (proveniente do modelo k-ω padratildeo) e 1206011206012 (proveniente do modelo k-ε padratildeo) sendo a relaccedilatildeo entre ambas as constantes dada por

120601120601 = 119865119865120601120601 + (1 minus 119865119865)120601120601 (15)

As constantes utilizadas no modelo SST k-ω estatildeo

ilustrados na Tabela 1

Tabela 1 Constantes do modelo SST K-ω

Constante 1206011206011 1206011206012

120573120573 00750 00828

120573120573lowast 009 009

120590120590 05 10

120590120590 05 0856

120590120590 0856 0856

120572120572 59 044

3 METODOLOGIA O presente trabalho consiste na construccedilatildeo da

geometria em 2D de um canal com junccedilatildeo tipo T simulando dois escoamentos um paralelo ao canal e outro transversal ao canal A geometria do canal estaacute descrita na Fig 2 As dimensotildees aqui apresentadas satildeo baseadas nas utilizadas no trabalho de [1] e estatildeo relacionadas com a largura da entrada do escoamento jato 120575120575 proveniente do trabalho de [1] O valor de 120575120575 utilizado no presente trabalho eacute constante e igual a 1 m Para a simulaccedilatildeo foi apenas considerada a razatildeo de momento de 119872119872 = 2 A geometria construiacuteda para todos os casos simulados nesse trabalho possui as mesmas dimensotildees da geometria ilustrada na Fig 2

Fig 2 Geometria utilizada no presente trabalho

6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

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250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

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250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

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100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

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Y+

u+

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Y+

u+

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Y+

u+

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Y+

u+

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Y+

u+

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9

Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

nde a mar

gem as e

anccedila

s da ao

es e o a

dos de agrave onto onde onto osta

lho)

stras z de satildeo nto os agrave o de

accedilatildeo r os ento do eacute

por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

16 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

REFEREcircNCIAS

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Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

RMCT VOL36 Nordm4 2019 19REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

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Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

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estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

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Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

RMCT VOL36 Nordm4 2019 35REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

38 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

RMCT VOL36 Nordm4 2019 39REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 3

digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

para operaccedilatildeo aeacuterea de Aeronave Remotamente Pilotada do Departamento de Poliacutecia Federal

Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

40 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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REVISTA MILI

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LITAR DE CIEcircNCIA

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E TECNOLOGIA

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34 Nordm3 2017

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6

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REVISTA MILI

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LITAR DE CIEcircNCIA

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E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

taccedilotildees de referecircntos de controleo izada a teacutecnicareceptor GNS

ndas portadorase 1 segundo O do como sendoprimento da ls de ambiguidque a distacircnc

e SSA ateacute osKm e 3 Km

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40 pontos de io para a exedados com coona mesma regforam aprovei

que existissematividades De

talidade foram

RMCT VOL

dos pontos do trabalho foavaliar feiccedilotildees

utos obtidos ateacutemoacutelogas no terreaacutefica do SIC

cilmente identiescolhidos co

tacionamentos etc s coordenadas ataforma onlintica (IBGE) n

Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

duas estaccedilotildees dcomo Salvad

a dos Portos no Sistema

recircncia foram de que viabiliza

a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

apoio eacute detilizado para oas foi o GNSS

m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

s m a o s a

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

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anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

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O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

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temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

ReferecircnciaS Bibliograacuteficas

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RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

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energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

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sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

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dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

Referecircncias Bibliograacuteficas[1] Rogalski A Recent progress in infrared detector technologies Infrared Phys-

ics amp Technology 54 (2011) 136ndash154[2] Gu D et al The microstructures and electrical properties of Y-Doped amor-

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 5REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

3

bons resultados para gradientes de pressatildeo adversos e escoamentos separados O modelo eacute efetivo para simulaccedilotildees de camada limite onde valores de ω proacuteximos a parede tendem ao infinito e natildeo satildeo influenciados por valores de ω na regiatildeo natildeo turbulenta [5]

Entretanto o modelo tambeacutem apresenta aspectos negativos como por exemplo uma forte dependecircncia das condiccedilotildees de contorno no escoamento livre para ω O problema pode ser evitado aplicando-se condiccedilotildees de contorno para ω em escoamento livre

22 Modelo SST K-ω O modelo utilizado no presente trabalho modelo SST k-

ω (Shear-Stress Transport k-ω) eacute amplamente utilizado em casos com separaccedilatildeo de camada limite por combinaccedilatildeo dos modelos de turbulecircncia k-ε e k-ω O modelo k-ω apresenta melhor resultados que o modelo k-ε em regiotildees proacuteximas a parede Entretanto o modelo k-ω requer uma condiccedilatildeo de contorno natildeo nula para ω para correntes livres natildeo turbulentas [6]

Contudo o modelo k-ε natildeo possui tal deficiecircncia [7] Portanto o modelo SST k-ω eacute uma combinaccedilatildeo oacutetima entre o modelo k-ω em regiotildees proacuteximas a parede independente da corrente livre e o modelo k-ε para regiotildees distantes da camada limite

Desse modo o modelo k-ε eacute modificado com a finalidade de ser descrito em termos da taxa especiacutefica de dissipaccedilatildeo ω O modelo padratildeo k-ω e o modelo k-ε modificado satildeo multiplicados por uma funccedilatildeo de mistura e somados A funccedilatildeo de mistura F1 eacute definida como um valor uacutenico na regiatildeo interna da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ε) e eacute zero na regiatildeo distante da camada limite turbulenta (modelo padratildeo k-ω) [2] A funccedilatildeo de mistura estaacute descrita na Eq 10 e Eq 11 abaixo

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) (10)

119905119905119886119886119905119905 = 119905119905 radiclowast

(11)

O termo CDkω eacute a parte positiva da difusatildeo cruzada e d eacute

a distacircncia ateacute a superfiacutecie mais proacutexima O termo CDkω se encontra descrito na Eq 12 abaixo

119862119862119862119862 = 2120590120590

10 (12)

A viscosidade turbulenta eacute definida de acordo com a Eq

13 e Eq 14

120583120583 = () (13)

119865119865 = 119905119905119905119905119905119905119905119905119905(119905119905119886119886119905119905) 119905119905119886119886119905119905 = radiclowast

(14)

O termo 119878119878 refere ao modulo do tensor meacutedio de deformaccedilatildeo 119878119878 e o termo 119865119865 refere-se agrave funccedilatildeo de mistura para a viscosidade turbulenta para o modelo SST k-ω e 120590120590 eacute uma constante empiacuterica

A energia cineacutetica turbulenta k e a taxa de dissipaccedilatildeo especiacutefica ω pode ser obtida pela soluccedilatildeo de suas equaccedilotildees de conservaccedilatildeo em que as configuraccedilotildees para a constante 120601120601 para o modelo SST k-ω satildeo obtidas utilizando o uso de uma funccedilatildeo de mistura entre as constantes 1206011206011 (proveniente do modelo k-ω padratildeo) e 1206011206012 (proveniente do modelo k-ε padratildeo) sendo a relaccedilatildeo entre ambas as constantes dada por

120601120601 = 119865119865120601120601 + (1 minus 119865119865)120601120601 (15)

As constantes utilizadas no modelo SST k-ω estatildeo

ilustrados na Tabela 1

Tabela 1 Constantes do modelo SST K-ω

Constante 1206011206011 1206011206012

120573120573 00750 00828

120573120573lowast 009 009

120590120590 05 10

120590120590 05 0856

120590120590 0856 0856

120572120572 59 044

3 METODOLOGIA O presente trabalho consiste na construccedilatildeo da

geometria em 2D de um canal com junccedilatildeo tipo T simulando dois escoamentos um paralelo ao canal e outro transversal ao canal A geometria do canal estaacute descrita na Fig 2 As dimensotildees aqui apresentadas satildeo baseadas nas utilizadas no trabalho de [1] e estatildeo relacionadas com a largura da entrada do escoamento jato 120575120575 proveniente do trabalho de [1] O valor de 120575120575 utilizado no presente trabalho eacute constante e igual a 1 m Para a simulaccedilatildeo foi apenas considerada a razatildeo de momento de 119872119872 = 2 A geometria construiacuteda para todos os casos simulados nesse trabalho possui as mesmas dimensotildees da geometria ilustrada na Fig 2

Fig 2 Geometria utilizada no presente trabalho

6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

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-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

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-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

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01 1 10 100 1000

Y+

u+

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Y+

u+

RMCT VOL36 Nordm4 2019 11REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

9

Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

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por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

16 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

REFEREcircNCIAS

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RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

18 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

RMCT VOL36 Nordm4 2019 19REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 3

como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

24 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

RMCT VOL36 Nordm4 2019 25REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 9

Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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10 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

30 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

32 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL xx Nordmx 20xx

Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

RMCT VOL36 Nordm4 2019 35REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 37REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

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digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

para operaccedilatildeo aeacuterea de Aeronave Remotamente Pilotada do Departamento de Poliacutecia Federal

Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

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iacutesico blica o da BA

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OstrabalhOndinaaproximda FedO plancampi como

Fig

(2019)

4 MO t

aacuterea qBahia cartogrdo Salvpresent

ParprincipidentifielaboraconstitucalibraVANThomoacutelo

E TECNOLOGIA

l instituiccedilatildeo eacutentes sendo 9accedilatildeo na sede duista e doze nos

campi da Uho contemplama Federaccedilatildeo mada de 3000

deraccedilatildeo ao nortno diretor da em cinco zon

Zona I ndash OnZona II ndashLetras InfoZona III ndash OZona IV ndashSociais Zona V ndashEsporte e L

g 1 ndash Mapa

METODOLOG

trabalho realizque compreend

(UFBA) a paraacutefica do Sistemvador (SICADte data (2019) ra a sua elaborapais A primficaccedilatildeo das priaccedilatildeo dos planotuiu nas atividaccedilatildeo manual cacircT quadrotor eogas entre as f

eacute caracterizad94 destes corde Salvador ses campi de Barr

UFBA em quem as aacutereas cor

e Satildeo Laacutez000msup2 com extte e pela AveniUFBA realiz

nas diferentes

ndinaFederaccedilatildeOndina Centr

ormaccedilatildeo Ondina Sul Sauacute

OndinaSatildeo L

OndinaOrla azer

de Localizaccedil

IA ado consiste nde os campi dartir dos elemema Cartograacutefic

D) elaborado n accedilatildeo o projeto

meira etapa incipais mudans de voos para dades de camacircmera tomada e agrave coleta dafotografias obtid

RMCT VOL

da por possuirrespondentes eis nos campi reiras e foram desenrrespondentes zaro possuindtensotildees que paida Ademar dezado em 2008 sendo estas

atildeo Ciecircncias e Ttro Artes C

auacutede AnimalBiLaacutezaro Ciecircnci

Educaccedilatildeo Ed

ccedilatildeo Fonte A

na atualizaccedilatildeo cda Universida

mentos que comco e Cadastral

no ano de 2006

o foi dividido emconsistiu na nccedilas na aacuterea estes locais A

mpo realizadasdas fotografiasas coordenadaidas e da base c

34 Nordm3 2017

ir 112 cursosa cursos dede Vitoacuteria da

nvolvidos esteao campus dedo uma aacutereaartem do bairroe Barros ao sul8 divide estes

caracterizadas

Tecnologias Comunicaccedilatildeo

iodiversidade as Humanas e

ducaccedilatildeo Fiacutesica

Autoria proacutepria

cartograacutefica dade Federal dampotildeem a base

do Municiacutepio6 vigente ateacute a

m cinco etapasavaliaccedilatildeo e

de estudo e aA segunda etapas referentes agraves com o uso deas de feiccedilotildeescartograacutefica do

s e a

e e a o s s

e

a

a a e o a

s e a a agrave e s o

RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6

quaeleacutetformseglocde

trabsejafotoinevoopro

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cargraFPVAnde conconminmAcarequ

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Para a aquisadrotor Phantotricos brushlesma como seraacute

guranccedila go homcal de origem sinal O VANT qu

balho uma vezam atribuiacutedasogrametria tra

erciais e GNSSo georreferenogramaccedilatildeo e pla

Aleacutem destasuipamento posstocircnoma ou maa de voo auoratoacuterio ou ntrolador do eq

O VANT quracteriacutesticas cacircavaccedilatildeo de viacutedeoV embutido q

ndroid) atraveacutes capturar ateacute 9

ntrolar o acircnguntrolaacutevel atraveacutenutos com um

Ah que conteacutemrga restante emuipamento

Fig 3 ndash V A cacircmera uti

ma cacircmera mercialmente dande angular ar ela ter um acircntorccedilatildeo nas imresentando mui

siccedilatildeo das imaom 2 Este equss onde a velocaacute sucedido o vome que permitecaso ocorra al

uadrotor DJI z que em sua s as seguinteadicional esta altura constannciamento deanejamento do

s aplicabilidadsui a liberdade anual ou seja utomaacutetica jaacute realizaacute-la de

quipamento uadrotor DJI Pacircmera natildeo-meacutetro HD 1080p emque transfere vde Wi-fi (300m80 peacutes acima ulo de inclinaeacutes do aplicativ

ma uacutenica cargam um circuitombutido A fig

VANT quadroto

ilizada pelo VAnatildeo-meacutetrica denominada Aa qual foi desenngulo de aberturmagens Possibitas vezes fotos

agens foi utiuipamento posscidade de cadaoo Eacute equipadoem que o equiplgum problema

Phantom 2 fofuncionalidade

es caracteriacutestiabilidade de vnte informaccedilotildeee imagens

os voos des em sua da realizaccedilatildeo do operador podefinida porforma manu

Phantom 2 porica FC200 intem um cartatildeo mviacutedeo no seu sm) extensor W

gimbal motoraccedilatildeo da cacircmevo Vision tema usando a ba

o inteligente e gura 3 exibe u

or DJI Phantom

ANT quadrotodenominada

Action Cams (Cnvolvida para

ura grande 140ordmbilita enquadras com aspecto a

REVISTA MILI

ilizado o VAsui quatro motoa rotor determino com recursospamento retornea teacutecnico ou pe

foi utilizado ne eacute permitido icas referentesvoo por sensoes de toda a rotae facilidade

programaccedilatildeodos voos de foode executar ur programas ual utilizando

ossui as seguinegrada 14MP c

micro SD sistemsmartphone (iO

Wi-fi incluiacutedo caizado que permera manualme

mpo de voo ateacuteateria LiPo 5um indicador

uma fotografia

m 2 [26]

or DJi Pantom de Viewfin

Cacircmeras de accedilfilmagens e fo

ordm apresenta graar aacutereas maioarredondado

LITAR DE CIEcircNCIA

ANT ores na a s de e ao erda

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intes com ma a OS apaz mite ente eacute 25 200 r de a do

2 eacute nder ccedilatildeo) otos ande ores

45 CoPar

anaacutelisefacilmeforma agraves fotelemenprodutofeiccedilotildeesinterce

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A pcoordeanaacutelise

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E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

taccedilotildees de referecircntos de controleo izada a teacutecnicareceptor GNS

ndas portadorase 1 segundo O do como sendoprimento da ls de ambiguidque a distacircnc

e SSA ateacute osKm e 3 Km

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40 pontos de io para a exedados com coona mesma regforam aprovei

que existissematividades De

talidade foram

RMCT VOL

dos pontos do trabalho foavaliar feiccedilotildees

utos obtidos ateacutemoacutelogas no terreaacutefica do SIC

cilmente identiescolhidos co

tacionamentos etc s coordenadas ataforma onlintica (IBGE) n

Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

duas estaccedilotildees dcomo Salvad

a dos Portos no Sistema

recircncia foram de que viabiliza

a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

apoio eacute detilizado para oas foi o GNSS

m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

s m a o s a

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

RMCT VOL36 Nordm4 2019 53REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

54 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

RMCT VOL36 Nordm4 2019 55REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

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RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

RMCT VOL36 Nordm4 2019 57REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

58 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

RMCT VOL36 Nordm4 2019 59REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

Referecircncias Bibliograacuteficas[1] Rogalski A Recent progress in infrared detector technologies Infrared Phys-

ics amp Technology 54 (2011) 136ndash154[2] Gu D et al The microstructures and electrical properties of Y-Doped amor-

phous vanadium oxide thin films Infrared Physics amp Technology 81 (2017) 64-68

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[4] Li Y et al Effects of zirconium ions doping on the structural and thermo-chromics properties of VO2 thin films Journal of Electronic Materials v 46 (2017) n 11

[5] Karthikeyan M e Um S Structural and low temperature electrical transport properties of Mo-doped vanadium oxide NTC ceramic thin films Journal of Alloys and Compounds n 695 (2017) pp 1770-1777

[6] Medeiro R A Produccedilatildeo de filmes finos de VOx por pulverizaccedilatildeo catoacutedicreati-

va 2009 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias) Instituto Militar de Engenharia (IME)

[7] Nayak M K et al Sputter-deposited low reflectance vanadium oxide-molyb-denum oxide thin films on silicon Infrared Physics and Technoology v 85 (2017) p 273-279

[8] Dey A et al Nanocolumnar crystalline vanadium oxide-molybdenum oxide antireflective smart thin films with superior nanomechanical properties Sci Rep 6 36811 doi 101038srep 36811 (2016)

[9] Hryha et al Stoichiometric vanadium oxides studied by XPS Surface and Interface Analysis ECASIA Special Issue Paper 2011

[10] Spevac PA e McIntyre Thermal Reduction of MoO3 J Phys Chem 1992 96 9029-9035

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6 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Fig 3 Geometria 3D utilizada no trabalho de [1]

A geometria descrita na Fig 2 difere da geometria

na Fig 3 em sua dimensatildeo onde no presente trabalho eacute analisado em duas dimensotildees e no afastamento entre a entrada do escoamento paralelo e a entrada do escoamento jato e entre a junccedilatildeo T e a entrada do escoamento jato No presente trabalho ambos os afastamentos entre as entradas dos escoamentos possuem valor de 100120575120575 e a espessura do canal eacute de 012 m Tal afastamento entre as entradas eacute necessaacuterio para o escoamento se tornar plenamente desenvolvido

A presente simulaccedilatildeo foi realizada no software ANSYS FLUENTreg com a velocidade de entrada do escoamento paralelo 1 ms e pressatildeo de saiacuteda de ambos os escoamentos eacute igual a 0 Pa e viscosidade cinemaacutetica do fluido de 0000111 msup2 s O ponto de origem estaacute localizado no veacutertice da entrada do escoamento jato Para a razatildeo de momento 119872119872 = 2 a velocidade de entrada do escoamento jato eacute igual a velocidade de entrada do escoamento paralelo de 1 ms O nuacutemero de Reynolds utilizado neste trabalho eacute de 15000 na entrada do escoamento paralelo o mesmo utilizado no trabalho de [1] O domiacutenio da simulaccedilatildeo encontra-se ilustrado tambeacutem na Fig 2 onde A eacute a entrada do escoamento paralelo B satildeo as paredes do canal C a entrada do escoamento jato e D a saiacuteda do escoamento jaacute misturado

Todos os casos simulados no presente trabalho utilizam o meacutetodo de volumes finitos para discretizar as equaccedilotildees de governo O esquema de interpolaccedilatildeo utilizado eacute QUICK [8] e o esquema SIMPLE [9] foi utilizado no acoplamento de pressatildeo e velocidade Para a resoluccedilatildeo do Sistema de equaccedilotildees lineares foi utilizada a teacutecnica Multigrid [10] Para o problema foram utilizadas 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω e 1000000 iteraccedilotildees para o modelo k-ω Standard devido ao uacuteltimo modelo levar mais iteraccedilotildees para a convergecircncia Ambos os modelos foram considerados convergidos quando todos os resiacuteduos foram menores que 10-12

Foram analisados os resultados para 5 malhas diferentes para cada modelo de turbulecircncia com 200000 400000 e 700000 1000000 e 1503400 elementos cada malha De modo geneacuterico todas as malhas utilizadas na simulaccedilatildeo podem ser ilustradas conforme a Fig 4 e mais detalhadamente na Fig 5 As malhas presentes neste estudo foram refinadas nas

regiotildees proacuteximas agraves paredes e nos veacutertices do canal de entrada do escoamento jato

A escolha das regiotildees foi baseada nos estudos de [1] [11] [12] e [13] nos quais apresentaram o aparecimento de bolhas de recirculaccedilatildeo nos veacutertices da entrada do escoamento jato

Fig 4 Malha padratildeo utilizada na simulaccedilatildeo do presente

trabalho

Fig 5 Detalhe da malha na entrada do escoamento jato

Para analisar a convergecircncia do resultado foi utilizado o

perfil do componente de velocidade meacutedia ū na direccedilatildeo x e a distribuiccedilatildeo do coeficiente de pressatildeo 119862119862 calculado pela Eq 16

119862119862 =

(16)

Onde 119901119901 eacute a pressatildeo estaacutetica e 119901119901 eacute a pressatildeo na

corrente livre no ponto x = -05 m para os resultados de 100000 200000 400000 600000 800000 e 1000000 iteraccedilotildees para cada malha para o modelo k-ω standard e somente 100000 200000 400000 e 500000 iteraccedilotildees para o modelo SST k-ω

Todas as malhas apresentaram o mesmo resultado portanto na anaacutelise dos resultados foram comparados os dados obtidos com a malha de 1503400 elementos por possuir maior precisatildeo computacional

Na Fig 6 estatildeo ilustrados os graacuteficos de convergecircncia do modelo k-ω Standard para o perfil de coeficiente de pressatildeo e perfil de ū para a entrada do escoamento paralelo

Nota-se que para o graacutefico de coeficiente de pressatildeo 119862119862 as iteraccedilotildees acima de 200000 possuem resultados anaacutelogos e para o graacutefico de perfil de 119906119906 eacute imperceptiacutevel quaisquer mudanccedilas no resultado uma vez que o resultado jaacute estaacute convergido para 200000 iteraccedilotildees De forma anaacuteloga o mesmo ocorre para o modelo SST k-ω

RMCT VOL36 Nordm4 2019 7REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a)

(b)

Fig 6 Graacuteficos de perfil de 119862119862 (a) e ū (b) para o modelo k-ω Standard para a entrada do escoamento paralelo para vaacuterios nuacutemeros de iteraccedilotildees

4 RESULTADOS Os resultados obtidos nas simulaccedilotildees do presente

trabalho foram calculados atraveacutes dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω Standard Os resultados foram comparados com a simulaccedilatildeo LES realizada por [1] por meio de software proacuteprio Nesta seccedilatildeo importantes paracircmetros satildeo discutidos como tamanho de bolha de recirculaccedilatildeo perfil de componente de velocidade ū na direccedilatildeo x e produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K linhas de corrente e perfil de velocidade adimensional u+

41 Linhas de Corrente e tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

O estudo das linhas de corrente da velocidade meacutedia dos escoamentos presentes no canal T eacute de fundamental importacircncia uma vez que por meio de sua anaacutelise pode-se identificar o comportamento dos escoamentos por exemplo zonas de mistura e camadas de separaccedilatildeo dos escoamentos Na Fig 7 encontram-se ilustradas as linhas de corrente encontradas no trabalho de [1] (a) e a do atual trabalho (b)

(a)

(b)

(c)

Fig 7 Linhas de corrente ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω Standard (c)

Importantes caracteriacutesticas do escoamento satildeo ilustradas na Fig 7 De acordo com [1] para o escoamento paralelo o perfil de velocidade permanece inalterado antes da entrada do escoamento jato Entretanto a partir da entrada do escoamento jato as linhas de corrente do escoamento paralelo se curvam na direccedilatildeo vertical de forma a contornar o escoamento jato uma vez que o escoamento paralelo natildeo consegue transpassar o escoamento jato

O mesmo ocorre para o escoamento jato Tal escoamento natildeo penetra o escoamento paralelo e portanto se curva ateacute se encontrar paralelo ao canal A mudanccedila de direccedilatildeo do escoamento jato gera a bolha de recirculaccedilatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato

As caracteriacutesticas previamente descritas estatildeo presentes no trabalho de [1] e no presente trabalho Na Fig 7 (b) e (c) a camada entre o escoamento paralelo e jato pode ser melhor visualizada Na Fig 7 (a) eacute possiacutevel verificar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo presente no trabalho de [1] a qual se estende ateacute um valor de aproximadamente x = 5 m Para avaliar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo o graacutefico de tensatildeo de cisalhamento dado pela Eq 17 abaixo

120591120591 120583120583 (17)

Onde 120583120583 eacute a viscosidade dinacircmica e o gradiente da velocidade meacutedia na direccedilatildeo y quando y = 0 A tensatildeo de cisalhamento na parede inferior do canal foi calculada e estaacute ilustrada na Fig 8 abaixo

Fig 8 Graacutefico de Tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede

inferior do canal para ambos os modelos SST k-ω e k-ω Standard

000

050

100

150

200

250

190 210 230 250 270 290

Y [m

]

CP

000

050

100

150

200

250

000 050 100 150

Y[m

]

ū [ms]

000

050

100

000 500 1000

τ[P

a]

X [m]

8 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA6 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

Eacute possiacutevel analisar o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo por meio da Fig 8 Na regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo a tensatildeo de cisalhamento na parede inferior eacute diferente de zero Dessa forma a bolha de recirculaccedilatildeo compreende a distacircncia de x = 0 m onde a separaccedilatildeo da camada limite do escoamento ocorre ateacute aproximadamente x = 5 m para o modelo SST k-ω e x = 6 m para o modelo k-ω standard onde ocorre o colapso da camada limite do escoamento Em comparaccedilatildeo com a literatura o modelo de turbulecircncia que descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo eacute o modelo SST k-ω

42 Contorno do campo da magnitude da velocidade meacutedia

A Fig 9 apresenta a comparaccedilatildeo do contorno do campo de magnitude da velocidade entre o trabalho de [1] e a presente simulaccedilatildeo A magnitude da velocidade meacutedia eacute dada pela Eq18

119906119906 119906 119906119906 119906119906 119906 +119906 119907119907 119906) (18)

Para ambos os resultados foi encontrada uma segunda

bolha de recirculaccedilatildeo no veacutertice a montante da entrada do escoamento jato As duas estruturas tambeacutem foram encontradas nos resultados de [14] e [15] e satildeo tiacutepicas de jatos em escoamentos paralelos natildeo confinados No trabalho de [16] foram encontradas as mesmas caracteriacutesticas de escoamento para canal em T

(a)

(b)

(c)

Fig 9 Contorno de velocidade meacutedia ao longo do canal para o modelo LES (a) modelo SST k-ω (b) e o modelo k-ω

Standard

Analisando a Fig 9 acima eacute possiacutevel observar a similaridade entre ambos os resultados Adicionalmente um aumento progressivo na magnitude da velocidade a partir da entrada do escoamento jato no canal pode ser verificado Tal aumento da velocidade eacute explicado por meio

da reduccedilatildeo da aacuterea seccional do escoamento paralelo devido ao efeito Venturi

O escoamento jato tambeacutem possui uma forte aceleraccedilatildeo ao contornar o escoamento paralelo uma vez que o escoamento jato eacute limitado na parte superior pelo escoamento paralelo e na parte inferior pela bolha de recirculaccedilatildeo tambeacutem reduzindo sua aacuterea transversal e aumentando sua aceleraccedilatildeo atraveacutes do efeito Venturi

Tambeacutem eacute possiacutevel observar uma segunda bolha de recirculaccedilatildeo a montante da entrada do escoamento jato para todas as situaccedilotildees analisadas O aparecimento de tal bolha pode ser explicado por meio do gradiente adverso de pressatildeo presente na regiatildeo da segunda bolha de recirculaccedilatildeo

43 Perfis de velocidade meacutedia Os perfis da componente de velocidade meacutedia ū na

direccedilatildeo x estatildeo descritos na Fig 10 onde se encontram a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de velocidade encontrados no presente trabalho por meio do modelo estacionaacuterio SST k-ω e k-ω Standard e do trabalho de [1] por meio do modelo transiente LES

(a) X = -229 m (b) X = -05 m (c) X = 161 m

(c) X = 412 m (d) X = 885 m (e) X = 1264 m

Fig 10 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de componente de velocidade meacutedia ū entre o modelo utilizado por [1] e os modelos

utilizados no presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

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-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

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-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

ū [ms]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 9REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 7

A Fig 10 apresenta os perfis de ū ao longo do canal Para x = -229 m a regiatildeo da entrada do escoamento paralelo mostra um perfil simeacutetrico de velocidade tiacutepico de escoamento plenamente desenvolvido para todos os modelos simulados Ao avanccedilar para a regiatildeo de entrada do escoamento jato tal simetria eacute perdida

No comeccedilo da regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo para x = 161 m o perfil da velocidade meacutedia eacute tiacutepico de perfis de velocidade meacutedia representando bolhas de recirculaccedilatildeo Apoacutes a regiatildeo da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 412 m o reestabelecimento do escoamento tiacutepico de um canal ocorre entretanto para todos os modelos analisados tal reestabelecimento ocorre de forma mais lenta

Dessa forma eacute possiacutevel verificar a concordacircncia dos resultados obtidos pelos modelos SST k-ω e k-ω standard com os resultados do modelo LES

44 Perfis de Produccedilatildeo de Energia Cineacutetica Turbulenta

Os perfis da produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta 119875119875 obtidos pela Eq 19 abaixo

119875119875 119875 119875lang119906119906119906119906rang langrang

(19) onde 119906119906 eacute o componente da velocidade meacutedia descrito em notaccedilatildeo indicial e 119906119906 eacute a velocidade flutuante em notaccedilatildeo indicial estatildeo descritos na Fig 11 Nela encontra-se a comparaccedilatildeo dos graacuteficos de perfis de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta encontrados no presente trabalho atraveacutes dos modelos estacionaacuterios k-ω standard SST k-ω e do trabalho de [1] atraveacutes do modelo transiente LES

(a) X = -05 m (b) X = 021 m (c) X = 294 m

(d) X = 412 m (c) X = 1264 m

Fig 11 Graacuteficos de comparaccedilatildeo de perfis de produccedilatildeo de K entre o modelo utilizado por [1] e os modelos utilizados no

presente trabalho para diferentes localizaccedilotildees no canal

Os resultados obtidos no presente trabalho estatildeo em acordo com os resultados obtidos pela simulaccedilatildeo LES Entretanto para regiotildees proacuteximas a parede superior e inferior do canal os modelos estacionaacuterios k-ω calculados encontraram altos valores de energia cineacutetica turbulenta K nas regiotildees de parede em comparaccedilatildeo com o modelo transiente LES Especificadamente o modelo k-ω Standard encontrou valores maiores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta proacuteximas a parede especialmente na parede superior do canal

Adicionalmente os valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta K negativos encontrados por [1] natildeo foram verificados nas simulaccedilotildees realizadas no presente trabalho Entretanto os altos valores de produccedilatildeo de energia cineacutetica K em x = 021 m e x = 294 m coincidem com a localizaccedilatildeo da camada de cisalhamento entre os escoamentos paralelo e jato Isso leva agrave conclusatildeo de que a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta eacute proveniente precisamente da regiatildeo de cisalhamento entre os escoamentos Tal fato tambeacutem eacute encontrado no estudo de [1]

44 Perfis de Velocidade u+ A Fig 12 abaixo mostra a comparaccedilatildeo entre os perfis de

119906119906 em funccedilatildeo de 119910119910 na parede inferior do canal dos modelos SST k-ω e k-ω standard calculados no presente trabalho e do modelo LES da literatura em trecircs diferentes regiotildees de escoamento uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato em x = -43 m uma regiatildeo apoacutes a entrada do escoamento jato e a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 866 m e outra regiatildeo mais distante da bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

O termo 119906119906 eacute dado na Eq 20 abaixo

119906119906 119875

(20)

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

000

050

100

150

200

250

-100 100 300

Y [m

]

P [Wmsup3]

10 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2019

O termo 119910119910 eacute calculado pela Eq 21 abaixo

119910119910 = 119910119910 (21)

Onde 119906119906 eacute a velocidade de atrito do escoamento na

parede do canal e 120584120584 viscosidade cinemaacutetica

(a) X = -43 m

(b) X = 866 m

(c) X = 1264 m

Fig 12 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede inferior do canal

De acordo com os resultados mostrados na Fig 12 (a) o perfil de velocidade 119906119906 dos modelos SST k-ω e k-ω standard em x = -43 m estatildeo de acordo com a lei da parede teoacuterica juntamente com o modelo LES Isto eacute esperado pois nessa localizaccedilatildeo o escoamento natildeo eacute afetado pelo escoamento jato Adicionalmente a concordacircncia com a lei da parede indica a boa qualidade dos resultados aqui apresentados

Os resultados dos modelos SST k-ω e k-ω standard na regiatildeo mais proacutexima agrave bolha de recirculaccedilatildeo na Fig 12 (b) x = 866 m desviam consideravelmente da lei da parede teoacuterica Especificadamente todos os modelos aqui ilustrados apresentam um ponto de inflexatildeo na regiatildeo logariacutetmica Tal fato eacute tiacutepico de escoamentos internos limitados por paredes com grandes zonas de separaccedilatildeo e

sua ocorrecircncia se deve a gradientes de pressatildeo adversos que se formam apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo como especificado por [1]

Analisando a Fig 12 (c) pode ser tambeacutem observado desvio da lei da parede teoacuterica na regiatildeo em x = 1264 m entretanto o desvio eacute menor em comparaccedilatildeo com a regiatildeo em x = 866 m Tal comportamento confirma que apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os resultados obtidos por ambos os modelos ambos ilustraram resultados anaacutelogos apresentando dados muito proacuteximos aos resultados obtidos pelo modelo LES e proacuteximo agrave lei da parede teoacuterica

A Fig 13 mostra perfis de 119906119906 na parede superior do canal em trecircs diferentes regiotildees uma regiatildeo antes da entrada do escoamento jato no canal em x = -43 m uma regiatildeo proacutexima agrave entrada do escoamento jato no canal em x = 021 m e uma regiatildeo distante da entrada do escoamento jato e apoacutes a bolha de recirculaccedilatildeo em x = 1264 m

(a) X = -43 m

(b) X = 021 m

(c) X = 1264 m

Fig 13 Comparaccedilatildeo entre perfis de u+ entre a teacutecnica LES e os modelos SST k-ω e k-ω Standard na parede superior do canal

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

000

500

1000

1500

2000

2500

01 1 10 100 1000

Y+

u+

RMCT VOL36 Nordm4 2019 11REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL 34 Nordm3 2019 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

9

Como no caso da parede inferior do canal previamente descrito na Fig 13 (a) em x = -43 m o perfil de 119906119906 na parede superior do canal segue a lei da parede teoacuterica Entretanto na segunda regiatildeo representada pela Fig 13 (b) em x = 021 m o desvio da lei da parede teoacuterica eacute maior Poreacutem 119906119906 manteacutem um pequeno crescimento na regiatildeo logariacutetmica Tal comportamento pode ser verificado em todos os modelos presente no trabalho e portanto estaacute de acordo com a literatura e eacute atribuiacutedo a fortes gradientes de pressatildeo favoraacuteveis provenientes do efeito Venturi ou seja diminuiccedilatildeo da aacuterea de passagem do escoamento e a consequente aceleraccedilatildeo do mesmo

De modo anaacutelogo agrave parede inferior na Fig 13 (c) o desvio da lei da parede teoacuterica que existe na regiatildeo em x = 1264 m eacute menor que em x = 866 m confirmando apoacutes uma distacircncia consideraacutevel da entrada do escoamento jato e da bolha de recirculaccedilatildeo que o escoamento plenamente desenvolvido em um canal seraacute reestabelecido

Comparando os perfis de cada um dos modelos de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard os resultados satildeo anaacutelogos tanto para a parede inferior quanto para a parede superior Tal fato eacute explicado pelo modelo de turbulecircncia SST k-ω utilizar o modelo k-ω standard para regiotildees do escoamento proacuteximo a parede e portanto obter os mesmos resultados para tais regiotildees proacuteximas a parede Pode-se confirmar que para regiotildees proacuteximas a parede modelos da famiacutelia k-ω aqui analisados obtiveram oacutetimos resultados

5 Conclusatildeo

No presente trabalho foram utilizados os modelos de turbulecircncia baseados nas equaccedilotildees meacutedias de Reynolds (RANS) modelos SST k-ω e k-ω standard para analisar o escoamento turbulento em um canal com junccedilatildeo T possuindo dois escoamentos um escoamento paralelo ao canal e outro escoamento jato perpendicular ao canal Os resultados foram comparados com os estudos realizados por [1] utilizando o modelo Simulaccedilatildeo de Grandes Escalas (LES)

O presente trabalho encontrou duas bolhas de recirculaccedilatildeo uma bolha primaacuteria a jusante da entrada do escoamento jato e outra bolha secundaacuteria menor a montante do escoamento jato Os mesmos resultados foram encontrados por [1]

O tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo primaacuteria foi verificado por meio da anaacutelise da tensatildeo de cisalhamento ao longo da parede inferior do canal Foi verificado que o modelo SST k-ω descreve com maior exatidatildeo o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo em comparaccedilatildeo com o modelo k-ω standard

Os resultados obtidos utilizando o modelo de turbulecircncia SST k-ω e k-ω standard em sua maioria estatildeo de acordo com os encontrados por [1] Entretanto a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta na regiatildeo da parede superior foi maior nos modelos k-ω em comparaccedilatildeo com o resultado encontrado na simulaccedilatildeo LES Adicionalmente tambeacutem natildeo foi perceptiacutevel a produccedilatildeo de energia cineacutetica turbulenta negativa como encontrado pela literatura

Os resultados apresentados para os modelos analisados indicam que ambos os modelos SST k-ω e k-ω standard apresentam oacutetimos resultados para regiotildees proacuteximas a parede Entretanto para regiotildees com separaccedilatildeo de escoamento o modelo SST k-ω obteve melhores resultados especificadamente devido agrave maior exatidatildeo para o tamanho da bolha de recirculaccedilatildeo

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12 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos baseada em caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno

Nadjane C de Almeida Carlos Frederico de Saacute Volotatildeo Karla dos S T

1 Instituto Militar de Engenharia (IME) Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha

Rio de Janeiro RJ Brasil volotatildeoimeebbr

RESUMO Neste artigo eacute apresentado um meacutetodo de detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees baseado em caracteriacutesticas de contexto e caracteriacutesticas de comparaccedilatildeo de formato de contorno dos alvos (embarcaccedilotildees) detectados em imagens provenientes de sensores oacutepticos orbitais a partir da aplicaccedilatildeo de filtros de detecccedilatildeo de bordas O meacutetodo utiliza essas caracteriacutesticas como descritores e os submete a um processo de classificaccedilatildeo por rede neural artificial Foi avaliado quanto agrave precisatildeo abrangecircncia e medida F1 Em estudo de caso em que foram utilizadas imagens com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros a meacutedia dos resultados do meacutetodo para a medida F1 foi de 949 sendo que a precisatildeo meacutedia foi de 9219 e a abrangecircncia meacutedia foi de 100 ie todas as embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte presentes nas imagens foram detectadas As falhas de precisatildeo ocorreram em virtude de falsos positivos provocados por pequenas ilhas O meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees fundeadas juntas e atracadas ao cais

ABSTRACT This paper presents a ship detection method based on context characteristics and contour shape comparison characteristics of targets (ships) detected on images from orbital optical sensors by applying edge detection filters The method uses these characteristics as descriptors and applies them to a classification process based on artificial neural network It was evaluated by precision and recall and F1-measure On a case study using images with 5 meters spatial resolution the average method result was 949 for F1-measure 9219 for precision and 100 for recall ie all ships of medium and large size were detected on the images Failures on precision have occurred due to false positives caused by small islands The method was able to detect ships in harbor and ships that are at anchor beside another one

PALAVRAS-CHAVE Detecccedilatildeo de Embarcaccedilotildees Imagens Oacutepticas Redes Neurais Artificiais Anaacutelise de Forma KEYWORDS Ship Detection Optical Image Artificial Neural

Network Shape Analysis

1 INTRODUCcedilAtildeO A extraccedilatildeo de recursos provenientes do mar e o transporte

em vias navegaacuteveis representam importantes fontes de riquezas para paiacuteses costeiros O controle do traacutefego mariacutetimo eacute fundamental para a garantia da soberania nacional proteccedilatildeo da Zona Econocircmica Exclusiva (ZEE) busca e salvamento no mar e repressatildeo agrave pirataria e agrave pesca ilegal Para o monitoramento de aacutereas mariacutetimas extensas eacute bastante adequado o uso de sensores orbitais oacutepticos tendo em vista que os avanccedilos tecnoloacutegicos vecircm proporcionando o aumento do nuacutemero de sensores disponiacuteveis a reduccedilatildeo do tempo de revisita alta resoluccedilatildeo espacial das imagens e possibilidade de acesso em tempo real A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens oacutepticas aplica-se agrave esfera comercial e militar oferecendo contribuiccedilatildeo a sistemas de acompanhamento e controle de traacutefego mariacutetimo

A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos na maioria dos meacutetodos eacute realizada em duas fases [1] 1) extraccedilatildeo de navios (alvos) candidatos a partir das variaccedilotildees de intensidade provocadas pelo contraste entre a embarcaccedilatildeo e a aacutegua e do rastro deixado por embarcaccedilotildees em movimento e 2) anaacutelise e verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos A maioria dos meacutetodos realiza a extraccedilatildeo das aacutereas que contenham navios candidatos por meio da segmentaccedilatildeo da imagem utilizando teacutecnicas como a detecccedilatildeo de bordas [2][3] transformada de Fourier [4] e segmentaccedilatildeo por saliecircncia [5][6] Outros meacutetodos fazem a extraccedilatildeo dos navios candidatos por meio da detecccedilatildeo de cantos [7] ou de rede neural convolucional [8] Fatores como ondas navios parcialmente encobertos por nuvens ou proacuteximos de cais e de ilhas ou fundeados a contrabordo de outro navio representam os principais desafios desta fase

A verificaccedilatildeo dos alvos extraiacutedos fase destinada agrave eliminaccedilatildeo dos falsos positivos eacute realizada por meio de abordagens que levam em consideraccedilatildeo a) caracteriacutesticas de

textura [2] b) outros dados contextuais [3]-[5][9][10] e c) caracteriacutesticas de contorno [6][7] A maioria dos meacutetodos utiliza um classificador supervisionado previamente treinado com um conjunto de amostras das caracteriacutesticas (abc) de navios e de planos de fundo (background) Alguns dos classificadores mais utilizados na detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees satildeo Maacutequina de vetor suporte SVM [2][7][8] AdaBoost [5] floresta aleatoacuteria (random forest) [6] Outras abordagens baseadas em histograma orientado a gradiente (HOG) [4] e probabilidade Gaussiana [9] tambeacutem satildeo utilizadas para eliminar falsos positivos

Neste artigo eacute proposto um meacutetodo que tem por objetivo detectar embarcaccedilotildees em imagens de sensores orbitais oacutepticos a partir de caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno utilizando segmentaccedilatildeo matriz de descritores e rede neural artificial e oferecendo algumas contribuiccedilotildees para o tema I) implementa a segmentaccedilatildeo em uma sequecircncia de passos destinados a solucionar problemas dos meacutetodos anteriores (falhas de detecccedilatildeo em imagens onde a segmentaccedilatildeo eacute complexa) suavizando interferecircncias causadas por ondas e permitindo a extraccedilatildeo de navios em vizinhanccedila com niacutevel de cinza similar II) a matriz eacute formada por quantidade reduzida de descritores em relaccedilatildeo a meacutetodos anteriores III) os descritores consideram informaccedilotildees de contexto do alvo para contribuir na remoccedilatildeo de falsos alarmes e IV) utiliza um classificador robusto flexiacutevel e capaz de extrair informaccedilatildeo mesmo em padrotildees ruidosos e de fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas diferentemente do SVM que classifica padrotildees distintos em pares que aprende por experiecircncia

O meacutetodo proposto eacute apresentado na seccedilatildeo 2 que detalha os procedimentos adotados para a extraccedilatildeo das embarcaccedilotildees candidatas a obtenccedilatildeo dos descritores e a eliminaccedilatildeo de falsos positivos A seccedilatildeo 3 demonstra um estudo de caso de aplicaccedilatildeo do meacutetodo abordando materiais utilizados paracircmetros de configuraccedilatildeo avaliaccedilatildeo e comparaccedilotildees Os

RMCT VOL36 Nordm4 2019 13REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

2

rescon

2

comlargdo satildeotexentapros

21

canprinprodesdetlinhfiltsofcasda fatoCenemporde

sultados satildeo nsideraccedilotildees fin

O MEacuteTODO

O meacutetodo pmpatiacutevel comgura correspopixel As em

o analisadas pxtura e comptradas da rederesenta o fluxoprocessos nas

F

1 ProcessamEste process

ndidatas por mncipalmente u

opotildee o empresempenho obtectores e gehas finas Figtro de Canny frer interferecircnso aplica-se u

imagem origores da internaacuterios comp

mbarcaccedilotildees sejrto podem secontinente

(

(

discutidos nanais satildeo apres

O propotildee-se a d

m a resoluccedilatildeo ondente a no mbarcaccedilotildees capor meio de paraccedilatildeo de ce neural artifiograma de viss fases de trein

Fig 1 ndash Fluxog

mento digitaso destina-semeio da segmum filtro de ego do operabservado comerando um re

g 2 (b) A imapode conter m

ncia por fatoreuma maacutescara ginal - Fig 2rferecircncia complexos em ja similar ao er tratados util

(a)

(c)

a seccedilatildeo 4 Asentadas na se

detectar embespacial da miacutenimo dua

andidatas extrdescritores dcontorno (foricial (RNA) [satildeo macro do namento e cla

grama do meacuteto

l das imagene agrave extraccedilatildeo mentaccedilatildeo da im

detecccedilatildeo de ador Canny [1mparativamentesultado binaacuteagem resultanmuitos ruiacutedoses como ondabinaacuteria criad

2 (a) que pemo se constaque o niacuteveda vizinhanccedilalizando-se um

REVISTA MILI

A conclusatildeo eccedilatildeo 5

arcaccedilotildees de imagem ie s vezes o tamraiacutedas das imadados de contrma) que satilde11]-[16] A Fmeacutetodo separ

assificaccedilatildeo da

odo

ns das embarca

magem utilizbordas O meacute17] em funccedilatildete a outros f

aacuterio e bordas nte da aplicaccedilatildes quando o ceas e nuvens Nda por limiarizermita removata na Fig 2el de cinza a como navio

ma maacutescara da

(b)

(d)

LITAR DE CIEcircNCIA

e as

porte com

manho agens texto atildeo as Fig 1 rando RNA

accedilotildees zando eacutetodo atildeo do filtros

com atildeo do enaacuterio Neste zaccedilatildeo

ver os 2 (c)

das os no a aacuterea

Fig infrada mde prepre

AfunccediloperruiacutedoFig detecda im

22 OE

contrelaccompcaracmatr

22A

caracpossem ppontseme

Pcoacutedig[19]satildeo simpsegmde fie est

Fig

Oem funcformNa fsegmeacute o pmoacuted

Pcriounatildeo a

E TECNOLOGIA

(e2 ndash Detecccedilatildeo

avermelho Fonmaacutescara baseadpixels consecutesentaccedilatildeo graacutef

A quantidade matildeo da resolu

rador utilizadoos ie grupo2 (d) O fech

cccedilatildeo dos alvomagem segme

Obtenccedilatildeo dEste processo exto (baseadcionados agraves cparaccedilatildeo de ccteriacutesticas deriz dos descrito

1 CaracteriacutesA comparaccedilatildecteriacutesticas de uem aparecircnci

proa popa e latiagudo ou arrelhante ao da pPara cada seggo da cadeia representadosuavizados re

plificaccedilatildeo de mentos de retaim marcam ostatildeo destacados

g 3 ndash (a) conto

O coacutedigo da cfunccedilatildeo de dtion) [20]-[23

mato do objetofunccedilatildeo de de

mento de reta produto escala

dulos dos vetor

Para a comparu-se um conjuatendiam agraves c

e) de bordas (a)nte RapidEyeda na limiariztivos (e) fechfica do coacutedigo d

miacutenima de pixuccedilatildeo da imago para um re

os de pixels mhamento e o ps candidatos sntada Fig 2 (

os descritordestina-se agrave o

das em dadocaracteriacutesticas ontorno dos talhadas nas sores da image

ticas de comatildeo de contformato das ea fina alongaaterais A proredondado e aproa gmento extra(chain code)

o graficamenteduzindo suaspequenos trec

a com direccedilatildeo s veacutertices entres com ciacuterculos

(a) (brno do segmen

suaviz

cadeia do conesvio (turning] que eacute utiliz

o fornecendo svio a distacircne o acircngulo eacute oar dos vetores res v e u

119888119888119888119888119888119888119888119888 119888raccedilatildeo de formunto de padrotildeearacteriacutesticas

RMCT VOL

(f) imagem orige (b) filtro Cazaccedilatildeo (d) filtrahamento e prede cadeia

xels consecutigem define efinamento d

menores que upreenchimentsatildeo realizados(e)

res

obtenccedilatildeo das os espectraiss das embarcasegmentos daseccedilotildees 221 eem

mparaccedilatildeo detornos visa embarcaccedilotildees ada e simeacutetricoa normalmena popa possui

aiacutedo da imag dos pixels dte na Fig 2 (s irregularidadchos que satildeo similar Os pe segmentos ds na Fig3 (b)

b) nto e (b) contorzado

ntorno suavizng function ozado para gerauma assinatu

ncia eacute dada pobtido pela E

s v e u e |v||u

||||

mato das parteses esperados selecionadas

Nordm 2019

f) ginal na bandaanny (c) aplicaagem por miacuteneenchimento e

ivos ajustadao paracircmetro

da eliminaccedilatildeouma embarcaccedilto das regiotildeess para a obten

caracteriacutesticass da vizinhaaccedilotildees) textura imagem Ese 222 forma

e contornosreconhecer

Estas geralmeca e satildeo dividinte possui aspei formato reto

gem eacute geradodo contorno [1(f) Os contordes por meioo convertidos pontos de iniacutecde reta adjacen

rno do segmen

ado eacute convertou turning anar a descriccedilatildeo

ura de sua forpelo tamanhoq 1 onde ltv| eacute o produto

s da embarcaccedile de padrotildees das embarcaccedil

a do accedilatildeo nimo e (f)

a em do

o de ccedilatildeo s de nccedilatildeo

s de anccedila ra e ssas m a

as ente idas ecto o ou

o o 17]-rnos o da

em io e ntes

nto

tido ngle o do rma o do vugt dos

(1)

ccedilatildeo que

ccedilotildees

14 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMC

comrearepdempadldquoU(θ1

55⁰

parcaacutelconsermetanrefvalp =sem

119863119863

outsegvalpad

22

padniacutevdesdefcon

bairemestsigespestemmiacutenda eacutesivalconneg

res33

finrazconalo

CT VOL Nordm 2018

m base na obsalizado satildeo presentam promais considedrotildees vaacutelidos

Urdquo com dois acirc e θ2 90⁰) O⁰e 100⁰ θ 3A comparaccedil

racircmetros vaacutelilculo da disnforme Eq 2rem comparadedida a partir ngente em senferecircncia em ldquoBlor de desloca= 1 corresponmelhantes fore

(A B)

Haveraacute dois tro para popagmentos e oslores binaacuteriosdratildeo invaacutelido

22 CaracteriacuteOs dados de

dratildeo onde a mveis de cinza screve a dispefinidos confontexto estatildeo dI A resposta

ixa em faixamoto Como atiacutestica de

gnificando qupectral sem repabelecida a pa

m tamanho qunimo de k pixmaacutescara comma menor relores baixos nfiguraccedilotildees pgativamente nII A difere

sposta espectr3 desconsiderIII A compa

a alongada ezatildeo entre o pnforme Eq 3ongado eacute 2264

servaccedilatildeo do coconsiderados

oas ou popas erando a resotecircm formato d

acircngulos conseOs padrotildees inv360⁰ ccedilatildeo dos segidos e invaacutelitacircncia entre onde ldquoArdquo e dos ldquoƟArdquo eacute de um ponto

ntido horaacuterio mBrdquo ldquosrdquo represamento e ldquoprdquo ndente agrave distacircem as formas

|120579120579 (119904119904 +

descritores da As comparas padrotildees de onde ldquo1rdquo in

iacutesticas de tee textura utilimeacutedia represepresentes em

ersatildeo dos valoorme itens Vdefinidas de aca espectral da aacuteas espectrais

dado contexordem [24]

ue se considepeticcedilatildeo enconartir do pixel ue caiba a mxels entre o como se observa

sposta espectinseridos n

proacuteprias do neste dado Noenciaccedilatildeo dos ral eacute utilizadarando os pixelacidade eacute o iacutene simeacutetrica dperiacutemetro ldquoPrdquo Na Fig 5 4 enquanto a

C

onjunto das ampadrotildees vaacutel

de embarcaccediloluccedilatildeo espaciade ldquoVrdquo onde 5ecutivos aproxvaacutelidos satildeo aq

gmentos da idos eacute realiz

as funccedilotildees ldquoBrdquo referem-a tangente ede referecircncia medida a partenta o tamanheacute a medida d

acircncia euclidia menor seraacute o

+ 119905119905) 120579120579(119904119904) + 120579120579

de comparaccedilatildeoaccedilotildees entre asefinidos satildeo ndica padratildeo v

extura e de czados satildeo a menta o valor d

uma textura ores em torno

V e VI As cordo com os iaacutegua do mar g

s utilizadas xtual utiliza

e arbitra-seera a k-eacutesimntrada na bordanalisado com

maior embarcontorno da em

na Fig 5 (a)tral eacute para evna imagem sensor venh

o caso estudadtipos de alv

a com a medils externos aondice que de

das embarcaccedilotilderdquo e a aacuterea ldquo(b) a compacompacidade

C =

REVISTA

mostras No elidos aquelesotildees e invaacutelidoal da imagem55⁰ θ 90⁰ oximadamente

queles onde 0⁰

imagem comada por mei

de desvio se aos contornm sentido hoem ldquoArdquo ldquoƟB

tir de um ponho do arco ldquotde distacircncia sana Quanto

o valor da dist

120579120579| 119904119904

o um para ps extremidaderepresentadas

vaacutelido e ldquo0rdquo in

contexto

meacutedia e o deda distribuiccedilatildeoe o desvio-pa

o da meacutedia e caracteriacutestica

itens I a IV geralmente eacute mno sensoriam-se um filtr

e uma ordemma menor resda de uma maacutesm dimensatildeo fcaccedilatildeo com es

mbarcaccedilatildeo e a b A utilizaccedilatildeo

vitar que ruiacutedoem funccedilatildeo

ham a influedo k = 3 vos em funccedilatildeiana da vizinho segmento screve a aparotildees Eacute obtidaldquoArdquo do segmacidade do odo ciacuterculo eacute 9

MILITAR DE CIEcircNC

estudo s que dos os m Os ou de retos

⁰ θ

m os io do [20]

rnos a oraacuterio Brdquo eacute a nto de trdquo eacute o sendo mais

tacircncia

(2)

proa e es dos s por indica

esvio-o dos adratildeo estatildeo

as de

muito mento ro de m k sposta scara fixada spaccedilo borda da k-os ou o de enciar

atildeo da hanccedila

recircncia a pela mento objeto 988

(3)

Iauxilporccedil

V99

Vvizinsegm

Pcom medi

Omediselecagrave mselecespe

Fig

23 TO

retiradescconcEsteRNAuma

24 CA

dos mesmA Rconvmeiosegmclassclass

class

CIA E TECNOLOGIA

V O diacircmetlia a diferencotildees de contine

V A meacutedia eacute desconsidera

VI O desvio-nhanccedila 99 mento Para comparar

variaccedilatildeo de aiana a meacutedia

O valor miacutenimiana de vizcionado em po

mediana de vcionado no inctral (Fig 4)

4 ndash (a) imageme (b)

TreinamentoO treinamentoadas de diversritores Colet

catenadas gers dados satildeo n

A a fim de qumesma escala

ClassificaccedilatildeoAs meacutedias e ddados que semos aplicados

RNA faz a clavertida em umo da moda dasmento Na Figsificados comsificaccedilatildeo por s

(a)Fig 5 ndash (a) b

sificaccedilatildeo da RNcorrespond

A

tro dos segmciaccedilatildeo entre eente calculada a pa

ando os pixels padratildeo eacute calcdesconsidera

r dados extraamplitude nose o desvio-pa

mo utilizado ninhanccedila 11orccedilatildeo de marvizinhanccedila 3nterior da em

(a) m Fonte Rapi

pontos para m

o da RNA o da RNA eacute rsas imagens Ctadas todas aando um conjnormalizados ue os atributoa de valores

o da RNA e desvios-padrotildeeratildeo classificas na normalizaassificaccedilatildeo poma classificaccedils classificaccedilotildeeg 5 (c) ondemo ldquoErdquo ldquoMsegmento eacute em

(b

borda da maacutescaNA onde ldquoErdquo cde a outros e ldquo

mentos detectaembarcaccedilotildees

artir dos valorexternos ao s

culado a partiando os pix

aiacutedos de imags niacuteveis de cinadratildeo devem sna normalizaccedil11 a partir O valor maacutex33 a partir

mbarcaccedilatildeo com

(b

idEye (banda dmiacutenimo e maacutexi

realizado a paCada amostraas amostras junto de dadoantes de sere

os estejam aju

anaacutelise por otildees utilizados ados pela RNaccedilatildeo dos dadoor pixel queccedilatildeo por segmes dos pixels e os pixels doMrdquo e ldquoOrdquo mbarcaccedilatildeo (E)

b) ara (b) compacorresponde a

ldquoMrdquo correspon

3

ados na imag grandes ilha

res da vizinhasegmento ir dos valoresels externos

gens diferentenza o miacutenim

ser normalizadatildeo correspond

de um poximo correspor de um pom maior respo

b) do infravermelimo

artir das amosa eacute uma matriz

as matrizes s de treinamenem submetidoustados dentro

segmento

na normalizaNA devem seros de treiname neste meacutetod

mento obtida que constituem

o segmento eso resultado

)

(c)

acidade e (c) embarcaccedilatildeo ldquo

nde a mar

gem as e

anccedila

s da ao

es e o a

dos de agrave onto onde onto osta

lho)

stras z de satildeo nto os agrave o de

accedilatildeo r os ento do eacute

por m o statildeo

da

ldquoOrdquo

RMCT VOL36 Nordm4 2019 15REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL Nordm 2019

3 APLICACcedilAtildeO DO MEacuteTODO O meacutetodo foi proposto para ser aplicado em imagens

multiespectrais de sensores oacutepticos Sua aplicaccedilatildeo em imagens de outros sensores necessitaraacute de ajustes de acordo com as caracteriacutesticas do sensor A eficaacutecia do meacutetodo eacute definida pela relaccedilatildeo entre o menor tamanho de embarcaccedilatildeo e a resoluccedilatildeo espacial da imagem A aacuterea teste selecionada para o estudo de caso foi a Baiacutea de Guanabara Eacute uma aacuterea de traacutefego intenso que possui vaacuterios fatores relevantes para a detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees como portos ilhas de diferentes tamanhos embarcaccedilotildees de propoacutesitos e formatos diversos ondas manchas de oacuteleo e sedimentos na aacutegua

31 Materiais Foram utilizados 31 recortes com dimensotildees variando de

200200 a 400400 de imagens RapidEye [25] de 12 bits com resoluccedilatildeo espacial de 5 metros geradas nos anos de 2011 2013 e 2014 Na aplicaccedilatildeo do meacutetodo proposto foi utilizada a banda 5 do RapidEye (infravermelho proacuteximo) tendo em vista os melhores resultados obtidos na segmentaccedilatildeo das imagens em relaccedilatildeo agraves demais bandas testadas isoladamente ou na composiccedilatildeo RGB

O meacutetodo foi implementado em um microcomputador core i7 230 GHz 8GB e Windows 10 Pro 64 bits utilizando os programas a) ENVI para visualizaccedilatildeo coleta das amostras e SVM b) IDL para detecccedilatildeo de bordas coacutedigo de cadeia comparaccedilatildeo de contorno geraccedilatildeo e normalizaccedilatildeo da matriz de descritores e anaacutelise da classificaccedilatildeo c) Neural Network Toolbox do MATLAB para a rede neural artificial

311 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da RNA

A RNA possui oito entradas duas camadas ocultas (com oito e dois neurocircnios respectivamente) e trecircs saiacutedas embarcaccedilatildeo mar e outros Nessa configuraccedilatildeo as amostras de natildeo-embarcaccedilatildeo satildeo balanceadas pela composiccedilatildeo dos tipos mar e outros A RNA possui ativaccedilatildeo do tipo sigmoide e divide o conjunto de amostras aleatoriamente em 70 para treinamento 15 para validaccedilatildeo e 15 para teste Foram utilizadas 875 amostras de 134 embarcaccedilotildees 593 de mar e 702 de outros (ilhas ponte e continente) totalizando 2170 amostras extraiacutedas de 15 recortes de imagens

312 Paracircmetros de configuraccedilatildeo do SVM para comparaccedilatildeo

Os resultados do meacutetodo proposto (meacutetodo 1) foram comparados com os resultados de um meacutetodo supervisionado de classificaccedilatildeo de imagens o SVM (meacutetodo 2) aplicado diretamente sobre o nuacutemero digital dos pixels da imagem considerando todas as bandas RapidEye para melhor resposta No meacutetodo 2 natildeo-embarcaccedilatildeo tambeacutem eacute formada por amostras de ldquomarrdquo e de ldquooutrosrdquo e eacute aplicada a anaacutelise por segmento descrita na seccedilatildeo 24 No ENVI foram selecionadas 50 amostras por classe em cada imagem e foi utilizada funccedilatildeo de base radial (RBF) com γ = 1 (funccedilatildeo kernel) e paracircmetro de penalidade = 100

33 Avaliaccedilatildeo

Dezesseis recortes de imagens foram utilizados para avaliaccedilatildeo dos meacutetodos Os meacutetodos 1 e 2 foram avaliados quanto agrave precisatildeo (conforme Eq 4 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e pf satildeo os positivos falsos) abrangecircncia (conforme Eq 5 onde pv satildeo os positivos verdadeiros e nf satildeo os negativos falsos) e medida F1 (conforme Eq 6 onde β = 1) que gera a meacutedia harmocircnica entre precisatildeo e abrangecircncia

119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875119875 119875 (4)

119860119860119860119860119875119875119860119860119860119860119860119860119860119860119860119875119875119875119875119860119860 119875 (5)

119872119872119875119875119872119872119875119875119872119872119860119860 119872119872 119875 (1 + 120573120573) 119875119860119875119860 (6)

4 RESULTADO E DISCUSSAtildeO Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de

5m o meacutetodo 2 obteve 9063 de acerto das classificaccedilotildees (precisatildeo meacutedia) a medida F1 foi de 7268 e foram detectadas 6857 das embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte A baixa abrangecircncia meacutedia deve-se ao fato de que o SVM teve exclusivamente como entradas as respostas espectrais que se aproximam dos valores de outros alvos presentes na cena

O meacutetodo 1 obteve 9219 de acerto nas classificaccedilotildees abrangecircncia meacutedia de 100 e medida F1 de 949 conforme Fig 6 O meacutetodo utilizou teacutecnicas de processamento digital no processo de segmentaccedilatildeo para tratar fatores de complexidade nas imagens como embarcaccedilotildees proacuteximas do porto ou de ilha - Fig 7(a) - ondas e manchas de oacuteleo e conseguiu detectar todas as embarcaccedilotildees de meacutedio e grande porte presentes nas imagens A detecccedilatildeo de embarcaccedilotildees de formatos diferentes Fig 7(a) foi possiacutevel devido agrave utilizaccedilatildeo de caracteriacutesticas de formato e comparaccedilatildeo de contorno O meacutetodo apresentou falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato similar ao das embarcaccedilotildees Fig 7(b) Cabe ressaltar que em resoluccedilatildeo de 5 metros uma embarcaccedilatildeo com largura igual ou inferior a 10 metros possui poucos pixels de contorno em suas extremidades Quanto maior for a quantidade de pixels do contorno mais preciso seraacute o formato da embarcaccedilatildeo e menor seraacute a influecircncia dos pixels de vizinhanccedila permitindo uma melhor caracterizaccedilatildeo do problema Em imagens de alta resoluccedilatildeo espacial onde a quantidade de pixels eacute maior e os contornos possuem maior riqueza de detalhe eacute possiacutevel que o desempenho do meacutetodo seja superior A utilizaccedilatildeo de uma maacutescara para remover as regiotildees de terra resolve o problema dos falsos positivos relacionados a ilhas pequenas ou com formato similar ao de embarcaccedilotildees aumentando a precisatildeo do meacutetodo

Fig 6 ndash Precisatildeo abrangecircncia e medida F1

16 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL Nordm 2018 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

(a) (b)

Fig 7 ndash (a) embarcaccedilotildees de formatos e tamanhos diferentes proacuteximas ao porto (b) falso positivo para ilha pequena

O uso de um classificador que seja capaz de aprender por experiecircncia e fazer associaccedilotildees entre vaacuterios padrotildees de naturezas distintas oferece possibilidade de expansatildeo do meacutetodo proposto Pode-se investigar o emprego da rede neural artificial e a comparaccedilatildeo de contornos para a identificaccedilatildeo dos tipos de embarcaccedilotildees (fragata navio patrulha rebocador navios de cruzeiro entre outros) a partir do treinamento da RNA com dados das silhuetas das embarcaccedilotildees e caracteriacutesticas como largura e comprimento em busca de padrotildees que permitam identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

5 CONCLUSAtildeO O meacutetodo apresentado neste artigo realiza a detecccedilatildeo de

embarcaccedilotildees em imagens de sensores remotos oacutepticos baseado em descritores como caracteriacutesticas contextuais e comparaccedilatildeo de formato de contorno Utiliza filtros de detecccedilatildeo de bordas para extrair embarcaccedilotildees candidatas nas imagens e aplica os descritores a uma rede neural artificial para eliminaccedilatildeo dos falsos positivos Aplicado em imagens oacutepticas com resoluccedilatildeo espacial de 5m obteve 9219 de precisatildeo abrangecircncia de 100 e medida F1 de 949

Por ser um meacutetodo baseado em segmentaccedilatildeo a qualidade da segmentaccedilatildeo da imagem influencia diretamente na medida de abrangecircncia Um ponto forte do meacutetodo consiste na realizaccedilatildeo de vaacuterios recursos de processamento de imagem para garantir a obtenccedilatildeo dos melhores resultados no processo de segmentaccedilatildeo Em consequecircncia disso o meacutetodo conseguiu detectar embarcaccedilotildees de meacutedio a grande porte inclusive juntas proacuteximas ou atracadas ao cais

Outro ponto forte do meacutetodo consiste no uso de caracteriacutesticas de formato e de comparaccedilatildeo de contorno que permitiram detectar embarcaccedilotildees de formatos diferentes

O ponto fraco apresentado pelo meacutetodo refere-se agrave ocorrecircncia de falsos positivos para ilhas pequenas ou com formato semelhante ao de embarcaccedilotildees em imagens de resoluccedilatildeo espacial 5m Contudo uma maacutescara com as regiotildees de terra pode ser aplicada para remover os falsos positivos resolvendo o problema

Em pesquisa futura pode-se estudar o treinamento da rede neural artificial com dados de caracteriacutesticas das embarcaccedilotildees como silhuetas largura e comprimento em busca do reconhecimento de padrotildees que permitam tambeacutem identificar os tipos das embarcaccedilotildees detectadas na imagem

O meacutetodo tem possibilidade de aplicaccedilatildeo em projetos e sistemas comerciais ou militares como o projeto SISGAAZ (Sistema de Gerenciamento da Amazocircnia Azul) que prevecirc a integraccedilatildeo de dados de sateacutelites e radares aos sistemas relacionados a embarcaccedilotildees para o monitoramento da aacuterea do Preacute-Sal controle das atividades de pesquisa cientiacutefica no mar combate ao traacutefego de entorpecentes e prevenccedilatildeo de poluiccedilatildeo hiacutedrica

REFEREcircNCIAS

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 17REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Avaliaccedilatildeo de algoritmos DTN para ambiente operacional taacutetico um estudo de caso do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

Gustavo C Sampaio1 Guilherme C Sampaio1 Ronaldo M Salles2

1Centro Tecnoloacutegico do Exeacutercito Rio de Janeiro Brasil

2Programa de Engenharia de Computaccedilatildeo Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil RESUMO Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees eacute uma arquitetura de rede que possui a proposta de melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores As pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos contudo existem poucos trabalhos no meio militar que se preocupam com a questatildeo do gasto de energia de uma rede DTN Este artigo apresenta uma avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento de rede considerando-se caracteriacutesticas do cenaacuterio militar com suas redes de comunicaccedilotildees unidades de tropas e raacutedios militares com recursos limitados de bateria Verificou-se que o protocolo de roteamento Spray and Wait possui um desempenho muito bom em um cenaacuterio militar com recursos limitados de energia tendo caracteriacutesticas de escalabilidade e sendo menos custoso em relaccedilatildeo ao consumo de energia

ABSTRACT Delay-Tolerant Network is a network architecture that proposes the improvement of the performance of communication networks in challenging scenarios The research on DTN has intensified in many fields however there are few studies in military scenarios that consider the energy expended in a DTN network This article presents a performance evaluation of the routing protocols for this type of network considering characteristics of the military scenario - communications networks troop units and military radios with limited battery resources It has been found that the Spray and Wait routing protocol performs very well in a military scenario with limited power resources It has scalability features and is less costly regarding power consumption

PALAVRAS-CHAVE Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees DTN Cenaacuterio Militar Redes de Comunicaccedilotildees KEYWORDS Delay-Tolerant Networks DTN Military Scenario

Communications Networks

1 INTRODUCcedilAtildeO

No final da deacutecada de 90 o Departamento de Defesa dos Estados Unidos foi o pioneiro na criaccedilatildeo de um novo conceito de guerra a Guerra Centrada em Redes [1] A motivaccedilatildeo era ganhar vantagem no cenaacuterio militar utilizando tecnologias de rede para disseminar entre as forccedilas militares as informaccedilotildees colhidas no campo de batalha

Com o passar dos anos o emprego dessas tecnologias foi se intensificando Antes o cenaacuterio militar que era limitado a transmissotildees de voz agora conta com transmissotildees de dados o que possibilitou transmissotildees de viacutedeo em tempo real transmissotildees de dados de sensores compartilhamentos de localizaccedilatildeo da tropa entre outros de forma a melhorar a consciecircncia situacional dos comandantes das forccedilas caracterizando um ciclo de comando e controle

A Guerra Centrada em Redes eacute uma forma de atuar na guerra com a visatildeo especiacutefica oriunda da era da informaccedilatildeo Ela enfoca o espaccedilo de batalha como uma rede integrada e escalonada em outras redes Entre os benefiacutecios desse paradigma podemos destacar o compartilhamento da consciecircncia situacional o aumento da rapidez nas decisotildees a agilidade na identificaccedilatildeo de alvos e a sincronizaccedilatildeo das accedilotildees

A Guerra Centrada em Redes possui quatro domiacutenios O domiacutenio fiacutesico se caracteriza pelo ambiente onde ocorreraacute o conflito O domiacutenio da informaccedilatildeo eacute o que permite o fluxo de informaccedilotildees entre as forccedilas empregadas nas operaccedilotildees O domiacutenio cognitivo eacute aquele em que residem as intenccedilotildees do comandante a doutrina a taacutetica as teacutecnicas e os procedimentos O domiacutenio social eacute aquele em que os seres

humanos interagem trocam informaccedilotildees formam a consciecircncia compartilhada e tomam decisotildees colaborativas

Para permitir o uso dessa doutrina e facilitar a interoperabilidade entre os sistemas o protocolo IP foi o escolhido na eacutepoca para trafegar as informaccedilotildees das redes de comunicaccedilotildees militares Infelizmente a estabilidade que o protocolo IP necessita em redes de computadores natildeo eacute a mesma encontrada em um cenaacuterio militar

O cenaacuterio militar pela alta mobilidade possui atrasos longos e variaacuteveis tem taxas de erro elevadas e conta com frequentes desconexotildees [2] Jaacute o protocolo IP necessita que haja um caminho definido entre a origem e o destinataacuterio

Com o intuito de permitir a comunicaccedilatildeo de dados em cenaacuterios cujas conexotildees satildeo perioacutedicas intermitentes e propensas a interrupccedilotildees surgiram as Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) A proposta da DTN eacute melhorar a performance das redes de comunicaccedilotildees em cenaacuterios desafiadores Por conta disso as pesquisas em torno do uso de DTN tem se intensificado em muitos campos

Segundo [4] o Exeacutercito Brasileiro ateacute 2022 estaraacute totalmente inserido na era do conhecimento (informaccedilatildeoincerteza) onde o espaccedilo de batalha eacute natildeo linear ocorrem accedilotildees simultacircneas em todo o espectro de operaccedilotildees opera-se em um ambiente informacional (C4IVR) as operaccedilotildees de informaccedilatildeo permitem a obtenccedilatildeo da superioridade de informaccedilatildeo e a consciecircncia situacional seraacute um dos principais ativos para a tomada de decisatildeo

Aliado a isso temos o fato de que os combates modernos tecircm se caracterizado pelo uso maciccedilo de tecnologia pela presenccedila de civis e da miacutedia no ambiente operacional pelo emprego de estruturas de combate com maior proteccedilatildeo coletiva velocidade e letalidade seletiva pela utilizaccedilatildeo de aeronaves remotamente pilotadas e pela capacidade de operar no espaccedilo ciberneacutetico [5]

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Contudo as comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro satildeo muito limitadas em um ambiente operacional taacutetico Existe na rede loacutegica uma hierarquia entre noacutes que permeia toda a topologia da rede Cada noacute da rede soacute pode se comunicar com um conjunto de noacutes preacute-estabelecidos

Nesse caso um noacute soacute pode enviar uma mensagem para outro noacute quando haacute plena comunicaccedilatildeo entre eles Por conta da alta mobilidade dos noacutes temos frequentes desconexotildees e atrasos longos na entrega das mensagens Isso acaba dificultando as comunicaccedilotildees em um cenaacuterio militar jaacute que vaacuterias mensagens criacuteticas acabam sendo descartadas ou satildeo entregues com muito atraso Para resolver esse problema a rede loacutegica deve ser dinacircmica de forma que todos os noacutes presentes na rede possam ajudar na transmissatildeo das mensagens

Com o uso de algoritmos DTN a rede loacutegica vai poder se adaptar ao ambiente usando os noacutes disponiacuteveis na rede Quando ocorrer uma indisponibilidade na rede prejudicando o remetente de enviar a mensagem diretamente para o destinataacuterio outros noacutes podem ajudar no encaminhamento da mesma Assim a rede utilizaraacute muacuteltiplos saltos para que a mensagem chegue ao destino contribuindo assim para o sucesso da operaccedilatildeo militar

11 Objetivo

O presente artigo visa ao estudo e anaacutelise de algoritmos DTN em cenaacuterios militares com o objetivo de minimizar a perda de mensagens por frequentes desconexotildees eou indisponibilidade de raacutedios por falta de bateria

Os cenaacuterios militares seratildeo identificados a partir do estudo de mobilidade das operaccedilotildees realizadas pelo Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado do Exeacutercito Brasileiro e o gasto de energia dos raacutedios militares com cada protocolo de roteamento utilizado

2 REDES DTN

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexotildees (DTN) define uma rede de comutaccedilatildeo de mensagens do tipo store-and-forward ou seja uma rede cujos noacutes armazenam as mensagens em seus buffers e no tempo certo encaminham as mesmas para outros noacutes [6] Diferentemente da implementaccedilatildeo IP que requer que haja um caminho definido entre o remetente e o destinataacuterio a DTN pode armazenar mensagens nos noacutes intermediaacuterios por um tempo aguardando a disponibilidade para um proacuteximo salto

Pelo fato de um pacote ser transmitido de um noacute DTN para outro noacute DTN ele natildeo precisa seguir da origem ateacute o destino em um caminho ininterrupto Se um pacote chega em um noacute DTN e natildeo existe conectividade para o proacuteximo noacute DTN no caminho ele eacute mantido armazenado nesse noacute ateacute que a conexatildeo esteja disponiacutevel possivelmente via um novo caminho ou ateacute que o tempo do pacote acabe e ele seja expirado

O mecanismo de confiabilidade da Rede DTN depende da transferecircncia da custoacutedia dos pacotes entre os roteadores

DTN Cada pacote DTN marcado com entrega confiaacutevel tem um ou mais noacutes custodiantes cujo trabalho eacute garantir que o pacote chegaraacute no noacute de destino

O fato dos roteadores DTN poderem armazenar mensagens daacute a possibilidade de fazerem uso das informaccedilotildees de tempo e agendamento que o IP natildeo pode fazer Por exemplo a abordagem IP para rotear datagramas eacute construir uma imagem da conectividade atual da rede (via protocolos de roteamento como RIP OSPF etc) e rotear os datagramas usando somente essa informaccedilatildeo de quais sistemas estatildeo alcanccedilaacuteveis naquele instante Por outro lado a DTN eacute livre para usar informaccedilotildees sobre como a rede estaraacute no futuro Assim um roteador DTN pode alcanccedilar diversos noacutes e natildeo passar a custoacutedia de uma mensagem decidindo adiar a transmissatildeo na espera que um noacute especiacutefico seja alcanccedilado em algumas horas

21 Protocolos de roteamento

A liberdade que a DTN tem para decidir em que ocasiatildeo uma mensagem deve ser encaminhada ou armazenada deu origem a vaacuterios algoritmos A seguir destacaremos os algoritmos Epidemic Spray And Wait First Contact Direct Delivery Prophet e Maxprop

22 Epidemic

O roteamento Epidemic eacute historicamente o primeiro algoritmo de roteamento DTN Segundo [7] eacute um algoritmo bem simples e se comporta como uma enchente na rede No algoritmo Epidemic cada noacute replica sua mensagem para os noacutes que ele contactar no caminho e que natildeo possuem a coacutepia dessa mensagem A distribuiccedilatildeo da mensagem eacute transitiva ao longo de redes ad hoc e as mensagens eventualmente alcanccedilam seu destino

Pela decisatildeo de replicar a mensagem por toda a rede esse algoritmo causa uma elevada sobrecarga e o grande nuacutemero de coacutepias da mensagem que trafega pela rede pode causar congestionamentos Contudo ele possui uma alta taxa de entrega Esse processo eacute muito similar agrave difusatildeo de uma epidemia Um indiviacuteduo portador de uma doenccedila ao ter contato com outro indiviacuteduo natildeo contaminado transmite a mesma Essa semelhanccedila permite que trabalhos realizados para modelar a propagaccedilatildeo de uma epidemia possam ser usados para modelar DTNs epidecircmicas

Como vantagem do uso do algoritmo de roteamento Epidemic podemos citar a alta taxa de entrega por conta de muacuteltiplas coacutepias de uma mensagem trafegar pela rede Numa situaccedilatildeo de emergecircncia o uso deste algoritmo para entrega de uma mensagem urgente pode significar que a mensagem seja entregue em tempo oportuno Como desvantagem mais mensagens satildeo trafegadas mais recursos de memoacuteria satildeo utilizados no buffer de cada noacute e uma quantidade maior de energia seraacute gasta durante as transmissotildees Essa desvantagem pode se tornar criacutetica em um sistema em que os noacutes tenham recursos limitados de buffer e bateria

Como armazenar e transmitir mensagens consome energia bem como meacutetricas tradicionais de desempenho

RMCT VOL36 Nordm4 2019 19REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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como ciclos de CPU memoacuteria e largura de banda eacute importante equilibrar o consumo de todos os recursos do sistema na transmissatildeo de mensagens para o seu destino final

23 Spray And Wait

Os algoritmos de roteamento baseados em epidemia possuem uma alta probabilidade de entrega poreacutem eles gastam muita energia o que pode degradar significativamente suas performances [8] Aleacutem disso os esforccedilos realizados para reduzir significativamente o overhead desses algoritmos acabam por aumentar o tempo de entrega das mensagens

O algoritmo Spray And Wait tambeacutem eacute baseado em epidemia mas ele limita o encaminhamento cego que o algoritmo Epidemic realiza Ele associa um nuacutemero M que indica o maacuteximo de coacutepias disponiacuteveis de uma mensagem trafegando na rede

Na fase inicial de Spray (pulverizar) o noacute origem inicialmente pulveriza um nuacutemero M de coacutepias da mensagem para M noacutes distintos Apoacutes receberem a coacutepia da mensagem todos os M noacutes entram na fase Wait (espera) e aguardam ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino Existem dois tipos de algoritmos Spray and Wait No Source Spray and Wait o noacute origem envia todas as M coacutepias da mensagem para os primeiros M noacutes distintos que ele encontra

No Binary Spray and Wait o noacute origem inicialmente comeccedila com M coacutepias da mensagem Quando ele encontra o primeiro noacute com nenhuma das coacutepias entatildeo o noacute origem encaminha para ele (M2) coacutepias da mensagem e manteacutem (M2) coacutepias armazenadas Entatildeo esse processo se repete para ambos os noacutes que possuem (M gt 1) coacutepias da mensagem e quando um noacute fica apenas com uma mensagem ele entra no modo de espera ateacute que aconteccedila a transmissatildeo direta para o noacute destino

Segundo [9] sob alta ou baixa carga o uso do Spray And Wait resulta em bem menos transmissotildees e atrasos menores do que algoritmos baseados em inundaccedilotildees como o Epidemic O Spray And Wait eacute um algoritmo altamente escalaacutevel exibindo um desempenho bom e previsiacutevel para uma grande variedade de tamanhos de rede densidades de noacutes e niacuteveis de conectividade Aleacutem disso agrave medida que o tamanho da rede e o nuacutemero de noacutes aumentam o nuacutemero de transmissotildees por noacute que o Spray and Wait requer para obter o mesmo desempenho diminui

24 First Contact

O algoritmo de roteamento First Contact eacute um algoritmo bem simples Quando o noacute origem cria uma mensagem ele verifica quem satildeo os noacutes que possuem contato com ele nesse momento De forma aleatoacuteria um desses noacutes eacute escolhido e a mensagem eacute transmitida para o mesmo Se no momento que uma mensagem eacute criada o noacute origem natildeo possuir contato com outro noacute ele esperaraacute ateacute estabelecer conexatildeo com algum noacute a fim de transmitir a mensagem para o mesmo

Segundo [10] esse algoritmo funciona mal em topologias natildeo triviais pois a escolha do proacuteximo salto eacute

realizada totalmente de forma aleatoacuteria e ao longo do caminho selecionado a mensagem pode natildeo ter um progresso ateacute o destino

Uma mensagem tambeacutem pode oscilar entre um conjunto de noacutes (especialmente quando frequentes contatos acontecem entre um conjunto pequeno de noacutes) sem alcanccedilar o destino Esse algoritmo requer apenas um conhecimento local sobre a rede e sua implementaccedilatildeo eacute bem simples

25 Direct Delivery

Direct Delivery eacute o algoritmo de roteamento mais simples de todos Um noacute A quando encontra o noacute B soacute encaminha uma mensagem para ele se B for o destinataacuterio da mensagem Nesse esquema o atraso de entrega pode ser ilimitado pois natildeo haacute garantia que o noacute A vai encontrar o noacute B pelo caminho

Em cenaacuterios limitados quanto agrave bateria tamanho de buffer dos noacutes e largura de banda para as transmissotildees esse algoritmo se destaca por realizar apenas uma transmissatildeo por mensagem [11] O algoritmo Direct Delivery funciona de forma similar agraves comunicaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro tendo em vista que quando uma mensagem eacute criada durante uma operaccedilatildeo militar sua custoacutedia soacute eacute repassada para o destinataacuterio da mesma

26 Prophet

Para aumentar a probabilidade de entrega e reduzir o desperdiacutecio de recursos de rede que acontece no roteamento Epidemic um novo tipo de protocolo de roteamento foi proposto e chamado de PROPHET [12]

No PROPHET se um noacute visitou uma localidade vaacuterias vezes entatildeo existe uma possibilidade que esse padratildeo se repita no futuro Nesse algoritmo cada noacute usa uma meacutetrica de probabilidade chamada previsibilidade de entrega para transferir mensagens para noacutes de confianccedila Essa previsibilidade eacute associada em cada noacute A para cada noacute B de destino

O protocolo de roteamento PROPHET eacute preferiacutevel em situaccedilotildees nas quais alguns dos noacutes moacuteveis criam padrotildees de conectividade que natildeo satildeo completamente aleatoacuterios Os dispositivos moacuteveis sem fio portados por humanos criam tais padrotildees de mobilidade atraveacutes de atividades perioacutedicas diaacuterias ou semanais

27 Maxprop

Segundo [13] o protocolo de roteamento MaxProp usam-se vaacuterios mecanismos em conjunto para aumentar a taxa de entrega e diminuir a latecircncia das mensagens entregues O MaxProp tambeacutem faz uso de mecanismos para definir a ordem na qual os pacotes satildeo transmitidos e excluiacutedos De acordo com [14] no roteamento MaxProp cada noacute inicialmente define uma probabilidade de encontro com todos os outros noacutes da rede e entatildeo troca esses valores com os seus noacutes vizinhos

No nuacutecleo do protocolo MaxProp existe uma lista classificada com o custo atribuiacutedo a cada destino O custo eacute uma estimativa da probabilidade de entrega O valor da

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probabilidade eacute usado para calcular o custo do caminho de destino Cada noacute encaminha mensagens pelo caminho de menor custo MaxProp atribui uma prioridade alta para novas mensagens e encaminha primeiro as que possuem uma contagem de saltos baixo Aleacutem disso o MaxProp notifica todos os noacutes a respeito das mensagens que foram entregues para tentar impedir que a mesma mensagem seja entregue duas vezes

Quando o buffer estaacute cheio este algoritmo descarta a mensagem que possui o caminho mais custoso MaxProp possui baixa performance quando os noacutes possuem tamanho de buffer pequeno

3 CAVALARIA MECANIZADA

31 Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado

Segundo [15] o Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute a unidade baacutesica das forccedilas mecanizadas e constitui a peccedila de manobra do Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado Este pelotatildeo possui grande flexibilidade tendo em vista a variada gama de viaturas e armamentos de que dispotildee

O Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado eacute constituiacutedo por cinco grupos Grupo de Exploradores Grupo de Comando Grupo de Combate Seccedilatildeo VBR e Peccedila de Apoio conforme o organograma da Fig 1

Fig 1 ndash Organograma do Pel C Mec

32 Composiccedilatildeo do Pel C Mec A Fig 2 ilustra a composiccedilatildeo do Pel C Mec As quatro

primeiras viaturas formam a 1ordf e 2ordf Patrulhas do Grupo de Exploradores Satildeo compostas por jipes cada um com trecircs militares Logo atraacutes vem mais um jipe com trecircs militares representando o Grupo de Comando Neste jipe estaacute o Comandante do Pelotatildeo O primeiro jipe de cada patrulha e o jipe do Comandante do Pelotatildeo possuem uma metralhadora 762mm (MAG)

Mais atraacutes temos duas Viaturas Blindadas sobre Rodas (VBR) cada uma com trecircs militares Na primeira VBR encontra-se o adjunto do Pel C Mec Essas viaturas satildeo os blindados Cascavel Agrave retaguarda ainda temos o Grupo de Comando formado por nove militares que vem em um blindado do tipo Urutu

A uacuteltima viatura eacute a Peccedila de Apoio Eacute uma viatura que transporta cinco militares e possui um morteiro 81mm

33 Operaccedilotildees do Pel C Mec

Quando enquadrado no Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado as possibilidades do Pel C Mec satildeo participar de operaccedilotildees de reconhecimento participar de missotildees de seguranccedila realizar operaccedilotildees de contra-reconhecimento realizar operaccedilotildees ofensivas e defensivas realizar ligaccedilotildees de combate ser empregado na seguranccedila da aacuterea de retaguarda ndash

SEGAR realizar operaccedilotildees de junccedilatildeo executar accedilotildees contra forccedilas irregulares cumprir missotildees em um quadro de garantia da lei e da

ordem mesmo atuando de forma descentralizada em reforccedilo aos Batalhotildees de Infantaria e

executar operaccedilotildees tipo Patrulha

34 Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado

O Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado eacute composto por trecircs Pelototildees de Cavalaria Mecanizado e mais uma Seccedilatildeo de Comando (Logiacutestico) Na Fig 3 estaacute descrita a composiccedilatildeo de um Esquadratildeo A Seccedilatildeo de Comando do Esquadratildeo eacute formada por um blindado Cascavel uma viatura Urutu e dois caminhotildees 5 Ton 6x6

Todas as viaturas possuem um raacutedio com alcance de 8 quilocircmetros com exceccedilatildeo dos raacutedios do Comandante do Esquadratildeo Comandante do Pelotatildeo e do Adjunto que possuem alcance de 20 quilocircmetros O Esquadratildeo possui cinco redes de comunicaccedilatildeo a saber

Rede de Comunicaccedilotildees dos Grupos de Exploradores Rede de Comunicaccedilotildees das Seccedilotildees VBR Rede de Comunicaccedilotildees dos Pel C Mec Rede de Comunicaccedilotildees do Esqd C Mec e Rede de Comunicaccedilotildees da Seccedilatildeo de Comando

(Logiacutestico)

Fig 2 ndash Composiccedilatildeo do Pel C Mec

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Fig 3 ndash Composiccedilatildeo do Esqd C Mec

4 MODELOS DE BATERIA

As propriedades mais importantes de uma bateria satildeo a sua voltagem (expressa em Volts V) e sua capacidade (geralmente expressa em Ampere-hora Ah) O produto dessas duas propriedades eacute a medida da energia armazenada na bateria

Para uma bateria ideal a voltagem permanece constante ao longo do tempo ateacute o momento que a bateria eacute descarregada entatildeo a voltagem cai para zero No caso ideal a capacidade eacute a mesma para cada carga da bateria Contudo a realidade eacute diferente a voltagem cai durante a descarga e a capacidade efetivamente percebida eacute menor sob uma carga maior Esse fenocircmeno eacute denominado efeito taxa de capacidade

No caso ideal eacute faacutecil calcular o tempo de vida de uma bateria O tempo de vida (L) no caso de uma carga constante eacute calculado atraveacutes da divisatildeo da capacidade (C) pela corrente de carga (I) conforme Eq 1

Devido a vaacuterios efeitos natildeo-lineares essa relaccedilatildeo natildeo funciona para baterias reais Uma aproximaccedilatildeo simples para o tempo de vida de uma bateria sob carga constante pode ser feita pela lei de Peukert [16] conforme Eq 2

L=CI

(1)

L= aIb

(2)

Um dos efeitos que desempenham um papel importante

eacute o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria Este eacute o efeito na qual a bateria pode recuperar alguma da sua capacidade energeacutetica durante periacuteodos de inatividade Essa caracteriacutestica aumenta o tempo de vida uacutetil da bateria

Segundo [17] uma bateria eacute constituiacuteda de ceacutelulas em seacuterie paralelas ou a combinaccedilatildeo de ambas Cada ceacutelula eacute

formada por dois eletrodos um anodo e um catodo separados por um eletroacutelito Durante a descarga (fase que a bateria fornece corrente eleacutetrica a um circuito externo) o anodo fornece eleacutetrons para o circuito externo enquanto o catodo recebe eleacutetrons desse circuito Esses eleacutetrons se originam das reaccedilotildees eletroquiacutemicas e satildeo denominados espeacutecies eletroativas

Na Fig 4 satildeo apresentados os diferentes estados de operaccedilatildeo de uma bateria Segundo [17] quando a bateria estaacute totalmente carregada a superfiacutecie do eletrodo conteacutem a concentraccedilatildeo maacutexima de espeacutecies eletroativas existindo uma distribuiccedilatildeo uniforme em toda a regiatildeo linear de comprimento (w) do eletroacutelito conforme a Fig 4 (A)

Quando uma carga eacute conectada aos terminais da bateria inicia-se o processo de descarga da mesma ocorrendo um fluxo externo de eleacutetrons entre os eletrodos Nesse processo as reaccedilotildees eletroquiacutemicas causam a reduccedilatildeo do nuacutemero de espeacutecies eletroativas proacuteximas ao eletrodo

Na Fig 4 (B) eacute observada a difusatildeo de espeacutecies em direccedilatildeo ao eletrodo com o intuito de reequilibrar a concentraccedilatildeo Segundo [18] quanto mais alta for a corrente de descarga menor seraacute a concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas na superfiacutecie do eletrodo

Fig 4 ndash Diferentes estados de operaccedilatildeo da bateria [17]

A tensatildeo da bateria eacute reduzida agrave medida que a

concentraccedilatildeo diminui Quando a tensatildeo da bateria atinge um limite inferior ao valor de corte (cutoff threshold) as reaccedilotildees eletroquiacutemicas natildeo podem mais ocorrer e a bateria para de fornecer carga ao sistema Nesse momento a bateria estaacute indisponiacutevel mas natildeo estaacute completamente descarregada conforme mostrado na Fig 4 (E)

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Segundo [17] em qualquer momento antes da tensatildeo atingir o limite inferior ao valor de corte eacute possiacutevel ocorrer o efeito de recuperaccedilatildeo o que aumenta a vida uacutetil da bateria Isso ocorre quando a corrente exigida na bateria eacute reduzida e haacute a difusatildeo das espeacutecies eletroativas Fig 4 (C) fazendo com que a concentraccedilatildeo proacutexima agrave superfiacutecie do eletrodo aumente ateacute o gradiente de concentraccedilatildeo ser anulado Neste momento a concentraccedilatildeo das espeacutecies apresenta novamente uma distribuiccedilatildeo uniforme mas com um valor de capacidade menor o que indica que ocorreu o efeito de recuperaccedilatildeo da capacidade da bateria conforme Fig 4 (D)

Os modelos de bateria satildeo criados para a captura das caracteriacutesticas e funcionamento de uma bateria real considerando suas operaccedilotildees de carga e descarga Eles satildeo bastante uacuteteis quando se pretende analisar o comportamento de descarga em projetos de sistemas alimentados por baterias

Segundo [17] existem vaacuterios modelos de estado de carga de baterias com diferentes caracteriacutesticas e complexidade distintas Existem os modelos estocaacutesticos [19] que modelam o comportamento da bateria como um processo estocaacutestico discreto no tempo em que o estado do processo representa o estado de carga da bateria modelos eletroquiacutemicos [20] que satildeo baseados em equaccedilotildees diferenciais parciais complexas que exigem informaccedilotildees especiacuteficas da bateria o que dificulta muito a modelagem de determinados tipos de baterias os modelos eleacutetricos [21] que possuem uma caracterizaccedilatildeo rigorosa dos componentes do modelo como por exemplo tensatildeo de circuito aberto autocarga dependecircncias como temperatura nuacutemero de ciclos corrente entre outras e finalmente os modelos analiacuteticos que se destacam por serem simples de implementaccedilatildeo e relativamente raacutepidos na execuccedilatildeo quando comparados aos modelos anteriores

Muitos modelos analiacuteticos de baterias podem incluir modelos de carga constante e de carga variaacutevel e conseguem capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esses modelos satildeo flexiacuteveis em relaccedilatildeo agrave implementaccedilatildeo e podem ser facilmente configurados para diferentes tipos de baterias Por conta disso esses modelos foram escolhidos para serem utilizados nas simulaccedilotildees desse trabalho

Um modelo de bateria analiacutetica baseado na difusatildeo dos iacuteons no eletroacutelito foi desenvolvido por Rakhmatov e Vrudhula em 2001 [16] O modelo descreve a evoluccedilatildeo da concentraccedilatildeo das espeacutecies eletroativas no eletroacutelito para prever a vida uacutetil da bateria sob uma determinada carga

Segundo [22] o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula eacute um modelo analiacutetico mais realista que o linear pois consegue capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo Esse modelo tenta estimar o tempo de vida de uma bateria utilizando apenas dois paracircmetros especiacuteficos conforme podemos verificar na Eq 3 O paracircmetro α estaacute relacionado agrave capacidade da bateria e o paracircmetro β2 ao comportamento natildeo linear durante os periacuteodos de carga e descarga

α= sumk=1

n

2 I kminus 1 A(L tk t kminus 1 β2)

(3)

Segundo [22] a Eq 3 descreve o impacto do perfil de

descarga no tempo de vida da bateria onde Ik-1 eacute a corrente de descarga durante o periacuteodo k-1 A funccedilatildeo A calcula o impacto do comportamento natildeo linear na descarga da bateria onde L eacute o tempo de vida da bateria tk eacute o tempo de duraccedilatildeo do periacuteodo k e tk-1 eacute o tempo de duraccedilatildeo para o periacuteodo k-1 [16]

5 METODOLOGIA E SIMULACcedilOtildeES

Seraacute avaliado o desempenho dos algoritmos DTN segundo os seguintes aspectos tempo de vida da rede probabilidade de entrega de mensagens tempo meacutedio de entrega de mensagens sobrecarga de mensagens na rede

Para avaliar o tempo de vida da rede seraacute definida uma meacutetrica que analisa a quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando o nuacutemero de mensagens gerado nela aumenta Nessa meacutetrica o tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento que 60 dos noacutes tenham esgotado totalmente os recursos de bateria Desta forma pretende-se analisar quais dos protocolos consegue manter uma maior quantidade de noacutes vivos em um tempo meacutedio de simulaccedilatildeo

51 Ambiente de Simulaccedilatildeo

As simulaccedilotildees foram realizadas utilizando a versatildeo 160 do The Opportunistic Network Environment (The ONE) [23] um simulador baseado em eventos discretos especiacutefico para redes DTN [24] O The ONE eacute um projeto com apoio de vaacuterios institutos como o Nokia Research Center e o EIT ICT Labs

Ele foi desenvolvido em Java e tem a capacidade de simular o movimento de noacutes usando diversos modelos de movimento O The ONE jaacute possui alguns modelos de movimento prontos para uso mas tambeacutem permite a criaccedilatildeo de outros modelos Outra caracteriacutestica do The ONE eacute a possibilidade de rotear mensagens entre os noacutes usando algoritmos de roteamento DTN

Aleacutem disso o The ONE possui uma interface graacutefica que permite acompanhar em tempo real os noacutes se movendo pelo cenaacuterio e as mensagens sendo trafegadas pela rede O The ONE tambeacutem pode importar arquivos externos com dados de mobilidade e trocas de mensagens Ao final da simulaccedilatildeo ele pode gerar uma grande variedade de relatoacuterios sobre as estatiacutesticas gerais dos movimentos dos noacutes das mensagens trafegadas na rede do uso dos buffers dos noacutes do gasto de energia nos noacutes entre outros

Segundo [22] o simulador The ONE permite empregar mapas reais em sua execuccedilatildeo atraveacutes de um conjunto de

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dados formatados conhecidos como o formato Well Known Text Por meio dele eacute possiacutevel importar todas as restriccedilotildees de movimento das entidades tais como estradas ruas e pontos de interesse Com esse tipo de restriccedilatildeo as simulaccedilotildees tendem a obter resultados mais proacuteximos da realidade enriquecendo assim a pesquisa Para utilizar as restriccedilotildees o simulador conteacutem um padratildeo de mobilidade chamado Shortest Path Map-Based Movement que eacute derivado do modelo Random Waypoint [25] Neste nos pontos de decisotildees o noacute escolhe um destino aleatoriamente e baseando-se nas restriccedilotildees do mapa caminha ateacute ele utilizando o menor caminho encontrado atraveacutes do algoritmo de Dijkstra

Aleacutem de todas as caracteriacutesticas mencionadas acima O simulador The ONE foi escolhido por ter bastante suporte teacutecnico atraveacutes de uma comunidade e por permitir a execuccedilatildeo de grandes conjuntos de cenaacuterios concomitantes e por possuir scripts faacuteceis para a criaccedilatildeo de cenaacuterios

52 Configuraccedilatildeo do Ambiente Como interface de rede das entidades nas simulaccedilotildees

foi utilizado o raacutedio handheld Falcon III da empresa Harris Sua escolha se deve pelo fato de ser largamente utilizado em operaccedilotildees militares inclusive pelo Exeacutercito Brasileiro

O raacutedio utilizado nos experimentos eacute o Raacutedio VHF Handheld Falcon III Para que fossem obtidos os seus reais valores de consumo de energia em cada operaccedilatildeo de escaneamento e transmissatildeo o raacutedio foi ligado em uma bateria externa e foram realizadas as mediccedilotildees O Raacutedio Falcon III trabalha em 108V possui capacidade energeacutetica de 48 Ah e trabalha nas potecircncias de 025W 2W e 5W Por uma proteccedilatildeo de seguranccedila do raacutedio natildeo foi possiacutevel realizar mediccedilotildees para a potecircncia de 5W Na Tabela 1 estatildeo as mediccedilotildees encontradas

Tab 1 Gasto de energia do Raacutedio Falcon III

Potecircncia (W) Escaneamento (mA) Transmissatildeo (mA)

025 170 950

2 230 1500

Como uma aproximaccedilatildeo iremos supor que haacute uma

relaccedilatildeo linear entre potecircncia de transmissatildeo e consumo de energia Sendo assim as foacutermulas do gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo satildeo equaccedilotildees de retas A partir dos dados da Tabela 1 pode-se calcular as Eq 4 e Eq 5 Essas equaccedilotildees calculam respectivamente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo atraveacutes do valor da Potecircncia de Transmissatildeo Essas foacutermulas seratildeo uacuteteis em alguns cenaacuterios analisados Com as caracteriacutesticas do raacutedio consolidadas a precisatildeo dos resultados nos levaraacute agrave seguranccedila de dados mais realiacutesticos

GS=170+2407

(PT minus 025)

(4)

GT=950+22007

(PT minus 025) (5)

Os protocolos de roteamento utilizados foram os

seguintes Epidemic Spray and Wait First Contact Prophet Maxprop e Direct Delivery O Direct Delivery representa bem as comunicaccedilotildees atuais da Cavalaria Mecanizada onde uma mensagem soacute eacute roteada para outro noacute se este for o noacute destinataacuterio da mensagem Foi criada a classe Energyjava com as funccedilotildees de gastos de energia Essa classe eacute usada por todas as classes de protocolos de roteamento do The ONE

Para o protocolo de roteamento Spray and Wait utilizou-se o espalhamento binaacuterio O nuacutemero inicial de coacutepias escolhido foi de 6 mensagens valor padratildeo para o simulador

O modelo de bateria utilizado foi o Rakhmatov-Vrudhula por ser um modelo analiacutetico mais realista que o linear por conseguir capturar o efeito de taxa de capacidade e o efeito de recuperaccedilatildeo da bateria O conjunto de paracircmetros para o modelo de bateria Rakhmatov-Vrudhula foi baseado no modelo de Sausen [17] sendo o valor padratildeo correspondente ao tipo alcalina cuja constante de natildeo linearidade β2 eacute definida como 4074 Essa constante eacute utilizada no caacutelculo de suas operaccedilotildees

A quantidade de noacutes da simulaccedilatildeo depende da escolha da tropa a ser utilizada Para um Pelotatildeo de Cavalaria Mecanizado foram utilizados 9 noacutes enquanto que o Esquadratildeo de Cavalaria Mecanizado faz uso de 31 noacutes

Na simulaccedilatildeo foi utilizado um mapa no formato wkt da cidade do Rio de Janeiro com cerca de 30km de largura e 30km de comprimento Foi utilizado o site OpenStreetMap para exportar a aacuterea desejada em um arquivo de formato osm e em seguida esse arquivo foi convertido para formato wkt utilizando-se a ferramenta osm2wkt disponiacutevel no site do The ONE O uso de unidades de tropa da Cavalaria Mecanizada do Exeacutercito Brasileiro em um cenaacuterio urbano estaacute de acordo com a operaccedilatildeo da Cavalaria que visa cumprir missotildees de GLO (Garantia da Lei e da Ordem) mesmo atuando de forma descentralizada

Para a transmissatildeo de mensagens foi utilizada a velocidade de transmissatildeo de 12kbps o que se assemelha ao uso da forma de onda Narrowband desenvolvida no Projeto Raacutedio Definido por Software do Ministeacuterio da Defesa (RDS-Defesa) O tamanho das mensagens a serem trafegadas pela rede varia entre 300 bytes e 500 bytes o que condiz com o tamanho miacutenimo das mensagens trafegadas no software de Comando e Controle C2 em Combate utilizado nas operaccedilotildees do Exeacutercito Brasileiro

A Fig 5 ilustra o modelo de 2 raios [26] que se baseia em oacutetica geomeacutetrica para o caacutelculo da intensidade do campo no receptor Satildeo mostrados dois raios sendo lanccedilados pela antena transmissora e o seu recebimento na antena receptora onde satildeo combinados em um uacutenico sinal

24 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

8 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

Fig 5 ndash Modelo de Propagaccedilatildeo de 2 raios [27]

Segundo [27] apoacutes algumas simplificaccedilotildees a potecircncia recebida na propagaccedilatildeo em Terra Plana eacute dada pela Eq 6 Essa foacutermula seraacute utilizada em alguns cenaacuterios analisados

PRPT

=(hT sdothRd2

)2

(6)

PT prop d4

(7)

Da Eq 6 mantendo todas as demais variaacuteveis

constantes temos a Eq 7 onde PT (potecircncia de transmissatildeo) eacute proporcional a d4 onde d eacute o alcance

Aqui cabe uma observaccedilatildeo o efeito do desvanescimento lento estaacute sendo modelado por uma funccedilatildeo determiniacutestica baseado no modelo de propagaccedilatildeo de terra plana Isso foi considerado suficiente para a inserccedilatildeo do efeito do aumento da distacircncia entre terminais sobre os enlaces Pode ser considerado que os esquemas de equalizaccedilatildeo entrelaccedilamento e correccedilatildeo de erros poderatildeo resolver os efeitos advindos do fenocircmeno multipercurso

Na Tabela 2 estatildeo definidos os paracircmetros utilizados na simulaccedilatildeo

Tab 2 Paracircmetros de configuraccedilatildeo da simulaccedilatildeo

Atributo Valor

Tempo de simulaccedilatildeo 14400 segundos

Capacidade inicial das baterias 48Ah

Tamanho das mensagens 300 a 500 bytes

Tamanho do buffer 10MB

Intervalo de varredura 10 segundos

Velocidade de deslocamento 36 a 54 Kmh

Modelo de movimento ShortestPathMapBasedMovement

Intervalo entre novas mensagens 20 segundos

Tempo de vida das mensagens 20 minutos

53 Cenaacuterio analisado

Para conduzir a avaliaccedilatildeo de desempenho dos protocolos de roteamento escolhidos foram realizadas simulaccedilotildees em um cenaacuterio pertinente

Nesse cenaacuterio seratildeo definidos como potecircncia maacutexima e alcance maacuteximo do raacutedio os valores de 5W e 8km respectivamente A partir daiacute os valores de potecircncia seratildeo diminuiacutedos ateacute chegar no valor miacutenimo da potecircncia do raacutedio que eacute de 025W

Atraveacutes das Eq 4 Eq 5 e Eq 7 para cada valor de potecircncia de transmissatildeo os valores dos respectivos alcances gastos de escaneamento e gastos de transmissatildeo foram calculados Os valores obtidos estatildeo na Tabela 3

Nesse cenaacuterio considera-se que o operador do raacutedio Falcon III pode variar os valores de potecircncia de transmissatildeo para os valores sugeridos na Tabela 3 e consequentemente variar o alcance maacuteximo do raacutedio O objetivo desse cenaacuterio eacute analisar o desempenho de cada algoritmo de roteamento para cada potecircncia sugerida

Tab 3 Potecircncia e Alcance meacutedio do raacutedio nas simulaccedilotildees

Potecircncia (W) Alcance (m) Escaneamento (mA)

Transmissatildeo (mA)

025 3783 170 950

050 4499 179 1029

075 4979 187 1107

100 5350 196 1186

150 5921 213 1343

200 6362 230 1500

250 6727 247 1657

300 7041 264 1814

350 7318 281 1971

400 7566 299 2129

450 7792 316 2286

500 8000 333 2443

6 RESULTADOS

O nuacutemero de simulaccedilotildees utilizado nos dois cenaacuterios foi definido baseado na meacutetrica apresentada por [28] onde as simulaccedilotildees devem terminar quando o valor de δ atingir valor proacuteximo de 1 de acordo com a Eq 8 onde β eacute o nuacutemero de simulaccedilotildees e σ eacute o desvio padratildeo da amostra baseada nos β valores

σradicβltδ

(8)

O intervalo de confianccedila da simulaccedilatildeo ficou em torno

de 1 para os paracircmetros avaliados com probabilidade entre 95 a 99 Foi necessaacuterio executar em torno de 300 simulaccedilotildees para atingir esse intervalo de confianccedila

61 Tempo de Vida da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento analisados levaraacute a um maior tempo de vida da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de noacutes vivos na rede e como estes se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando a potecircncia de transmissatildeo aumenta e consequentemente os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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Para a montagem de alguns graacuteficos seraacute considerado como tempo de morte da rede como o tempo total de simulaccedilatildeo (14400 segundos ou 4 horas) ou seja a rede se manteve viva ateacute o fim da simulaccedilatildeo Isso de devo ao fato de que nas execuccedilotildees de alguns cenaacuterios todos os noacutes permaneceram com capacidade de bateria suficiente para realizar transmissotildees de mensagens e escaneamento da rede ateacute o teacutermino das simulaccedilotildees

O tempo de vida da rede eacute definido pelo intervalo de tempo entre o iniacutecio da simulaccedilatildeo ateacute o momento em que 60 dos noacutes tenham esgotado os seus recursos de bateria Assim nesta etapa verifica-se que algoritmos de roteamento conseguem manter uma maior quantidade de noacutes com recursos de bateria por mais tempo Algumas simulaccedilotildees foram finalizadas sem que o limiar de 60 dos noacutes mortos fosse alcanccedilado Para fins de anaacutelise desses casos durante a confecccedilatildeo dos graacuteficos foi considerado que 60 dos noacutes esgotaram seus recursos no uacuteltimo segundo de vida da rede (14400 segundos)

Averigua-se no graacutefico da Fig 16 ateacute a potecircncia de 025W todos os algoritmos de roteamento mantiveram mais de 60 dos noacutes vivos ateacute o fim da simulaccedilatildeo A partir de 05W o algoritmo Epidemic esgota os recursos de bateria de 60 de seus noacutes faltando 1 minuto para o fim da simulaccedilatildeo Neste cenaacuterio o algoritmo Epidemic possui desempenho pior que todos os outros algoritmos para todas as potecircncias simuladas

Percebe-se tambeacutem que o algoritmo de roteamento que manteacutem a rede viva por mais tempo foi o Direct Delivery A rede se manteve viva ateacute o uso da potecircncia de 3W

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede enquanto que o Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Fig 6 ndash Tempo de Vida da Rede

62 Probabilidade de Entrega de Mensagens

Essa meacutetrica eacute importante no sentido de elucidar o comportamento dos algoritmos DTN em um cenaacuterio de recursos limitados de bateria em relaccedilatildeo agrave probabilidade de entrega de mensagens Existem muitos trabalhos na literatura que estudam o comportamento desses algoritmos em cenaacuterios de limitaccedilatildeo de buffer e alcance mas satildeo poucos que analisam a questatildeo do gasto de energia

Percebe-se pelos graacuteficos da Fig 7 que quase todos os algoritmos obtiveram seu ponto oacutetimo na potecircncia miacutenima de 025W com exceccedilatildeo do First Contact cujo ponto oacutetimo foi em 05W Com o aumento da potecircncia e consequentemente aumento dos gastos de energia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo Podemos citar nesse caso o desempenho do algoritmo Maxprop que para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Fig 7 ndash Probabilidade de Entrega de Mensagens

O algoritmo Direct Delivery teve o pior desempenho na

entrega das mensagens Mesmo tendo uma sobrevida maior dos noacutes na rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que essa probabilidade de entrega baixa se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens

O algoritmo Epidemic costuma ter um desempenho muito bom em cenaacuterios que natildeo possuem limitaccedilotildees de tamanho de buffer como eacute o nosso cenaacuterio Por sua estrateacutegia de um noacute entregar uma coacutepia de cada uma de suas mensagens para todos os noacutes que for encontrando no caminho geralmente a probabilidade de entrega de mensagens se torna alta No nosso cenaacuterio de limitaccedilotildees de recursos de bateria por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes antes dos demais algoritmos o desempenho do Epidemic caiu drasticamente na entrega das mensagens Nota-se que o algoritmo Epidemic soacute foi melhor que o Direct Delivery se tornando pior que este para as simulaccedilotildees das potecircncias mais altas

O Spray and Wait se destacou como o melhor algoritmo para todas as potecircncias simuladas Essa tendecircncia se evidenciou ainda mais com o aumento da potecircncia tendo seu desempenho se acentuado em relaccedilatildeo ao Maxprop Percebe-se que o algoritmo Spray and Wait possui maior escalabilidade por ter uma estrateacutegia de roteamento menos complexa que as estrateacutegias do Maxprop e Prophet e por causar uma inundaccedilatildeo controlada na rede limitando assim o nuacutemero de coacutepias maacuteximo que uma mensagem pode ter na rede

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Nota-se que para a potecircncia maacutexima de 5W cenaacuterio este que possui o maior gasto de energia nas operaccedilotildees de escaneamento da rede e transmissatildeo de mensagens um algoritmo simples como o First Contact cuja estrateacutegia de roteamento eacute repassar a custoacutedia de uma mensagem para o primeiro contato que encontrar pelo caminho obteve um excelente desempenho sendo o segundo melhor algoritmo soacute perdendo para o Spray and Wait Percebe-se que para cenaacuterios com poucos noacutes e potecircncia maacutexima cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo uma estrateacutegia simples de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

63 Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

Numa operaccedilatildeo militar natildeo basta termos a garantia de que uma mensagem seraacute entregue o tempo que ela leva para chegar ao destinataacuterio eacute um fator preponderante nesse caso Em situaccedilotildees criacuteticas onde mensagens com prioridade urgente satildeo trafegadas na rede pretende-se utilizar algoritmos de roteamento que minimizem o tempo de entrega dessas mensagens

Conforme graacutefico da Fig 8 o Epidemic obteve o pior desempenho para dez das doze potecircncias simuladas Nas potecircncias de 3W e 5W o algoritmo Maxprop apresentou o maior tempo de entrega

Durante toda a simulaccedilatildeo os algoritmos Direct Delivery e Spray and Wait obtiveram comportamentos similares em relaccedilatildeo ao tempo meacutedio de entrega de mensagens Para as potecircncias de 025W ateacute 15W o Spray and Wait obteve o melhor desempenho com tempo meacutedio de entrega de mensagens variando entre 4 a 10 minutos A partir daiacute para todas as potecircncias de 2W ateacute 5W o Direct Delivery obteacutem tempo de entrega sempre 1 minuto abaixo do tempo de entrega do Spray and Wait

Fig 8 ndash Tempo Meacutedio de Entrega de Mensagens

A partir de 3W como o tempo de vida da rede eacute menor

o First Contact tambeacutem se destaca em termos de tempo de entrega de mensagens pela sua estrateacutegia simples de roteamento Prophet e Maxprop que possuem estrateacutegias custosas obteacutem desempenho similar tendo tempo de entrega na faixa dos 20 minutos ateacute a potecircncia de 3W

O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse

quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Aqui cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas agrave rede obtiveram tempo de entrega menor

64 Sobrecarga da Rede

Este quesito teve como objetivo verificar qual dos algoritmos de roteamento levaraacute a um melhor desempenho da simulaccedilatildeo em termos de sobrecarga da rede Leva-se em consideraccedilatildeo que esta meacutetrica eacute definida pela quantidade de mensagens criadas na rede

Fig 9 ndash Mensagens Criadas na Rede

Pretende-se analisar como os algoritmos de roteamento

se comportam ao longo das simulaccedilotildees quando os gastos de energia aumentam Espera-se que o aumento do gasto de energia impacte na quantidade de mensagens criadas

Conforme graacutefico da Fig 9 percebe-se que o algoritmo Direct Delivery se destacou em relaccedilatildeo aos demais por sobrecarregar menos a rede Por conta de sua estrateacutegia de roteamento natildeo realizar coacutepias de mensagens o Direct Delivery soacute trafegou na rede mensagens de noacutes que estavam vivos no momento da criaccedilatildeo da mensagem no noacute

Percebe-se novamente o ocorrido na anaacutelise do tempo meacutedio de entrega de mensagens Nota-se que o Epidemic pela estrateacutegia de inundaccedilatildeo de mensagens na rede e o Maxprop pela complexidade do algoritmo obtiveram um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando maior sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait se destacou durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada e o First Contact se destacou no final por conta da simplicidade de sua estrateacutegia perante um cenaacuterio de limitaccedilatildeo de energia

7 CONCLUSAtildeO

Para o tempo de vida da rede agrave medida que a potecircncia de transmissatildeo aumenta o tempo de vida da rede diminui comportamento jaacute esperado tendo em vista que com o aumento da potecircncia de transmissatildeo os gastos de energia nas operaccedilotildees de escaneamento e transmissatildeo de dados tambeacutem aumentam

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O algoritmo Direct Delivery foi o melhor de todos chegando a ter um tempo de vida da rede em torno de 32 minutos a mais que os demais algoritmos para algumas potecircncias simuladas Esse resultado se deve ao fato do algoritmo Direct Delivery soacute transmitir uma determinada mensagem quando encontra o noacute destinataacuterio da mesma realizando assim menos transmissotildees que os demais algoritmos e consequentemente gastando menos energia

Percebe-se que o algoritmo Epidemic eacute o que possui pior desempenho e isso se deve ao fato desse algoritmo causar inundaccedilotildees de mensagens na rede gastando mais energia por ter mais transmissotildees No geral os algoritmos Spray and Wait e First Contact se destacaram em relaccedilatildeo aos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet Essa diferenccedila se deve ao fato dos algoritmos Epidemic Maxprop e Prophet possuiacuterem estrateacutegias de roteamento que geram mais transmissotildees de mensagens na rede em relaccedilatildeo ao First Contact e Spray and Wait

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Direct Delivery eacute a melhor escolha quando se busca um maior tempo de vida da rede Em segundo lugar temos o Spray and Wait e o First Contact O Epidemic possui o pior desempenho nesse quesito

Para a probabilidade de entrega de mensagens percebe-se que a maioria dos algoritmos obteve seu ponto oacutetimo para as potecircncias baixas de 025W e 05W Nota-se que com o aumento da potecircncia a falta de bateria contribuiu significativamente para a queda de desempenho de todos os algoritmos durante a simulaccedilatildeo O Maxprop para a potecircncia de 05W obteve probabilidade de entrega de mensagens na ordem de 62 enquanto que para a potecircncia maacutexima de 5W essa probabilidade de entrega caiu para aproximadamente 38 uma mudanccedila bem significativa

Os algoritmos Direct Delivery e Epidemic obtiveram os piores resultados na entrega de mensagens Mesmo tendo um tempo de vida maior da rede em relaccedilatildeo aos demais algoritmos nota-se que o mau desempenho do Direct Delivery se deve agraves limitaccedilotildees do mesmo nas estrateacutegias de encaminhamento das mensagens O Epidemic por realizar muitas transmissotildees de mensagens e assim esgotar a bateria dos noacutes bem antes dos demais algoritmos teve um desempenho muito ruim na entrega das mensagens

Os algoritmos Spray and Wait e Maxprop foram os melhores na entrega de mensagens para todas as potecircncias simuladas obtendo resultados na faixa de 60 para as potecircncias mais baixas Percebe-se que para cenaacuterios cujo tempo de vida dos noacutes eacute baixo a estrateacutegia simples do First Contact de rotear as mensagens para o primeiro noacute disponiacutevel encontrado pelo caminho se mostrou bem eficiente

Considerando todos os algoritmos de roteamento eacute possiacutevel concluir que o Spray and Wait eacute a melhor escolha quando se busca uma maior probabilidade de entrega Em segundo lugar temos o Maxprop O Direct Delivery seguido do Epidemic possuem o pior desempenho nesse quesito

Para o tempo de entrega das mensagens o Epidemic Prophet e Maxprop obtiveram os piores resultados enquanto que o First Contact teve um bom desempenho para potecircncias altas O Maxprop que obteve um excelente desempenho em termos de probabilidade de entrega deixou a desejar nesse quesito com um tempo meacutedio de entrega de mensagens elevado

em relaccedilatildeo aos demais algoritmos Cabe ressaltar que estrateacutegias mais simples de roteamento e menos danosas a rede obtiveram tempo de entrega menor com destaque para o Spray and Wait e o Direct Delivery que obtiveram os melhores resultados

Para a sobrecarga da rede o Direct Delivery se destacou por sobrecarregar menos a rede por conta de sua estrateacutegia de roteamento de natildeo realizar coacutepias de mensagens O Epidemic foi o pior de todos gerando uma elevada sobrecarga na rede criando de 16 a 18 reacuteplicas de mensagens para cada mensagem entregue Mesmo assim essa sobrecarga da rede natildeo se refletiu em uma maior probabilidade de entrega de mensagens

O Maxprop pela complexidade de seu algoritmo obteve um mau resultado em relaccedilatildeo aos demais gerando uma grande sobrecarga na rede Novamente o Spray and Wait exibiu um oacutetimo comportamento gerando uma sobrecarga na rede trecircs vezes menor que o algoritmo Epidemic e se destacando assim durante toda a simulaccedilatildeo por conta de sua estrateacutegia de inundaccedilatildeo controlada

De todos os quesitos analisados concluiacutemos que o pior dos algoritmos foi o Epidemic por sua estrateacutegia danosa agrave rede em consumir muitos recursos de energia em menos tempo que os demais algoritmos e assim afetar todas as meacutetricas de desempenho O Direct Delivery que eacute usado nas operaccedilotildees militares do Exeacutercito Brasileiro exibiu um comportamento bom no tempo de vida da rede e sobrecarga de mensagens mas teve um peacutessimo desempenho em sua entrega

O First Contact teve um comportamento mediano obteve um bom desempenho no tempo de entrega de mensagens mas um mau desempenho na probabilidade de entrega das mesmas para potecircncias baixas e cenaacuterios com mais noacutes Ele eacute mais indicado em cenaacuterios de poucos noacutes e potecircncia alta por sua estrateacutegia simples de roteamento que natildeo causa danos agrave rede Os algoritmos Maxprop e Prophet ateacute se destacaram na meacutetrica probabilidade de entrega de mensagens mas tiveram um mau desempenho no tempo de vida da rede no tempo meacutedio de entrega de mensagens e na sobrecarga da rede

O destaque foi para o algoritmo Spray and Wait Ao mesmo tempo que exibiu uma probabilidade de entrega de mensagens e um tempo meacutedio de entrega de mensagens melhor que os demais algoritmos tambeacutem obteve um bom desempenho no tempo de vida da rede e sobrecarga da rede Seus melhores resultados foram para cenaacuterios com mais noacutes evidenciando assim a escalabilidade do algoritmo Spray and Wait

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 29REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1

O uso da inteligecircncia coletiva do EB no mapeamento terrestre de interesse para as operaccedilotildees militares

Luciano Augusto Terra Brito Luiz Felipe Coutinho Ferreira da Silva

Instituto Militar de Engenharia Praccedila General Tibuacutercio 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasil 222290-290

lucianoterra2000gmailcom

RESUMO Este trabalho apresenta uma nova perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira Pautando-se na valorizaccedilatildeo do saber individual dos seus integrantes ou seja reconhecendo a inteligecircncia coletiva da Instituiccedilatildeo eacute discutido como o Mapeamento Colaborativo restrito aos integrantes do Exeacutercito Brasileiro (EB) pode ser vantajoso para o emprego militar Fundamentado nos conceitos de Inteligecircncia Coletiva difundidos pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy o trabalho apresenta argumentos sobre o potencial da Inteligecircncia Coletiva no acircmbito do EB que pode ser empregado na cartografia de interesse para a Forccedila Terrestre

ABSTRACT This paper presents a new perspective on the possibilities of terrestrial mapping to support the operations of the Brazilian Land Force Based on the valuation of the individual knowledge of its members that is recognizing the collective intelligence of the Institution It discusses how the Collaborative Mapping restricted to the members of the Brazilian Army (EB) can be advantageous for military employment Based on the concepts of Collective Intelligence by the philosopher Pierre Leacutevy This paper presents reasons why the potential of Collective Intelligence can be used in cartography for the interest of the Land Force

PALAVRAS-CHAVE Inteligecircncia Coletiva Mapeamento Colaborativo Emprego militar Exeacutercito Brasileiro KEYWORDS Collective Intelligence Collaborative Mapping

Military employment Brazilian Army 1 INTRODUCcedilAtildeO

As informaccedilotildees geoespaciais tecircm sido popularizadas e estatildeo cada vez mais presentes no cotidiano do cidadatildeo Setores da sociedade as utilizam de forma crescente e nos mais diversos niacuteveis tais como nas poliacuteticas puacuteblicas na defesa nacional no planejamento urbano na exploraccedilatildeo de recursos naturais no comeacutercio no setor de entretenimento entre outros A demanda atual tem exigido uma produccedilatildeo cartograacutefica aacutegil e de faacutecil disseminaccedilatildeo

Apesar da crescente busca por informaccedilotildees geoespaciais a produccedilatildeo cartograacutefica oficial no Brasil esbarra em diversos problemas que ainda precisam ser resolvidos A atual configuraccedilatildeo do Sistema Cartograacutefico Nacional jaacute natildeo eacute capaz de atender agraves demandas atuais e emergentes dos diversos usuaacuterios puacuteblicos e privados da Cartografia ou mesmo incorporar capacidades e tecnologias [12] O mapeamento do Brasil eacute antigo e com vazios cartograacuteficos fato que eacute desfavoraacutevel ao desenvolvimento do Paiacutes [34]

Essa deficiente produccedilatildeo cartograacutefica nacional contribui para que o usuaacuterio opte por buscar informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro em fontes natildeo oficiais ou estrangeiras Os sistemas webmapping como Google Earth Google Maps e Bing Maps satildeo largamente empregados em diversos casos Suas caracteriacutesticas como o faacutecil acesso faacutecil operaccedilatildeo a riqueza de informaccedilotildees e principalmente a frequente atualizaccedilatildeo tecircm feito com que muitos usuaacuterios deixem de utilizar os mapas produzidos pelo Sistema Cartograacutefico Nacional para usufruir das vantagens oferecidas por esses produtos e serviccedilos gerados fora do acircmbito nacional

11 Caracterizaccedilatildeo do problema O Brasil ainda natildeo eacute detentor de uma estrutura capaz de

disponibilizar conteuacutedo cartograacutefico atualizado de forma a atender agrave demanda existente na sociedade brasileira A necessidade de se obter informaccedilotildees geograacuteficas atuais faz com que os cidadatildeos inclusive os militares busquem soluccedilotildees alternativas que estatildeo ao seu alcance para

atenderem agraves suas demandas imediatas O uso de sistemas webmapping assim como outros serviccedilos e produtos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes natildeo oficiais muito tecircm se prestado para apoiar as accedilotildees do Exeacutercito Brasileiro (EB) em diversas situaccedilotildees

Em entrevistas concedidas por cadetes e instrutores da Academia Militar das Agulhas Negras (AMAN) escola de formaccedilatildeo dos oficiais combatentes do Exeacutercito Brasileiro (EB) foi constatado que a desatualizaccedilatildeo das cartas causa grande impacto negativo no meio militar [5] Ao serem perguntados sobre as dificuldades na utilizaccedilatildeo de cartas topograacuteficas em operaccedilotildees militares 29 militares dos 30 entrevistados relataram problemas ocasionados pelo conteuacutedo cartograacutefico desatualizado mesmo sem haver perguntas diretas relacionadas a esse tema

Atentou-se para uma possiacutevel dependecircncia por parte do EB de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio brasileiro produzidas fora do acircmbito nacional Foi verificado que os cadetes tecircm aprendido a utilizar as imagens do Google Earth em suas atividades de instruccedilatildeo As imagens gratuitas que a priori serviriam para auxiliar na interpretaccedilatildeo da carta passou a ser o documento cartograacutefico principal empregado nos exerciacutecios de campo [5]

Foi constatado tambeacutem o uso de sistemas webmapping estrangeiros no planejamento e execuccedilatildeo de outras atividades em que o EB eacute empregado como por exemplo nas operaccedilotildees de pacificaccedilatildeo de comunidades no Rio de Janeiro no comando e controle de operaccedilotildees no planejamento de escoltas de batedores da Poliacutecia do Exeacutercito entre outros

O cenaacuterio tem se mostrado favoraacutevel para que os produtos e serviccedilos cartograacuteficos estrangeiros ou de fontes desconhecidas sejam supervalorizados pelos militares brasileiros em detrimento dos produtos nacionais oficiais o que conduz a uma reflexatildeo sobre questotildees estrateacutegicas e de defesa nacional

A Estrateacutegia Nacional de Defesa (END) enfatiza o princiacutepio da Independecircncia Nacional A capacitaccedilatildeo tecnoloacutegica autocircnoma sem a dependecircncia de recursos

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estrangeiros eacute colocada entre os fatores primordiais que iratildeo assegurar a Independecircncia Nacional [6] Segundo a END eacute imprescindiacutevel que a naccedilatildeo possua uma estrutura que garanta autonomia operacional para as suas Forccedilas Armadas Constata-se portanto que haacute uma necessidade urgente de se estabelecer mecanismos viaacuteveis de atualizaccedilatildeo cartograacutefica que possam ser empregados com os meios que estatildeo sob domiacutenio brasileiro ou seja de forma que se possa obter o suprimento cartograacutefico de forma autocircnoma

Os resultados de um questionaacuterio respondido por 1245 militares da linha beacutelica do Exeacutercito Brasileiro apontam que o uso de webmappings estrangeiros gratuitos tem sido muito necessaacuterio para o planejamento ou execuccedilatildeo de operaccedilotildees militares (Fig 1)

Fig 1 ndash Necessidade do uso do Google Maps Google Earth OpenStreetMap etc em operaccedilotildees militares Fonte o autor

Verificou-se tambeacutem por meio do questionaacuterio que essa necessidade vem sendo suprida em sua maior parte com o uso dos dados fornecidos pela empresa americana Google por meio de seus produtos Google Maps e o Google Earth (Fig 2)

Fig 2 ndash Recursos cartograacuteficos disponiacuteveis gratuitamente na internet utilizados nas operaccedilotildees militares Fonte o autor

As praacuteticas que tecircm sido observadas no EB com relaccedilatildeo agrave obtenccedilatildeo de geoinformaccedilotildees para o cumprimento de suas missotildees natildeo estatildeo de acordo com o que eacute pregado pela END Eacute incoerente que para cumprir suas tarefas o EB dependa do suprimento de informaccedilotildees geograacuteficas do territoacuterio nacional fornecidas por outros paiacuteses O uso dessas informaccedilotildees fragiliza o emprego da Forccedila Terrestre criando uma vulnerabilidade ao vandalismo (Fig 3) e a accedilotildees de forccedilas adversas como a desinformaccedilatildeo e a sabotagem Aleacutem disso caso haja um cerceamento do acesso a esses produtos e serviccedilos muitas operaccedilotildees que o EB realiza atualmente seratildeo dificultadas

Fig 3 ndash Exemplo de vandalismo ocorrido no Google Maps Fonte [7]

Diante do exposto cabe aqui o seguinte questionamento de que mecanismo o EB pode se apropriar para que sejam adquiridos dados atualizados do territoacuterio nacional de forma autocircnoma visando ao emprego operacional da Forccedila Terrestre

Uma alternativa que vem ganhando relevacircncia em todo o mundo eacute o Mapeamento Colaborativo Diversas iniciativas de mapeamento colaborativo tecircm impressionado com a velocidade de mapeamento e a autonomia que eacute conferida aos seus colaboradores Essa eacute uma tendecircncia mundial que tem causado um impacto bastante positivo entre os usuaacuterios na medida em que possibilita inclusive atraveacutes de dispositivos moacuteveis o acesso a informaccedilotildees cartograacuteficas atuais baacutesicas ou relacionadas a algum tema de interesse como por exemplo as condiccedilotildees do tracircnsito localizaccedilatildeo de serviccedilos iacutendices de criminalidade locais entre outros

O Mapeamento Colaborativo tem se mostrado um artifiacutecio muito importante principalmente em momentos de crise Por exemplo apoacutes o terremoto ocorrido no Haiti em janeiro de 2010 atraveacutes de projetos tais como CrisisCamp Haiti OpenStreetMap Ushahidi e GeoCommons a comunidade de contribuintes adquiriu informaccedilotildees geoespaciais que possibilitaram a elaboraccedilatildeo de mapas de valor inestimaacutevel que foram fundamentais para gestatildeo daquela crise [8]

Entretanto conforme foi tratado anteriormente o uso para fins militares dos sistemas de mapeamento colaborativo existentes esbarra em questotildees estrateacutegicas que podem prejudicar as operaccedilotildees Acredita-se que as praacuteticas de mapeamento colaborativo possam ser incorporadas no meio militar poreacutem de forma restrita e com algumas adaptaccedilotildees visando agrave seguranccedila das informaccedilotildees de forma a se consolidar em um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida confiaacutevel e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

Este trabalho tem o objetivo de reunir conceitos fatos e argumentaccedilotildees a fim de subsidiar futuras iniciativas de mapeamento colaborativo no acircmbito do Exeacutercito Brasileiro

2 A INTELIGEcircNCIA COLETIVA O referencial teoacuterico que serve de base para o

Mapeamento Colaborativo eacute o conceito de Inteligecircncia Coletiva [9] O termo foi popularizado pelo filoacutesofo Pierre Leacutevy que afirma que a Inteligecircncia Coletiva eacute uma

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inteligecircncia distribuiacuteda por toda parte incessantemente valorizada coordenada em tempo real que resulta em uma mobilizaccedilatildeo efetiva das competecircncias [10] O conceito propotildee uma valorizaccedilatildeo das habilidades e conhecimentos de cada indiviacuteduo a fim de que sejam utilizados em prol da coletividade Para o autor cada indiviacuteduo deve ser reconhecido como uma pessoa inteira de forma que natildeo seja desconsiderado por seu grau hieraacuterquico posiccedilatildeo social niacutevel de escolaridade ou qualquer outro preconceito relacionado ao seu saber

Outros termos como ldquointeligecircncia emergenterdquo ldquocoletivos inteligentesrdquo ldquoceacuterebro globalrdquo ldquosociedade da menterdquo ldquointeligecircncia conectivardquo ldquoredes inteligentesrdquo satildeo cada vez mais recorrentes entre os teoacutericos Os estudos tecircm apontado para o fenocircmeno de a sociedade estar em rede interconectada com um nuacutemero cada vez maior de pontos (pessoas) e com uma frequecircncia crescente [11]

Pierre Leacutevy afirma ainda que a maior utilidade das ferramentas comunicacionais seria em termos sociais fornecer aos grupos humanos instrumentos para reunir suas forccedilas cognitivas a fim de construir intelectuais coletivos Destaca tambeacutem que o surgimento do ciberespaccedilo cria uma situaccedilatildeo de desintermediaccedilatildeo cujas implicaccedilotildees poliacuteticas e culturais ainda natildeo se pode avaliar Quase todos podem publicar um texto sem passar por uma editora ou redaccedilatildeo de um jornal O mesmo vale para qualquer outro tipo de mensagens softwares jogos muacutesicas etc [12]

Outra abordagem sobre a Inteligecircncia Coletiva apresentada por Pierre Leacutevy eacute a analogia com as tecnologias moleculares O autor afirma que as tecnologias moleculares abordam de maneira bem precisa os objetos e os processos que elas controlam Em oposiccedilatildeo agraves tecnologias molares que consideram as coisas no atacado em massa e agraves cegas as tecnologias moleculares satildeo raacutepidas precisas agem na escala das microestruturas da nanotecnologia e reduzem desperdiacutecios e rejeiccedilotildees ao miacutenimo O Quadro 1 apresenta esse ponto de vista do autor aplicado a algumas evoluccedilotildees tecnoloacutegicas

QUADRO 1 EVOLUCcedilOtildeES TECNOLOacuteGICAS APONTADAS POR PIERRE LEacuteVY (DO MOLAR AO MOLECULAR)

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Controle da mateacuteria

Termodinacircmico (quente)

Produccedilatildeo de energia e modificaccedilatildeo das

caracteriacutesticas da mateacuteria por

aquecimentos e misturas

Nanotecnoloacutegico (frio)

Controle da transmissatildeo e do ponto de aplicaccedilatildeo das

forccedilas em escala microscoacutepica

Aacutetomo por aacutetomo

Controle das

mensagens

Midiaacutetico Fixaccedilatildeo reproduccedilatildeo descontextualizaccedilatildeo e

difusatildeo das mensagens

Digital Produccedilatildeo difusatildeo e

interaccedilatildeo em contexto Controle das mensagens

bit por bit

Regulaccedilatildeo dos grupos humanos

Transcendecircncia Os membros de um

grupo molar se organizam por categorias satildeo

unificados por liacutederes e instituiccedilotildees geridos por

uma burocracia

Imanecircncia Uma grande coletividade

em auto-organizaccedilatildeo eacute um grupo molecular Utilizando

todos os recursos das tecnologias finas ela valoriza sua riqueza

humana qualidade por qualidade

Fonte [10]

Percebe-se assim que Leacutevy considera que um coletivo inteligente (grupo molecular) eacute aquele que prima pela valorizaccedilatildeo da capacidade individual de seus membros

Valendo-se dessa perspectiva evolutiva apresentada por Pierre Leacutevy e adaptando-a para o contexto deste trabalho considera-se que para mapeamento terrestre a ideia pode ser concebida conforme o Quadro 2

QUADRO 2 ADAPTACcedilAtildeO DO PENSAMENTO DE PIERRE LEacuteVY PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE

Teacutecnicas Molares Teacutecnicas Moleculares

Mapeamento terrestre

Aquisiccedilatildeo reambulaccedilatildeo

revisatildeo e validaccedilatildeo realizadas apenas por profissionais

Produccedilatildeo e atualizaccedilatildeo em

blocos realizadas por instituiccedilotildees encarregadas

Valorizaccedilatildeo do conhecimento

geograacutefico de cada indiviacuteduo assim como as suas habilidades e

competecircncias para realizar aquisiccedilatildeo

reambulaccedilatildeo revisatildeo e validaccedilatildeo Tempo real Trata feiccedilatildeo por feiccedilatildeo

Fonte o autor

As diversas obras do filoacutesofo francecircs Pierre Leacutevy sobre esse assunto tecircm sido bastante relevantes na atualidade Sua vasta produccedilatildeo bibliograacutefica salienta as formas de valorizaccedilatildeo das capacidades individuais por meio da utilizaccedilatildeo das tecnologias a fim de que os indiviacuteduos compartilhem a sua inteligecircncia Por meio de palestras e conferecircncias Leacutevy tambeacutem difunde os conhecimentos sobre inteligecircncia coletiva e suas influecircncias na construccedilatildeo do conhecimento em ambientes digitais [13]

O fenocircmeno da inteligecircncia coletiva tem despertado o interesse de diversos estudiosos no Brasil e no mundo Trabalhos tecircm sido produzidos relacionando a inteligecircncia coletiva com diferentes contextos sociais denotando a interdisciplinaridade do tema

No campo da educaccedilatildeo por exemplo existe a preocupaccedilatildeo em se adaptar as praacuteticas pedagoacutegicas tradicionais ao atual contexto social marcado pelas relaccedilotildees sociais e pessoais digitalmente mediadas Procura-se natildeo ignorar as novas potencialidades educativas propiciadas pelos coletivos inteligentes [14]

Foi realizado um estudo exploratoacuterio sobre o uso de plataformas digitais para acesso criaccedilatildeo e difusatildeo da inteligecircncia coletiva no acircmbito da Administraccedilatildeo Puacuteblica [15] Concluiu-se que as aplicaccedilotildees da Web 20 fornecem um ambiente de troca de conhecimentos fundamental para alavancar a participaccedilatildeo do cidadatildeo nas decisotildees governamentais

No setor empresarial o conceito de inteligecircncia coletiva tambeacutem estaacute sendo empregado e investigado Atraveacutes de estudos de caso foi constatado que a economia do futuro seraacute pautada pela ldquoeconomia do humanordquo cujo capital seraacute o homem total com suas competecircncias habilidades e conhecimentos interagindo coletivamente [16] Os autores afirmam que por essa perspectiva o ser humano deve ser cultivado e valorizado pois as competecircncias e conhecimentos intrinsecamente ligados um ao outro caracterizam as riquezas humanas que as instituiccedilotildees detecircm

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Os projetos que visam ao aproveitamento da inteligecircncia coletiva tecircm surgido de forma bastante raacutepida e surpreendente na sociedade O conceito tem alcanccedilado vaacuterios setores da vida social e facilitado a vida do cidadatildeo em diversos aspectos tais como na mobilidade (Waze Uber Moovit ) nas financcedilas (Bitcoins Patreon Zopa hellip) na hospitalidade (Airbnb Couchsurfing Vayable hellip) na educaccedilatildeo (Skillshare Cinese hellip) na pesquisa (Wikipedia the Skynet hellip) na produccedilatildeo (Landshare Quirky hellip) no consumo (Freecycle Repair Cafe hellip) e no trabalho (Encontre um Nerd Freelancers Union Laboriosa89 hellip)

Reuniotildees conferecircncias simpoacutesios palestras cursos entre outras atividades relacionadas agrave inteligecircncia coletiva vecircm ocorrendo por todo o mundo No Brasil ocorre anualmente o Simpoacutesio Brasileiro de Sistemas Colaborativos (SBSC) que no ano de 2017 esteve em sua 14a ediccedilatildeo O SBSC eacute um evento de grande importacircncia nacional que abre espaccedilo para a discussatildeo sobre o desenvolvimento e uso de ferramentas para dar suporte agrave colaboraccedilatildeo entre pessoas [17]

Nesse contexto as praacuteticas de mapeamento tambeacutem estatildeo sendo reestruturadas Os conceitos de inteligecircncia coletiva aplicados aos processos cartograacuteficos tecircm dado origem a diversos projetos de mapeamento colaborativo oferecendo novas possibilidades de relaccedilatildeo com o espaccedilo no mundo contemporacircneo [18]

3 MAPEAMENTO COLABORATIVO Goodchild refere-se ao Mapeamento Colaborativo como

Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) Segundo o autor a principal vantagem da IGV eacute fornecer informaccedilotildees sobre os locais onde natildeo haacute informaccedilatildeo oficial ou que o mapeamento eacute muito antigo podendo proporcionar tambeacutem mapeamento emergencial em caso de calamidades puacuteblicas Devido agrave grande rede de sensores que satildeo os indiviacuteduos com seus dispositivos moacuteveis de localizaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo qualquer modificaccedilatildeo da realidade pode ser registrada e enviada para a rede a todo momento [19]

Embora o Mapeamento Colaborativo seja realizado tambeacutem sem o uso da Internet haacute um interesse crescente nos recursos da Web para criar coletar e disseminar informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria motivado pelos avanccedilos no campo das tecnologias de informaccedilatildeo e comunicaccedilatildeo

O desenvolvimento das tecnologias de comunicaccedilatildeo na sociedade em rede como os Sistemas de Informaccedilatildeo Geograacutefica (SIG) telefones moacuteveis e tecnologias wireless tem colaborado para a ubiquidade da tecnologia digital no cotidiano possibilitando a reelaboraccedilatildeo na maneira como o espaccedilo eacute experienciado Podem-se vislumbrar novas temaacuteticas de mapeamento que anteriormente natildeo eram desenvolvidas com os tradicionais mecanismos de produccedilatildeo cartograacutefica [18]

Verifica-se que a Internet abriga uma grande diversidade de sistemas que contam com a colaboraccedilatildeo de voluntaacuterios que fornecem as informaccedilotildees geograacuteficas Sistemas como OpenStreetMap Wikimapa Crowdmap Tracksource Urbanias Wikicrimes Fix my Street Safecast Save our Sounds Mappiness entre outros tecircm

revolucionado os conceitos de mapeamento na atualidade [20] Na literatura outros termos tambeacutem se relacionam com o Mapeamento Colaborativo como mapas 20 mapeamento participativo spatial crowdsourcing neocartografia e geocolaboraccedilatildeo [21]

O fenocircmeno social1 do Mapeamento Colaborativo tem tomando tamanha relevacircncia que em 2011 na International Cartographic Association (ICA) foi criada a Commission on Neocartography tendo como objetivo geral incentivar um maior entrosamento entre cartoacutegrafos e grupos sociais envolvidos com o Mapeamento Colaborativo A referida comissatildeo percebeu a necessidade de se investigar o surgimento da neocartografia e atuar como ponto de referecircncia para pesquisadores e profissionais da aacuterea organizar conferecircncias e workshops sobre o tema incentivar a publicaccedilatildeo em revistas de grande impacto para a Cartografia e apoiar a investigaccedilatildeo criaccedilatildeo e a divulgaccedilatildeo de informaccedilotildees sobre ferramentas da Web apropriadas para o desenvolvimento de sistemas de mapeamento colaborativo [22]

Essas novas alternativas de mapeamento tecircm figurado no cenaacuterio das pesquisas cientiacuteficas em Cartografia como fonte paralela agrave atualizaccedilatildeo dos bancos de dados cartograacuteficos oficiais O interesse por essas informaccedilotildees geograacuteficas produzidas voluntariamente tem motivado estudos relacionados principalmente com a sua aplicabilidade praacutetica com a qualidade das informaccedilotildees produzidas com a motivaccedilatildeo dos usuaacuterios para colaborarem e com a estrutura dos dados produzidos

Eacute importante frisar que no Mapeamento Colaborativo aleacutem da contribuiccedilatildeo com informaccedilotildees extraiacutedas diretamente do terreno o colaborador tambeacutem pode contribuir com informaccedilotildees obtidas atraveacutes de imagens de sateacutelites fotografias aeacutereas ou terrestres notiacutecias divulgadas pelos diversos veiacuteculos de comunicaccedilatildeo mensagens textuais dados cartograacuteficos produzidos por terceiros entre outras fontes que estiverem ao seu alcance

No trabalho de [8] eacute ressaltada a rapidez da produccedilatildeo cartograacutefica colaborativa gerada com informaccedilotildees de muacuteltiplas fontes e destacada a sua importacircncia para o mapeamento de regiotildees assoladas por desastres Em seu estudo de caso os autores mostram que no caso do terremoto que atingiu o Haiti em 2010 atraveacutes do mapeamento voluntaacuterio realizado por cidadatildeos comuns foram produzidos mapas de regiotildees que nunca haviam sido mapeadas ateacute entatildeo e nem mesmo existiam nos mapas oferecidos pelos serviccedilos de webmapping mais populares como o Google Maps

Em [24] foi verificado um crescimento significativo entre 2010 e 2012 de publicaccedilotildees relacionadas com o uso de Informaccedilatildeo Geograacutefica Voluntaacuteria (IGV) na gestatildeo das respostas a desastres Tambeacutem foram encontrados estudos que enaltecem o uso de mapas colaborativos em benefiacutecio da seguranccedila puacuteblica [25] da sauacutede da famiacutelia [26] da localizaccedilatildeo de poluiccedilatildeo sonora [27] da mobilidade urbana [9 28] do ensino universitaacuterio [29] e outros

1 Fenocircmenos sociais satildeo fatos ou eventos de interesse cientiacutefico

envolvendo os comportamentos de vaacuterias pessoas (ou de mais de uma pessoa) Trata-se das interaccedilotildees e dos resultados das interaccedilotildees de pessoas agindo em conjunto [21]

RMCT VOL36 Nordm4 2019 33REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIARMCT VOL xx Nordmx 20xx REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

A utilizaccedilatildeo dos mapas colaborativos esbarra em questotildees que envolvem a incerteza com relaccedilatildeo agrave confiabilidade dos seus dados Muitos trabalhos como os de [25 30 31 32 33 34 e 35] tecircm sido desenvolvidos no sentido de se avaliar a qualidade de mapas colaborativos De forma geral os referidos trabalhos apresentam avaliaccedilotildees relacionadas a um ou mais elementos de qualidade de dados (completude consistecircncia loacutegica acuraacutecia posicional acuraacutecia temaacutetica e qualidade temporal) estabelecidos pela norma internacional ISO 191572013 (Geographic Information ndash Data Quality)

Alguns estudos investigam meacutetodos para a estimaccedilatildeo da qualidade dos mapas colaborativos sem necessariamente se fazer uma avaliaccedilatildeo dos dados em si Trabalhos como os de [36 37 38 39 40 41 e 42] mostram que a estimaccedilatildeo da qualidade dos dados dos mapas colaborativos pode ser feita atraveacutes do conhecimento de alguns dados externos aos mapas tais como a reputaccedilatildeo dos usuaacuterios a quantidades de usuaacuterios (Lei de Linus 2 ) e a frequecircncia de ediccedilotildees confirmaccedilotildees e correccedilotildees dos dados

A motivaccedilatildeo para que os indiviacuteduos participem voluntariamente da produccedilatildeo de mapas colaborativos tambeacutem tem sido objeto de alguns estudos De forma sinteacutetica os fatores mais relevantes que tecircm contribuiacutedo para gerar motivaccedilatildeo nos participantes satildeo o altruiacutesmo o interesse pessoal nos resultados dos projetos a autopromoccedilatildeo perante a coletividade a recompensa social a satisfaccedilatildeo em fornecer informaccedilotildees de interesse para pessoas afetivamente proacuteximas e o orgulho do lugar [10 19 43 44 45 e 46]

Devido agrave relevacircncia dos mapas colaborativos para a realidade brasileira existem estudos relacionados com a compatibilidade dos dados colaborativos com os dados produzidos pelas agecircncias oficiais de mapeamento no Brasil sugerindo a possibilidade de complementaacute-los com a participaccedilatildeo da sociedade Em seu trabalho [47] investigam a compatibilidade das informaccedilotildees geograacuteficas voluntaacuterias com o Perfil de Metadados Geoespaciais do Brasil adotado na estruturaccedilatildeo da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais do Brasil (INDE-BR) Jaacute [45] apresentam um novo modelo de visatildeo colaborativa para a INDE-BR que considera a informaccedilatildeo geograacutefica voluntaacuteria

Agrave luz do exposto considera-se relevante que as experiecircncias positivas que o Mapeamento Colaborativo tem proporcionado de forma global sejam introduzidas no contexto da Defesa Nacional na forma de um sistema colaborativo que seja operado e alimentado no acircmbito do EB Os conceitos da Inteligecircncia Coletiva poderiam se empregados apenas entre o efetivo do EB com vistas agrave consolidaccedilatildeo de um mecanismo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica raacutepida e autocircnoma para atender agraves demandas da Forccedila Terrestre

2 A Lei de Linus eacute popularmente interpretada como ldquodados olhos

suficientes todos os erros satildeo oacutebvios Eacute uma alusatildeo a Linus Torvalds criador do sistema operacional Linux Segundo a lei quanto mais pessoas estiverem envolvidas num projeto de desenvolvimento de software maior eacute a garantia de qualidade Para o mapeamento colaborativo o mesmo conceito pode ser aplicado relacionando o nuacutemero de colaboradores que participam do mapeamento agrave qualidade das informaccedilotildees produzidas [41]

4 POTENCIAL DA INTELIGEcircNCIA COLETIVA DO EB

PARA O MAPEAMENTO TERRESTRE Para [18] se o conhecimento cartograacutefico for pensado

como um produto social os mapas podem ser compreendidos como mediadores entre diferentes visotildees do mundo (concepccedilotildees cartograacuteficas) Sendo assim um mapa construiacutedo pelos proacuteprios membros de uma sociedade representa a visatildeo de mundo dos integrantes dessa mesma sociedade Dessa forma considerando-se que o militar precisa ter uma visatildeo de mundo peculiar para cumprir as suas atividades operacionais um mapa construiacutedo por militares que desempenham atividades operacionais por exemplo eacute representativo da visatildeo de mundo peculiar dessa categoria de militares favorecendo a consciecircncia situacional e consequentemente o desempenho operacional dos usuaacuterios

O EB possui suas Organizaccedilotildees Militares distribuiacutedas em todos os 26 estados brasileiros e no Distrito Federal [48] Os militares natildeo apenas se fazem presentes em toda a extensatildeo do Brasil mas as suas atribuiccedilotildees cotidianas os tornam profundos conhecedores do solo paacutetrio

As tropas do EB realizam durante todo o ano operaccedilotildees reais exerciacutecios de adestramento e accedilotildees subsidiaacuterias em que os militares tecircm a oportunidade de transitar por diversas regiotildees inclusive por lugares onde o mapeamento existente eacute precaacuterio por serem aacutereas de difiacutecil acesso Essas satildeo oportunidades favoraacuteveis para que os militares ajam como uma rede de sensores de coleta de dados geoespaciais como proposto por Goodchild [19]

Em seu trabalho [18] acrescenta que tem sido cada vez mais necessaacuterio construir uma visatildeo ampliada que englobe a apropriaccedilatildeo do espaccedilo decorrente da proacutepria experiecircncia que promove usos muitas vezes diferentes daqueles previstos institucionalmente

Para ilustrar essa apropriaccedilatildeo do espaccedilo sugerida cabe aqui destacar o projeto Amsterdam RealTime idealizado por Esther Polak artista de Amsterdatilde que atua na aacuterea de novas miacutedias [49] O referido projeto partiu da premissa de que cada habitante de Amsterdatilde tem um mapa invisiacutevel da cidade em sua cabeccedila A maneira como ele se move sobre a cidade e as escolhas que faz neste processo satildeo determinados por esse mapa mental O projeto buscou visualizar esses mapas mentais atraveacutes do mapeamento dos trajetos percorridos pelos habitantes da cidade

Durante dois meses todos os residentes de Amsterdatilde foram convidados a serem equipados com receptores GPS portaacuteteis que transmitiam os dados em tempo real para uma central Os traccedilados obtidos foram visualizados numa tela com fundo preto onde foram exibidos os percursos dos habitantes revelando padrotildees de utilizaccedilatildeo do espaccedilo que se alteravam em tempo real (Fig 4)

34 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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Fig 4 ndash Mapa gerado pelo projeto Amsterdam RealTime Fonte [49]

O Projeto Amsterdam RealTime resultou no mapeamento da forma como os habitantes de Amsterdatilde se apropriaram dos espaccedilos da cidade o que incluiu as suas principais vias urbanas Conjecturando-se a aplicaccedilatildeo de um projeto semelhante no contexto das operaccedilotildees do EB aleacutem das vias jaacute existentes novas possibilidades relacionadas a uma peculiar apropriaccedilatildeo do espaccedilo seriam ldquodescobertasrdquo podendo servir como uma base cartograacutefica para o planejamento e execuccedilatildeo de futuras operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Trilhas nas matas rotas nas montanhas rotas fluviais e mariacutetimas caminhos desenfiados acessos satildeo exemplos de vias que existem nos mapas mentais de vaacuterios militares do EB

Na sociedade militar podem ser encontradas pessoas com as mais diversas ocupaccedilotildees e consequentemente variadas formas de se apropriarem do espaccedilo Profissionais da inteligecircncia patrulheiros aviadores barqueiros mergulhadores paraquedistas montanhistas batedores engenheiros topoacutegrafos atletas de orientaccedilatildeo logiacutesticos entre outros podem apresentar concepccedilotildees do territoacuterio que sejam interessantes para a atuaccedilatildeo profissional de outros militares

Cabe salientar tambeacutem que ao longo do tempo foram notadas mudanccedilas de paradigmas com relaccedilatildeo aos espaccedilos de batalha As guerras da atualidade deixam de ter um caraacuteter linear com espaccedilos geograacuteficos definidos passando a ocorrer em ambientes hiacutebridos agora sem frentes com inimigo distinto que exige da estrutura militar novas competecircncias e maior flexibilidade [50] Essa nova concepccedilatildeo do espaccedilo de batalha tambeacutem eacute acompanhada de uma forma diferente de se relacionar com o espaccedilo fiacutesico O autor afirma ainda que uma tropa organizada e treinada para a conquista de objetivos concretos no terreno natildeo estaacute preparada para entender a dimensatildeo do espaccedilo de batalha onde a guerra eacute vencida muito aleacutem do campo de batalha

No campo da Cartografia entende-se que eacute necessaacuterio um conhecimento que vaacute aleacutem da representaccedilatildeo fiacutesica do terreno eacute necessaacuterio conceber e representar o terreno de forma a favorecer o emprego militar nessa nova conjuntura As possibilidades propiciadas pelo Mapeamento Colaborativo parecem convergir para as necessidades militares atuais na medida em que possibilita que o conhecimento as percepccedilotildees as experiecircncias e as opiniotildees individuais tambeacutem sejam mapeados de forma irrestrita favorecendo a formaccedilatildeo de uma consciecircncia situacional compatiacutevel com as exigecircncias dos modernos cenaacuterios de combate

Aleacutem disso o comprometimento com a Instituiccedilatildeo somado aos outros valores morais cultuados na Forccedila como a disciplina a lealdade e a camaradagem favorecem a confiabilidade das informaccedilotildees adquiridas Para [51] ao se equacionar o problema de confiabilidade pode-se integrar o dado colaborativo agraves bases oficiais permitindo que a oferta de informaccedilatildeo cartograacutefica seja condizente com a demanda atual da sociedade brasileira

Finalmente pretende-se que as discussotildees aqui realizadas natildeo soacute forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos de Cartografia Colaborativa no EB mas que tambeacutem fomentem o interesse pelo tema contribuindo para que o apoio cartograacutefico agrave Forccedila Terrestre Brasileira seja continuamente aperfeiccediloado

5 CONSIDERACcedilOtildeES Finais Buscou-se com este trabalho apresentar uma nova

perspectiva sobre as possibilidades de mapeamento terrestre para apoio agraves operaccedilotildees da Forccedila Terrestre Brasileira A problemaacutetica em que este trabalho estaacute inserido merece ser amplamente discutida para que soluccedilotildees sejam sugeridas e que juntamente com esta pesquisa forneccedilam embasamento para o desenvolvimento de projetos capazes de conferir maior autonomia para o emprego das Forccedilas Armadas e o fortalecimento da Defesa Nacional

Espera-se que este trabalho possa tambeacutem fomentar o pensamento criacutetico a respeito do papel da Engenharia Cartograacutefica do Exeacutercito Brasileiro em meio ao cenaacuterio atual onde os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm possibilitado ao usuaacuterio um amplo acesso agrave informaccedilatildeo geoespacial e aos serviccedilos de mapas disseminados mundialmente por meio da Internet

Para [10] devido agraves possibilidades de acesso direto aos conteuacutedos disponiacuteveis no ciberespaccedilo ou seja devido agrave desintermediaccedilatildeo da informaccedilatildeo as instituiccedilotildees deveriam ter as suas funccedilotildees redefinidas de forma que os profissionais que realizam a mediaccedilatildeo de conteuacutedos passassem a ter funccedilatildeo de fornecer auxiacutelio a essa ldquonavegaccedilatildeordquo tornando-se organizadores garantidores administradores e executantes de Inteligecircncia Coletiva

RMCT VOL36 Nordm4 2019 35REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 1

Atualizaccedilatildeo cartograacutefica de aacuterea urbana com o uso de Veiacuteculo Aeacutereo Natildeo Tripulado (VANT) quadrotor

Elias N N Eliasa Vivian O Fernandes b Mirele V Silvac Elaine G V Jesusd

a Universidade Federal do Paranaacute Rua XV de Novembro 1299 - Centro Curitiba - PR 80060-000

b Universidade Federal da Bahia Av Adhemar de Barros snordm - Ondina Salvador - BA 40170-110

elias_naim2008hotmailcom RESUMO O objetivo desse trabalho consistiu na atualizaccedilatildeo cartograacutefica da aacuterea que contempla os campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro da Universidade Federal da Bahia utilizando dados provenientes de um aerolevantamento por meio de um VANT quadrotor A metodologia empregada neste trabalho previu a anaacutelise e interpretaccedilatildeo dos elementos presentes na aacuterea de estudo planejamento dos voos correspondentes aos locais nos quais houve mudanccedilas aquisiccedilatildeo das fotografias aeacutereas calibraccedilatildeo da cacircmera identificaccedilatildeo de feiccedilotildees homoacutelogas entre os dados obtidos e o terreno e coleta de coordenadas por meio de rastreio GNSS Ao final pocircde-se gerar o mapa atualizado a partir das ortofotos classificaacute-lo de acordo com Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica (Classe B na escala 12000) e descrever as dificuldades encontradas a partir desta teacutecnica

ABSTRACT The objective of this work was to update the cartography of the area that includes the campuses of Ondina Federaccedilatildeo and Satildeo Laacutezaro of the Federal University of Bahia using a VANT quadrotor aerial survey data The methodology employed in this work included the analysis and interpretation of the elements present in the study area flight planning corresponding to locations where changes were made acquisition of aerial photographs camera calibration identification of homologous features between the obtained data and the terrain and gathering of coordinates through GNSS tracing At the end it was possible to bring forth an updated map from the orthophotos classify it according to the Cartographic Correlation Standard (Class B in the scale 1 2000) and describe difficulties encountered from this technique

PALAVRAS-CHAVE Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Controle de Qualidade VANT quadrotor KEYWORDS Cartographic update quality control quadrotor

UAV

1 INTRODUCcedilAtildeO

Cartografia eacute a ciecircncia que trata da organizaccedilatildeo apresentaccedilatildeo comunicaccedilatildeo e utilizaccedilatildeo da geoinformaccedilatildeo sob uma forma que pode ser visual numeacuterica ou taacutetil incluindo todos os processos de elaboraccedilatildeo apoacutes a preparaccedilatildeo dos dados bem como o estudo e utilizaccedilatildeo dos mapas ou meios de representaccedilatildeo em todas as suas formas [1]

Profissionais que atuam nos segmentos de Sensoriamento Remoto Fotogrametria e Computaccedilatildeo de Imagens tecircm realizado pesquisas no intuito de melhorar os processos de detecccedilatildeo de mudanccedilas utilizando imagens multitemporais [2]

De acordo com [3] e [4] pesquisas nesta vertente tecircm o objetivo de identificar mudanccedilas fiacutesicas em objetos a partir de imagens aacutereas obtidas ao longo do tempo Neste sentido muitas teacutecnicas tecircm sido desenvolvidas e aplicadas por pesquisadores relacionadas principalmente com o processamento digital de imagens

Em linhas gerais o conceito de atualizaccedilatildeo estaacute voltado agrave alteraccedilatildeo de elementos sem que o dado anterior seja perdido Dessa forma os dados atuais satildeo agregados ao Banco de Dados existente [2]

[5] em seu trabalho aplicou teacutecnicas fotogrameacutetricas utilizando cacircmeras convencionais e de pequeno formato no intuito de detectar e medir variaccedilotildees geomeacutetricas

[6] abordam a viabilidade na utilizaccedilatildeo de imagens de Sateacutelite QuickBird em atualizaccedilotildees de mapeamentos em escalas grandes de acordo com as teacutecnicas e os procedimentos utilizados na ortorretificaccedilatildeo Dessa forma resultados de pesquisas revelam que estas imagens podem ser utilizadas na atualizaccedilatildeo de mapeamentos ateacute a escala de 13000 a partir de um modelo digital de terreno obtido em restituiccedilatildeo fotogrameacutetrica na escala de 15000

No que diz respeito ao Brasil as crescentes mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico ocasionadas por fatores socioeconocircmicos e pela urbanizaccedilatildeo requerem que sejam realizadas atualizaccedilotildees nos mapeamentos locais em curtos periacuteodos de tempo a fim de que se possam analisar tais mudanccedilas Tratando-se de mapeamento em escala grande a criaccedilatildeo de novas metodologias para a atualizaccedilatildeo cartograacutefica eacute de fundamental importacircncia uma vez que eacute inerentes agraves mudanccedilas nos aspectos urbanos em periacuteodos de tempo cada vez menores como a construccedilatildeo de novas aacutereas edificadas transformaccedilotildees no sistema viaacuterio mudanccedilas na vegetaccedilatildeo etc

Diante das metodologias relacionadas agrave atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aeacutereas e orbitas citadas este trabalho objetivou realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica com o uso do VANT quadrotor nos campi de Ondina Federaccedilatildeo e Satildeo Laacutezaro Universidade Federal da Bahia (UFBA) identificando a sua viabilidade e limitaccedilotildees para projetos de mapeamento em escala grande aplicando o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC-PCD) a partir de uma base cartograacutefica digital vetorial

Eacute vaacutelido ressaltar que o equipamento utilizado permite a obtenccedilatildeo de imagens aeacutereas em pequenas aacutereas em um menor periacuteodo de tempo e custo quando comparadas agraves outras teacutecnicas tradicionais (Fotogrametria Levantamento Topograacutefico Levantamento GNSS etc)

2 REFERENCIAL TEOacuteRICO

21 Base cartograacutefica digital de referecircncia Com o advento de novas tecnologias as bases

cartograacuteficas que antes eram elaboradas por meio de processos analoacutegicos passaram a ser elaboradas em meio

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2 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA RMCT VOL 34 Nordm3 2017

digital permitindo avanccedilos e melhorias no manuseio e disseminaccedilatildeo das informaccedilotildees [7] define uma base cartograacutefica digital como sendo o conjunto de documentos e registros cartograacuteficos em formato digital onde os elementos representam os componentes de um determinado local delimitado a partir de uma aacuterea de estudo

A elaboraccedilatildeo de documentos cartograacuteficos que proporcionam dados que definem uma base cartograacutefica eacute realizada atraveacutes de processos complexos Deve ser gerada a partir de padrotildees e especificaccedilotildees teacutecnicas uacutenicas que garantam a comunicaccedilatildeo cartograacutefica entre os elementos que a constituem e permitam o seu compartilhamento interoperabilidade e distribuiccedilatildeo viabilizando e facilitando o niacutevel de utilidade no uso da informaccedilatildeo nos mais diversos paracircmetros socioeconocircmicos definidos tanto no setor puacuteblico governamental quanto no setor privado [8]

No Brasil as produccedilotildees de dados cartograacuteficos oficiais do mapeamento sistemaacutetico em niacutevel nacional com escala inferior a 125000 estatildeo a cargo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatiacutestica (IBGE) e da Diretoria do Serviccedilo Geograacutefico (DSG) A DSG disponibiliza cartas topograacuteficas matriciais e vetoriais ortoimagens e modelos digitais de superfiacutecie nas escalas de 125000 a 1250000 O IBGE disponibiliza folhas em formato matricial ou raster em diversas escalas e ainda permite o acesso a bases contiacutenuas do Brasil produzidas nas escalas de 11000000 e 1250000 [9]

Em 2006 a CONCAR constituiu o Comitecirc Especializado para a Estruturaccedilatildeo da Mapoteca Nacional Digital (CEMND) desenvolvendo a Estrutura de Dados Geoespaciais Vetoriais (EDGV) A Especificaccedilatildeo Teacutecnica para a Estruturaccedilatildeo de Dados Geoespaciais Vetoriais (ET-EDGV) editorada pela DSG e homologada pela CONCAR em 2010 apresenta a estruturaccedilatildeo do Mapeamento Sistemaacutetico Terrestre da Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE) para viabilizar o compartilhamento de dados a interoperabilidade e a racionalizaccedilatildeo dos recursos em relaccedilatildeo aos produtores e usuaacuterios [10]

A EDGV apresenta instacircncias para a categorizaccedilatildeo de dados geoespaciais representando classes como Hidrografia Relevo Vegetaccedilatildeo Sistema de Transporte Energia e Comunicaccedilotildees Abastecimento de Aacutegua e Saneamento Baacutesico Educaccedilatildeo e Cultura Estrutura Econocircmica Localidades Pontos de Referecircncia Limites Administraccedilatildeo Puacuteblica e Sauacutede e Serviccedilo Social [10]

22 Atualizaccedilatildeo Cartograacutefica Atualmente as teacutecnicas e meacutetodos utilizados para

mapeamento e atualizaccedilatildeo cartograacutefica tecircm sido cada vez mais estudados devido agraves intensas mudanccedilas no cenaacuterio geograacutefico principalmente em se tratando de variaccedilotildees urbanas onde a ocupaccedilatildeo cada vez mais expressiva desencadeia variaccedilotildees em periacuteodos de tempo cada vez menores Uma das principais dificuldades no processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica estaacute relacionada aos niacuteveis de detalhamento estabelecidos por meio da escala utilizada e agrave demanda de informaccedilotildees nos dados jaacute disponiacuteveis

No Brasil a desatualizaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos tornou prioritaacuteria a busca por meacutetodos alternativos para realizar a atualizaccedilatildeo cartograacutefica Esta permite obter uma base cartograacutefica soacutelida para realizar o planejamento urbano e o gerenciamento do territoacuterio nacional [11]

[12] constataram que o Brasil soacute possui cobertura completa de mapeamento oficial nas escalas de 1100000 e 1250000 Produtos cartograacuteficos que sejam utilizados para fins de planejamento e ordenamento de aacutereas do espaccedilo geograacutefico requerem que sejam desenvolvidos mapeamentos em escalas maiores que possuam um menor grau de generalizaccedilatildeo permitindo identificar determinados elementos que servem de subsiacutedios para a ordenaccedilatildeo e elaboraccedilatildeo de uma base cartograacutefica

[13] atribui agraves seguintes anaacutelises que satildeo realizadas no desenvolvimento de mapeamentos em escala grande

Escala de 110000 - Utilizada para mapeamento de

aacutereas urbanas e rurais Escala de 12000 e 110000 ndash Utilizada para

mapeamento e identificaccedilatildeo de feiccedilotildees referentes a aacutereas urbanizadas

Para implantaccedilatildeo de uma atualizaccedilatildeo sistemaacutetica contiacutenua eacute

necessaacuterio que o fluxo de informaccedilotildees seja permanente viabilizando a dinacircmica do trabalho e permitindo que seja desenvolvido o processo de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Dessa forma as informaccedilotildees que satildeo indispensaacuteveis para a atualizaccedilatildeo de um mapeamento na escala de 12000 satildeo decorrentes da accedilatildeo humana [13]

Para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica a partir de imagens aleacutem dos trabalhos realizados por [5] e [6] podem ser citados o de [11] que utilizou teacutecnicas de Processamento Digital de Imagens a partir de uma Morfologia Matemaacutetica para analisar imagens dos sateacutelites LANDSATTM e IKONOS e o de [14] que aplicou a teacutecnica Radiometric Rotation Controlled by Nonchangeaxis (RCEM) para a detecccedilatildeo de alteraccedilotildees em imagens orbitais da mesma banda obtidas em diferentes eacutepocas

Outra forma de atualizaccedilatildeo cartograacutefica diz respeito agrave realizaccedilatildeo de um projeto de aerolevantamento com a tomada e processamento de fotografias da aacuterea a ser mapeada Apesar da eficiecircncia desse meacutetodo e garantia de boa qualidade posicional principalmente para mapeamentos em escala grande quando utilizado para projetos de atualizaccedilatildeo nota-se que natildeo eacute tatildeo viaacutevel financeiramente

Este ponto foi discutido por [13] que afirma que o ideal para fins de atualizaccedilatildeo em escala grande seria a realizaccedilatildeo de um recobrimento fotogrameacutetrico anual de um determinado local

Os avanccedilos tecnoloacutegicos tecircm permitido a implementaccedilatildeo de teacutecnicas atreladas ao desenvolvimento da cartografia digital e juntamente com isso o desen-volvimento dos Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados ndash VANTs Estes possibilitam obter fotografias aeacutereas a partir de programas especiacuteficos para processamento

RMCT VOL36 Nordm4 2019 39REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

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digital de imagens e por meio destas eacute possiacutevel realizar o planejamento de pequenas cidades e em alguns casos rea-lizar projetos de atualizaccedilatildeo em cidades meacutedias inserindo em outros produtos cartograacuteficos os recortes espaciais

23 Mapeamento com VANT quadrotor Os Veiacuteculos Aeacutereos Natildeo Tripulados (VANTs) tecircm sido

utilizados para as mais diversas aplicabilidades civis desde anaacutelises ambientais ateacute o desenvolvimento de projetos de mapeamento Tais equipamentos quando acoplados a cacircmeras digitais de qualidade permitem a aquisiccedilatildeo de fotos aeacutereas e a aplicaccedilatildeo de teacutecnicas de fotogrametria [15]

Aleacutem das cacircmeras digitais os VANTs possuem um GNSS acoplado e satildeo utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees servindo como foco de investigaccedilatildeo em vaacuterios aspectos da superfiacutecie terrestre A tomada de fotografias ocorre a partir de uma dada sobreposiccedilatildeo que a partir do conceito de estereoscopia permite gerar Modelos Digitais de Elevaccedilatildeo (MDE) e Modelo Digitais de Superfiacutecie (MDS) para realizar anaacutelises especiacuteficas como estudos de expansatildeo da ocupaccedilatildeo urbana identificaccedilatildeo de aacutereas suscetiacuteveis a desastres naturais etc

[16] afirma que a navegaccedilatildeo autocircnoma do VANT eacute realizada por meio do uso de sistema GNSS atraveacutes do uso de tecnologia inercial de mediccedilatildeo e uso de outros sensores Para permitir que seja realizado um trabalho fotogrameacutetrico com o uso de VANTs eacute necessaacuterio que o mesmo seja programaacutevel possibilitando o desenvolvimento da sistemaacutetica de mapeamento da regiatildeo de interesse

Os avanccedilos relacionados agraves teacutecnicas de engenharia e ciecircncias dos materiais permitiu o desenvolvimento de pequenos VANTs quadrotores tambeacutem chamados de microdrones que podem ser equipados com cacircmeras e outros sensores podendo estes serem operados a partir de uma estaccedilatildeo de controle no solo No que diz respeito a fins de uso civil tais equipamentos podem ser utilizados para as mais diversas aplicaccedilotildees onde de acordo com [17] destacam-se

Imagens aeacutereas convencionais Imagens aeacutereas convencionais em tempo real Imagens de infravermelho Modelos estereoscoacutepicos para a fotogrametria

O mesmo autor ainda ressalta o uso dos VANTs quadrotores

devido a sua simplicidade mecacircnica e agraves facilidades com que podem ser executadas manobras ao se fazer uso do mesmo tornando-se aplicaacutevel nas mais diversas pesquisas desenvolvidas A facilidade e operacionalidade permitida ao executar um determinado voo utilizando tal equipamento viabilizam a obtenccedilatildeo de informaccedilotildees que antes natildeo eram possiacuteveis uma vez que satildeo atribuiacutedas tecnologias que possibilitam a decolagem vertical voo pairado facilidade de aterrissagem em pouco espaccedilo sensores inerciais e presenccedila de obstaacuteculos Aleacutem disso permite-se obter uma ampla visatildeo sobre variaccedilotildees no espaccedilo territorial no que diz respeito a

monitoramento ambiental gestatildeo de desastres e processos de urbanizaccedilatildeo

De acordo com [18] a expressatildeo VANT natildeo diz respeito unicamente para a aeronave como sendo um equipamento fiacutesico mas estaacute relacionada tambeacutem com outros elementos que satildeo parte deste Sendo assim aleacutem da aeronave compreende a estaccedilatildeo de controle o sistema de lanccedilamento e de pouso e demais componentes operacionais Dessa forma eacute caracterizado por todos os elementos configuraacuteveis que viabilizem natildeo soacute a execuccedilatildeo do voo mas tambeacutem o objetivo a ser alcanccedilado

No que tange agrave regulamentaccedilatildeo dos voos nenhum VANT civil tem a permissatildeo de operar em territoacuterio nacional sem a autorizaccedilatildeo da Agecircncia Nacional de Aviaccedilatildeo Civil (ANAC) do Departamento de Controle do Espaccedilo Aeacutereo (DECEA) Agecircncia Nacional de Telecomunicaccedilotildees (ANATEL) e determinados oacutergatildeos regulares sendo um deles referente ao Ministeacuterio da Defesa

A legislaccedilatildeo referente ao uso de VANTrsquos no Brasil foi estabelecida a partir da Portaria da Defesa Normativa nordm 606 de 2004 que apresenta diretrizes para a obtenccedilatildeo de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados e as suas providecircncias Quanto agrave regulamentaccedilatildeo do uso de VANTrsquos no Brasil ateacute o ano de 2017 os documentos vigentes eram

Circular de Informaccedilotildees Aeronaacuteuticas ndash AIC nordm 2110 ndash

DECEA Setembro2010 tal circular tem como finalidade estabelecer as informaccedilotildees necessaacuterias para o uso de veiacuteculos aeacutereos natildeo tripulados no Brasil

Decisatildeo nordm 127 ndash ANAC Novembro2011 autorizaccedilatildeo

para operaccedilatildeo aeacuterea de Aeronave Remotamente Pilotada do Departamento de Poliacutecia Federal

Instruccedilatildeo Suplementar nordm 21-002 - Revisatildeo A - ANAC

Outubro2012 Orienta aplicaccedilatildeo da seccedilatildeo 21191 do RBAC 21 (Regulamento Brasileiro de Aviaccedilatildeo Civil) para emissatildeo de CAVE (Certificado de Autorizaccedilatildeo para Voo Experimental) para SISVANT de uso experimental (pesquisa e desenvolvimento treinamento de tripulaccedilotildees e pesquisa de mercado)

No ano de 2017 a ANAC procedeu agrave regulamentaccedilatildeo

dos VANTrsquos estabelecendo regras para o uso civil e os requisitos miacutenimos para realizar operaccedilotildees a partir dos meacutetodos de pilotagens

O subitem 24 aborda caracteriacutesticas recentes ao algoritmo Structure from Motion (SfM) sendo um dos principais algoritmos utilizados nos softwares de equipamentos VANT

24 Structure from Motion (SfM) De acordo com [19] o SfM permite realizar a extraccedilatildeo

de feiccedilotildees tridimensionais (3D) a partir de imagens estaacuteticas obtidas em duas dimensotildees (2D) Dessa forma a partir de um conjunto de fotografias de uma determinada aacuterea processadas por meio de um software especiacutefico eacute possiacutevel obter uma estrutura 3D dos alvos capturados

Os mesmos autores ainda afirmam que a aplicaccedilatildeo desta teacutecnica surgiu da simplicidade do seu uso e o baixo custo

40 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

4

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meima

detcarvizruiacutecomde Scadet

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ao claacuteesp3Dcacircmresiterse aut

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1)

2)

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4) 5) 6)

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e Ade Bah

m relaccedilatildeo aos eando comparaO SfM faz a

eio da detecccedilatildeagens resultanA detecccedilatildeo d

tecccedilatildeo de kracteriacutesticas zinhos alta rdos na imagmo escala trapontos homoacute

ale Invariant terminar regiotildeDe acordo c

orra a recondimensional e uma seacuterie de

ovimentaccedilotildees agens sejam a[23] afirmamuso do algo

aacutessica diz resppecificaccedilatildeo ini

D conhecidas meras e as suasolvidos de forativo com a

fundamentatomaticamente [24] apres

construccedilatildeo 3Dguir

Determinaccedilatildecada imagem

Identificaccedilatildeofeiccedilotildees corre

Determinaccedilatildecena e a mov

Calibraccedilatildeo d

Adensamento

Geraccedilatildeo do triangular

AacuteREA DE EA aacuterea de est

mpreende a Ue correspondemzaro A escolhorreu devido agraveuipamentos com

De acordo coAmbiental da [

ensino pesquhia com a sua

equipamentos ado em relaccedilatildeoa reconstruccedilatildeoatildeo de pontos ando numa nuvde elementos keypoints qutextura inconrepetibilidadeem e transfo

anslaccedilatildeo e rotaoacutelogos nas im

Feature Traotildees comuns naom [21] os a

nstruccedilatildeo da a partir do mimagens bidiem torno d

alinhadas m que a difereoritmo SfM peito ao fato icial de uma sem relaccedilatildeo agrave

as orientaccedilotildeesorma simultacircnalta redundacircnca em uma e a partir de imsentam um

D sendo divid

atildeo de inuacutemerm

o dos emparespondentes

atildeo de uma estivimentaccedilatildeo rel

da cacircmera

o da nuvem d

modelo tridi

ESTUDO tudo utilizada

Universidade Fem aos campi

ha deste local pagraves mudanccedilas nmo edificaccedilotildeesom o Plano Dir25] tal univer

uisa e extensatildeosede localizada

utilizados paro a outros meacuteto da posiccedilatildeo de interesse evem esparsa dem SfM eacute c

ue apresentamnfundiacutevel em invariacircncia

ormaccedilotildees geoaccedilatildeo [21] Par

magens utilizansform (SIFTas fotografias algoritmos SfMcena de cap

movimento da cmensionais obda cena per

enccedila caracteriacuteem relaccedilatildeo deste natildeo ne

seacuterie de dadosagrave cena captura Sendo assim

nea por meio cia de ajuste d

base de magens sobrep

meacutetodo qudida de acordo

ras feiccedilotildees ca

relhamentos

imativa inicialativa da cacircme

e pontos (den

imensional po

para a realizaccedilederal da Bahi

de Ondina para a realizaccedilnos uacuteltimos ans praccedilas vias eretor de Desenrsidade eacute uma io sendo a maa no municiacutepio

REVISTA MILI

ra a sua obtentodos das cacircmeras em determina

de pontos [20]aracterizada pm as seguin

m relaccedilatildeo a sna iluminaccedil

meacutetricas baacutesira a identificaa-se o algoritT) que perm[22]

fM permitem ptura de forcacircmera por mbtidas ao realirmitindo que

iacutestica relacionagrave Fotograme

ecessitar de us de coordenaada posiccedilatildeo

m estes dados de um proce

de conjuntodados extra

postas ue explicita

o com as etapa

aracteriacutesticas

(matching)

al da estruturaera

se cloud)

or meio de r

ccedilatildeo deste trabaia nas dimensFederaccedilatildeo e

ccedilatildeo das atividanos em relaccedilatilde

e aacutereas verdesnvolvimento Fiacuteinstituiccedilatildeo puacutebaior do Estadoo de Salvador- B

LITAR DE CIEcircNCIA

nccedilatildeo

por adas pela ntes seus ccedilatildeo icas

accedilatildeo tmo mite

que rma

meio izar

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nada etria uma adas das satildeo

esso que aiacuteda

a as a

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rede

alho sotildees Satildeo ades atildeo a

iacutesico blica o da BA

TaldiferengraduaConqu

OstrabalhOndinaaproximda FedO plancampi como

Fig

(2019)

4 MO t

aacuterea qBahia cartogrdo Salvpresent

ParprincipidentifielaboraconstitucalibraVANThomoacutelo

E TECNOLOGIA

l instituiccedilatildeo eacutentes sendo 9accedilatildeo na sede duista e doze nos

campi da Uho contemplama Federaccedilatildeo mada de 3000

deraccedilatildeo ao nortno diretor da em cinco zon

Zona I ndash OnZona II ndashLetras InfoZona III ndash OZona IV ndashSociais Zona V ndashEsporte e L

g 1 ndash Mapa

METODOLOG

trabalho realizque compreend

(UFBA) a paraacutefica do Sistemvador (SICADte data (2019) ra a sua elaborapais A primficaccedilatildeo das priaccedilatildeo dos planotuiu nas atividaccedilatildeo manual cacircT quadrotor eogas entre as f

eacute caracterizad94 destes corde Salvador ses campi de Barr

UFBA em quem as aacutereas cor

e Satildeo Laacutez000msup2 com extte e pela AveniUFBA realiz

nas diferentes

ndinaFederaccedilatildeOndina Centr

ormaccedilatildeo Ondina Sul Sauacute

OndinaSatildeo L

OndinaOrla azer

de Localizaccedil

IA ado consiste nde os campi dartir dos elemema Cartograacutefic

D) elaborado n accedilatildeo o projeto

meira etapa incipais mudans de voos para dades de camacircmera tomada e agrave coleta dafotografias obtid

RMCT VOL

da por possuirrespondentes eis nos campi reiras e foram desenrrespondentes zaro possuindtensotildees que paida Ademar dezado em 2008 sendo estas

atildeo Ciecircncias e Ttro Artes C

auacutede AnimalBiLaacutezaro Ciecircnci

Educaccedilatildeo Ed

ccedilatildeo Fonte A

na atualizaccedilatildeo cda Universida

mentos que comco e Cadastral

no ano de 2006

o foi dividido emconsistiu na nccedilas na aacuterea estes locais A

mpo realizadasdas fotografiasas coordenadaidas e da base c

34 Nordm3 2017

ir 112 cursosa cursos dede Vitoacuteria da

nvolvidos esteao campus dedo uma aacutereaartem do bairroe Barros ao sul8 divide estes

caracterizadas

Tecnologias Comunicaccedilatildeo

iodiversidade as Humanas e

ducaccedilatildeo Fiacutesica

Autoria proacutepria

cartograacutefica dade Federal dampotildeem a base

do Municiacutepio6 vigente ateacute a

m cinco etapasavaliaccedilatildeo e

de estudo e aA segunda etapas referentes agraves com o uso deas de feiccedilotildeescartograacutefica do

s e a

e e a o s s

e

a

a a e o a

s e a a agrave e s o

RMCT VOL36 Nordm4 2019 41REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

RMCT VOL 34 Nordm3 2017 REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA 5

SICAD em relaccedilatildeo agraves identificaacuteveis na aacuterea de estudo A terceira etapa diz respeito agraves atividades realizadas em laboratoacuterio caracterizadas pelo processamento das imagens A quarta etapa caracteriza-se pela sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas na base cartograacutefica e vetorizaccedilatildeo das feiccedilotildees modificadas A quinta e uacuteltima etapa consiste na finalizaccedilatildeo do projeto permitindo a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado e determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional sua

41 Identificaccedilatildeo das regiotildees onde houve mudanccedilas

Para a identificaccedilatildeo das regiotildees que foram atualizadas primeiramente houve a necessidade em avaliar regiotildees na UFBA em que ocorreram mudanccedilas em relaccedilatildeo agrave Base Cartograacutefica do SICAD A anaacutelise preacutevia dos elementos modificados foi realizada a partir de imagens do Google Earth 2017 (Sateacutelite Astrium CNES) uma vez que a constante atualizaccedilatildeo das imagens que alimentam a sua base de dados torna possiacutevel obter o cenaacuterio atual dos campi da UFBA em relaccedilatildeo agraves feiccedilotildees existentes no local

Primeiramente foi realizado um recorte das imagens do Google Earth em relaccedilatildeo aos limites que contemplam a aacuterea de estudo A imagem recortada foi georreferenciada com base nos arquivos vetoriais que alimentam o SICAD com o auxiacutelio do software QGIS 284 Com isso foi possiacutevel obter a sobreposiccedilatildeo da imagem com os arquivos vetoriais viabilizando a anaacutelise visual e identificaccedilatildeo de regiotildees nos campi que sofreram mudanccedilas

A partir da anaacutelise das mudanccedilas ocorridas na aacuterea de estudo foram localizadas alteraccedilotildees nas camadas que correspondem agraves aacutereas edificadas vias e densidade vegetativa utilizando as imagens do Google Earth Dessa forma foram realizadas visitas a campo no intuito de verificar as caracteriacutesticas das feiccedilotildees modificadas e a veracidade das anaacutelises

No que diz respeito agraves vias e a vegetaccedilatildeo as anaacutelises em campo foram em sua totalidade visuais ou seja foram observados e avaliados estes elementos localizados na aacuterea de estudo e comparados em relaccedilatildeo agraves anaacutelises feitas a partir da sobreposiccedilatildeo dos arquivos vetoriais do SICAD em relaccedilatildeo agraves imagens do Google Earth Todavia no que diz respeito agraves edificaccedilotildees os meacutetodos de verificaccedilatildeo ocorreram de forma diferente uma vez que aleacutem da anaacutelise visual das mudanccedilas ocorridas houve a necessidade de consultar teacutecnicos e funcionaacuterios dos locais sobre as caracteriacutesticas e tipos das edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas Dessa forma foram consultados os seguintes aspectos nomenclatura estado acerca da edificaccedilatildeo (edificaccedilotildees construiacutedas ou demolidas) a operacionalidade e a funcionalidade

42 Planejamento de voo A partir da localizaccedilatildeo espacial das aacutereas onde ocorreram as

mudanccedilas com o auxiacutelio do software QGIS 284 foi realizada a vetorizaccedilatildeo preacutevia destas regiotildees a fim de construir um esboccedilo das aacutereas a serem sobrevoadas permitindo estabelecer a localizaccedilatildeo geograacutefica e dimensotildees dos planos de voos criados

No que diz respeito agrave etapa de elaboraccedilatildeo dos planos de voo a sua realizaccedilatildeo ocorreu com o auxiacutelio do software pix4d capture instalado no Tablet Samsung GT - N8000 que permitiu delimitar as faixas de voo de acordo com os paracircmetros previamente determinados Dessa forma os paracircmetros principais que foram levados em consideraccedilatildeo dizem respeito agrave altura de voo utilizada quantidade de faixas sobreposiccedilatildeo lateral e longitudinal a verticalidade do eixo da cacircmera e a escala de voo do imageamento gerado A altura de voo utilizada para este trabalho foi de 60 metros e as sobreposiccedilotildees laterais e longitudinais foram respectivamente 80 e 60 entre as fotografias e a verticalidade do eixo da cacircmera foi definida como sendo de 90ordm

O uso deste software permitiu que tomadas das fotografias nas faixas de voo pudessem ser executadas de forma automaacutetica A partir da delimitaccedilatildeo da aacuterea a ser sobrevoada o equipamento utilizado realiza o percurso de forma automaacutetica retornando para local de origem apoacutes o teacutermino da execuccedilatildeo do plano de voo O caacutelculo da escala de voo em imagens digitais correspondeu agrave obtenccedilatildeo do GSD (Ground Sample Distance)

43 Calibraccedilatildeo manual da cacircmera A cacircmera utilizada para obtenccedilatildeo das fotografias

corresponde a do quadrotor DJI Phantom 2 FC200 de ateacute 14 Megapixels De acordo com [1] esta cacircmera opera com 1 CCD (Charge Coupled Device) possui comprimento (w) de 5714 mm e altura (h) de 4286 A maacutexima resoluccedilatildeo desta cacircmera eacute 4384 x 3288 (w x h)

Para a calibraccedilatildeo da cacircmera utilizou-se o software Photomodeler Pro Neste processo de calibraccedilatildeo da cacircmera a grade de calibraccedilatildeo foi posicionada no chatildeo e foram tomadas imagens da mesma em quatro posiccedilotildees diferentes Foram tiradas trecircs imagens com acircngulos variando de -90ordm a 90ordm em cada uma das posiccedilotildees totalizando doze imagens

A figura 2 exibe o posicionamento do VANT quadrotor e do alvo de calibraccedilatildeo utilizados durante a realizaccedilatildeo do processo

Fig 2 ndash Calibraccedilatildeo da cacircmera Fonte Autoria proacutepria (2018) 44 Aquisiccedilatildeo de imagens atraveacutes do VANT quadrotor DJI Phantom 2

A partir da identificaccedilatildeo das regiotildees onde ocorreram mudanccedilas e o planejamento de voo nestas aacutereas viabilizou-se a execuccedilatildeo das atividades no intuito de adquirir as imagens das aacutereas especificadas

42 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

6

quaeleacutetformseglocde

trabsejafotoinevoopro

equautrotalabcon

cargraFPVAnde conconminmAcarequ

umcomgraPordistapr

Para a aquisadrotor Phantotricos brushlesma como seraacute

guranccedila go homcal de origem sinal O VANT qu

balho uma vezam atribuiacutedasogrametria tra

erciais e GNSSo georreferenogramaccedilatildeo e pla

Aleacutem destasuipamento posstocircnoma ou maa de voo auoratoacuterio ou ntrolador do eq

O VANT quracteriacutesticas cacircavaccedilatildeo de viacutedeoV embutido q

ndroid) atraveacutes capturar ateacute 9

ntrolar o acircnguntrolaacutevel atraveacutenutos com um

Ah que conteacutemrga restante emuipamento

Fig 3 ndash V A cacircmera uti

ma cacircmera mercialmente dande angular ar ela ter um acircntorccedilatildeo nas imresentando mui

siccedilatildeo das imaom 2 Este equss onde a velocaacute sucedido o vome que permitecaso ocorra al

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s aplicabilidadsui a liberdade anual ou seja utomaacutetica jaacute realizaacute-la de

quipamento uadrotor DJI Pacircmera natildeo-meacutetro HD 1080p emque transfere vde Wi-fi (300m80 peacutes acima ulo de inclinaeacutes do aplicativ

ma uacutenica cargam um circuitombutido A fig

VANT quadroto

ilizada pelo VAnatildeo-meacutetrica denominada Aa qual foi desenngulo de aberturmagens Possibitas vezes fotos

agens foi utiuipamento posscidade de cadaoo Eacute equipadoem que o equiplgum problema

Phantom 2 fofuncionalidade

es caracteriacutestiabilidade de vnte informaccedilotildeee imagens

os voos des em sua da realizaccedilatildeo do operador podefinida porforma manu

Phantom 2 porica FC200 intem um cartatildeo mviacutedeo no seu sm) extensor W

gimbal motoraccedilatildeo da cacircmevo Vision tema usando a ba

o inteligente e gura 3 exibe u

or DJI Phantom

ANT quadrotodenominada

Action Cams (Cnvolvida para

ura grande 140ordmbilita enquadras com aspecto a

REVISTA MILI

ilizado o VAsui quatro motoa rotor determino com recursospamento retornea teacutecnico ou pe

foi utilizado ne eacute permitido icas referentesvoo por sensoes de toda a rotae facilidade

programaccedilatildeodos voos de foode executar ur programas ual utilizando

ossui as seguinegrada 14MP c

micro SD sistemsmartphone (iO

Wi-fi incluiacutedo caizado que permera manualme

mpo de voo ateacuteateria LiPo 5um indicador

uma fotografia

m 2 [26]

or DJi Pantom de Viewfin

Cacircmeras de accedilfilmagens e fo

ordm apresenta graar aacutereas maioarredondado

LITAR DE CIEcircNCIA

ANT ores na a s de e ao erda

neste que s agrave ores ta de

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intes com ma a OS apaz mite ente eacute 25 200 r de a do

2 eacute nder ccedilatildeo) otos ande ores

45 CoPar

anaacutelisefacilmeforma agraves fotelemenprodutofeiccedilotildeesinterce

Anforam Brasilecorrespobter cGeodeacuteaacuterea deIBGE (SAVOcoordeSIRGA

A pcoordeanaacutelise

Parestaacuteticofrequecircne taxa dde conem funeliminamesmoreferecircnrespectprocesSolutio

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serviracriaramde feiccedilestudoa fim execuccedilestudocontrol

E TECNOLOGIA

oleta das cora a realizaccedilatildeoes em campoente identificadforam avaliadaografias e a ntos da aacuterea dos Os pontoss como veacutertessotildees entre viantes de dar iniacutec

realizadas peseiro de Geogrponde ao Banccoordenadas dosica Brasileirae estudo Foram

sendo estas O) e Salvadorenadas estatildeo rAS 2000 partir destas estenadas dos pones neste trabalhra isto foi utilio por meio do ncia L1 das onde gravaccedilatildeo de

ntrole foi defininccedilatildeo do compaccedilatildeo dos errosos uma vez ncia SAVO etivamente 10 samento e aju

ons obtenccedilatildeo das cestes

a) Determprocess

b) Determatualiza

ram coletados am de subsiacutedim uma base de ccedilotildees coletadas Sendo assimde garantir q

ccedilatildeo das duas em sua totle

ordenadas do desta etapa d

a fim de adas nos produtas feiccedilotildees hombase cartograacute

de estudo facis de controle tices de esta

as e meio fios ecio a coleta dassquisas na plarafia e Estatiacutestco de Dados Gos veacutertices de rea (RGB) localim localizadas ddenominadas r ndash Capitaniareferenciadas

taccedilotildees de referecircntos de controleo izada a teacutecnicareceptor GNS

ndas portadorase 1 segundo O do como sendoprimento da ls de ambiguidque a distacircnc

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minaccedilatildeo dos psamento e gera

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40 pontos de io para a exedados com coona mesma regforam aprovei

que existissematividades De

talidade foram

RMCT VOL

dos pontos do trabalho foavaliar feiccedilotildees

utos obtidos ateacutemoacutelogas no terreaacutefica do SIC

cilmente identiescolhidos co

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Geodeacutesicos coeferecircncia pertenizados nas pro

duas estaccedilotildees dcomo Salvad

a dos Portos no Sistema

recircncia foram de que viabiliza

a de posicionaSS Promark 22s maacutescara de etempo de rastr

o 20 minutos elinha de basedade e soluccedilatildeocia meacutedia das veacutertices deO software ut

tas coordenada

oi realizada com

pontos de coaccedilatildeo das ortofocuraacutecia posicio

e controle nesteecuccedilatildeo das atordenadas de p

giatildeo que contemeitadas 14 destam dados suficessa forma pm utilizados 5

34 Nordm3 2017

de controleram realizadass que fossemeacute entatildeo Dessaeno em relaccedilatildeoAD ou sejaificados nestesorrespondem a

e esquinas

destes pontosne do Institutona sessatildeo quem o intuito dencentes agrave Redeoximidades dae referecircncia dodor ndash INCRA(SSA1) suas

de Referecircncia

determinadas asaram as demais

amento relativo20 utilizando aelevaccedilatildeo de 15ordmreio dos pontosem cada ponto garantindo ao fixa para osas estaccedilotildees de

apoio eacute detilizado para oas foi o GNSS

m dois intuitos

ontrole para otos digitais onal do mapa

e trabalho quetividades [27]pontos notaacuteveismpla a aacuterea deas coordenadascientes para aara a aacuterea de54 pontos de

s m a o s a

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RMCT VOL36 Nordm4 2019 43REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

46 Processamento das imagens

Para o processamento e geraccedilatildeo das ortofotos digitais por meio das imagens geradas foi utilizado o software Agisoft PhotoScan 130

Antes da inserccedilatildeo das imagens no software primeira-mente foi realizada uma primeira etapa que diz respeito agrave seleccedilatildeo e filtragem destas fotografias Esse processo foi rea-lizado manualmente Foram excluiacutedas as imagens que apre-sentaram problemas de qualidade relacionados agrave inclinaccedilatildeo da aeronave no momento do imageamento variaccedilatildeo da alti-tude de voo em tomadas consecutivas e o arrasto provocado por ventos que alteraram o percurso do mesmo

Apoacutes esta seleccedilatildeo as imagens foram inseridas no sof-tware Agisoft PhotoScan 130 e realizadas as etapas corres-pondentes ao processamento pelo software As etapas foram realizadas ordenadamente da seguinte forma alinhamento das fotografias tomadas otimizaccedilatildeo do alinhamento inser-ccedilatildeo dos pontos de controle construccedilatildeo da nuvem de pontos densa construccedilatildeo de modelos poligonais e de interpolaccedilatildeo ediccedilatildeo da geometria construccedilatildeo do modelo digital de eleva-ccedilatildeo texturaccedilatildeo construccedilatildeo das ortofotos

Na etapa de alinhamento das fotografias foram detecta-dos os pontos homoacutelogos nas regiotildees de sobreposiccedilatildeo entre as imagens permitindo criar uma nuvem espaccedilada de pontos e estimar a posiccedilatildeo de cada fotografia em relaccedilatildeo ao recobri-mento geral das aacutereas Os paracircmetros utilizados nesta etapa dizem respeito ao grau de acuraacutecia na definiccedilatildeo dos pontos homoacutelogos modo de seleccedilatildeo dos pares e a quantidade limite de pontos utilizados para a ligaccedilatildeo de faixas Estes pontos limites indicam o quatildeo fina eacute a varredura na imagem para determinar os pontos individualizados que seratildeo utilizados para representar os pontos homoacutelogos e entre as faixas de recobrimento

A construccedilatildeo da nuvem densa de pontos corresponde agrave etapa de densificaccedilatildeo dos pontos fotogrameacutetricos onde se permite o refinamento dos paracircmetros da posiccedilatildeo da cacircmera no instante em que as fotografias satildeo obtidas A partir da nu-vem espaccedilada de pontos eacute criada uma nuvem densa Nesta etapa foram inseridas as coordenadas dos pontos de controle coletados em campo nos respectivos elementos no terreno para que auxiliassem no georreferenciamento da aacuterea reco-berta Estes pontos tambeacutem foram usados na identificaccedilatildeo dos paracircmetros referentes aos padrotildees do algoritmo utilizado para geraccedilatildeo das ortofotos digitais

A formaccedilatildeo do modelo de interpolaccedilatildeo TIN (Rede Irregu-lar Triangular) corresponde agrave etapa que constroacutei a geometria da superfiacutecie baseada na construccedilatildeo de faces obtidas a partir da nuvem densa de pontos

A partir da interpolaccedilatildeo TIN foi gerado o Modelo Digital de Superfiacutecie (MDS) onde satildeo apresentadas as elevaccedilotildees de todos os elementos da aacuterea (relevo e topo de construccedilotildees)

[28] afirma que a caracteriacutestica de um terreno referencia-do diz respeito ao relevo que pode ser estimado de acordo com a sua cota ou altitude Dessa forma a expressatildeo referen-te ao Modelo Digital de Elevaccedilatildeo (MDE) relaciona-se com os modelos que consideram como caracteriacutestica do terreno aspectos referentes agrave elevaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao relevo

O MDS se caracteriza por ser uma descriccedilatildeo que envolve a cota superior dos objetos acima da superfiacutecie aleacutem do ter-reno [29] Em seguida foram geradas as ortofotos derivadas da ortorretificaccedilatildeo do recobrimento do bloco

Segundo [30] as fotografias em seu estado bruto natildeo

conseguem substituir determinados tipos de produtos oriun-dos de projetos de mapeamento uma vez que a tomada da fotografia representa uma realidade gerada a partir de uma projeccedilatildeo cocircnica central diferentemente de uma projeccedilatildeo or-togonal agrave superfiacutecie mapeada

[28] afirma que o princiacutepio baacutesico relacionado agrave produ-ccedilatildeo de uma ortofoto digital consiste no processo de elimina-ccedilatildeo dos deslocamentos devido agrave inclinaccedilatildeo e ao relevo das fotografias em perspectiva que formam uma imagem uacutenica Dessa forma na ortofoto gerada podem ocorrer variaccedilotildees na posiccedilatildeo planimeacutetrica dos elementos que compotildeem a aacuterea mapeada como eacute o caso de edificaccedilotildees camadas de relevo desidade vegetativa etc Em escala tambeacutem podem ocorrer estas variaccedilotildees nos pontos que formam a ortofoto

O modelo tridimensional foi gerado a partir de algorit-mos do Structure from Motion (SfM) utilizado pelo software Agisoft PhotoScan 130 a partir das fotografias 2D obtidas para aacuterea de estudo

47 Geraccedilatildeo do mapa atualizado

A sobreposiccedilatildeo das camadas vetoriais selecionadas da base cartograacutefica do SICAD em relaccedilatildeo agraves ortofotos per-mitiu identificar as regiotildees atualizadas e iniciar o processo de representaccedilatildeo destas mudanccedilas por meio da vetorizaccedilatildeo destes elementos No software QGis 284 foram criadas trecircs novas camadas vetoriais referenciadas em SIRGAS 2000 e nomeadas de meio fio edificaccedilotildees e vegetaccedilatildeo No processo de vetorizaccedilatildeo da base cartograacutefica do SICAD identificou-se que foi utilizada a primitiva graacutefica do tipo linha para as trecircs camadas

Na atualizaccedilatildeo cartograacutefica realizada neste trabalho para que o processo de vetorizaccedilatildeo coincidisse com a primitiva graacutefica das feiccedilotildees representadas para as camadas de edifica-ccedilotildees e vegetaccedilatildeo utilizou-se a primitiva graacutefica de poliacutegono e para a camada de meio-fio foi mantida a de linha Dessa forma o processo de vetorizaccedilatildeo foi realizado utilizando duas aplicaccedilotildees principais

bull a) Vetorizaccedilatildeo dos elementos novos a partir da visualiza-ccedilatildeo e interpretaccedilatildeo das ortofotos obtidas

bull b) Exclusatildeo das feiccedilotildees nas camadas vetoriais da base car-tograacutefica do SICAD que natildeo satildeo mais evidentes nas regi-otildees da aacuterea de estudo

No que diz respeito agraves edificaccedilotildees o processo de vetori-zaccedilatildeo destas camadas foi realizado diretamente no software Agisoft PhotoScan 130 e exportadas para o software QGIS 284 Este processo foi necessaacuterio uma vez que as distor-ccedilotildees geradas nas fotos fazem com que o topo das edificaccedilotildees natildeo coincida com a base das ortofotos geradas tendo em vis-ta que estas satildeo produzidas atraveacutes do MDT (elevaccedilatildeo do relevo) que corrige o relevo e natildeo o topo destes elementos alterando a qualidade posicional dos mesmos A vetorizaccedilatildeo no software Agisoft PhotoScan 130 permitiu realizar a veto-rizaccedilatildeo diretamente no modelo tridimensional

gerado e vetorizar as edificaccedilotildees diretamente em suas ba-ses eliminando este problema

Este processo permitiu obter as camadas vetoriais de meio-fio edificaccedilatildeo e vegetaccedilatildeo atualizadas da aacuterea de estu-do e gerar o mapa da mesma atualizado avaliando as mudan-ccedilas decorrentes nos uacuteltimos onze anos

44 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

48 Controle de Qualidade Posicional

Com a elaboraccedilatildeo do mapa atualizado referente agrave regiatildeo que contempla a aacuterea de estudo a proacutexima etapa constituiu na determinaccedilatildeo da acuraacutecia posicional do mapa atualizado no qual foram escolhidas feiccedilotildees no terreno bem evidentes para a obtenccedilatildeo destas coordenadas A realizaccedilatildeo desta etapa foi feita atraveacutes da obtenccedilatildeo de dados por meio de paracircmetros estatiacutesticos que viabilizem a sua execuccedilatildeo Entatildeo os passos realizados foram relacionados agrave obtenccedilatildeo da quantidade necessaacuteria de amostras para a referida aacuterea de estudo identificaccedilatildeo e obtenccedilatildeo destas coordenadas no local em relaccedilatildeo ao produto cartograacutefico caacutelculo das discrepacircncias das coordenadas obtidas entre as coordenadas coletadas no terreno e seus homoacutelogos no mapa atualizado caacutelculo da meacute-dia e desvio padratildeo destas discrepacircncias anaacutelises estatiacutesticas de tendecircncias e de precisatildeo

Para avaliaccedilatildeo de dados cartograacuteficos obtidos de acordo com as caracteriacutesticas e padrotildees de qualidade preacute-determina-dos foi criado o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC pelo [31] visando assim classificar os aspectos de determinado produto cartograacutefico de acordo com os fatores e meacutetodos uti-lizados em sua obtenccedilatildeo

O [31] atesta que a discrepacircncia maacutexima que pode ser encontrada referente agrave disposiccedilatildeo dos pontos em um produto cartograacutefico gerado no que diz respeito a acuraacutecia das fei-ccedilotildees representadas eacute de que 90 dos pontos utilizados para esta anaacutelise natildeo deveratildeo apresentar discrepacircncias superiores aos estabelecidos pelo PEC tanto os referentes agrave altimetria quanto agrave planimetria O Erro Padratildeo eacute determinado de acor-do com as anaacutelises realizadas no produto cartograacutefico em conformidade com os meacutetodos estatiacutesticos utilizados em sua elaboraccedilatildeo na qual a probabilidade de 90 corresponde a 16449 vezes o Erro Padratildeo O Erro Padratildeo Isolado seja por um ponto ou feiccedilatildeo do projeto cartograacutefico natildeo deve ultra-passar 608 do PEC estabelecido

Sendo assim o Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica eacute um indicador estatiacutestico onde a partir do graacutefico probabiliacutesti-co de distribuiccedilatildeo normal pode ser representado com uma probabilidade de 90 de acordo com a dispersatildeo estatiacutestica considerada

A ET-EDGV tinha o objetivo de atualizar os padrotildees vistos no [31] uma vez que a mesma jaacute natildeo atendia agraves neces-sidades atuais aplicadas em meio digital Entatildeo passou-se a considerar que os avanccedilos tecnoloacutegicos eliminaram os erros gerados pelos processos realizados antigamente inserindo os erros caracterizados pelos processos atuais

Embora tais especificaccedilotildees abordem paracircmetros de clas-sificaccedilatildeo de produtos cartograacuteficos de acordo com o PEC ateacute o ano de 2016 ainda existiam metodologias padrotildees para o caacutelculo do mesmo No referido ano foi estabelecida a Es-pecificaccedilatildeo Teacutecnica para Controle de Qualidade de dados Geoespaciais Vetoriais (ET-CQDG) Contudo na eacutepoca em que este trabalho foi realizado a mesma ainda natildeo havia sido homologada pela CONCAR Dessa forma os proacuteximos itens abordam os meacutetodos utilizados para a anaacutelise descrita

481 Determinaccedilatildeo do nuacutemero de amostras

Embora seja de extrema importacircncia determinar o tama-nho da amostra para fins de anaacutelises cartograacuteficas a maioria dos meacutetodos para controle de qualidade geomeacutetrica natildeo apre-senta recomendaccedilotildees para caacutelculo de amostra [32]

Conforme as caracteriacutesticas da referida aacuterea de estudo

utilizada neste trabalho o tamanho miacutenimo de amostras a serem utilizadas foi calculado a partir da expressatildeo (1) onde se determinou por meio de uma populaccedilatildeo finita a estima-ccedilatildeo da meacutedia populacional (μ) o erro maacuteximo admissiacutevel (ε) e o niacutevel de confianccedila (1- α) em que se deseja determinar os paracircmetros

(1)

Onden = Tamanho da amostraZ = Intervalo de ConfianccedilaN = Tamanho da populaccedilatildeoσ = desvio padratildeo amostral ε = Erro Amostral Relativo

De acordo com [33] a anaacutelise estatiacutestica para a determi-naccedilatildeo da acuraacutecia posicional planimeacutetrica eacute composta por duas fases tendecircncia e anaacutelise de precisatildeo

482 Anaacutelise de Tendecircncia

De acordo com [32] em um determinado produto carto-graacutefico a anaacutelise de tendecircncia dos seus elementos consiste nas anaacutelises estatiacutesticas entre as coordenadas de referecircncia do mundo real de determinadas feiccedilotildees obtidas por algum meacutetodo de levantamento em relaccedilatildeo as coordenadas da carta a ser avaliada ) O principal intuito dessa anaacutelise eacute verificar a existecircncia de tendecircncia de erros em alguma direccedilatildeo da carta avaliando se as discrepacircncias obtidas podem ser considera-das estatisticamente iguais a zero

A partir da obtenccedilatildeo das coordenadas dos pontos de con-trole inicialmente foram calculadas as discrepacircncias entre estas coordenadas conforme a equaccedilatildeo 2

(2)

Eacute vaacutelido ressaltar que as discrepacircncias entre as coordenadas e as anaacutelises estatiacutesticas foram obtidas em relaccedilatildeo aos dois elementos que formam o par (Latitude e Longitude) viabilizando assim a determinaccedilatildeo da direccedilatildeo do erro na carta observada

A partir do caacutelculo das discrepacircncias entre as coordena-das bem como a determinaccedilatildeo do tamanho da amostra uti-lizada para as anaacutelises estatiacutesticas foram calculados a meacutedia

e o desvio padratildeo das mesmas a fim de que sejam paracircmetros para determinar a tendecircncia decorrente no mapa gerado

Para que seja realizado o teste de tendecircncia foram uti-lizadas as seguintes hipoacuteteses

(3)

(4)Conhecendo as hipoacuteteses a serem identificadas foi rea-

lizado o caacutelculo da estatiacutestica amostral ldquotrdquo com o intuito de verificar se o resultado estaacute no intervalo de aceitaccedilatildeo ou re-jeiccedilatildeo da hipoacutetese nula ou seja se a meacutedia das discrepacircncias pode ser considerada estatisticamente igual a zero

O valor de ldquotrdquo amostral eacute obtido da seguinte maneira

(5)

RMCT VOL36 Nordm4 2019 45REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Onde n eacute o nuacutemero de amostras utilizadas

Para a anaacutelise do valor encontrado para ldquotrdquo este foi as-sociado a um valor tabelado verificando assim a anaacutelise inicial de rejeitar ou natildeo a hipoacutetese nula Dessa maneira foi feita a anaacutelise t student associada ao nuacutemero de amostras (n) e ao niacutevel de significacircncia utilizado O intervalo de confianccedila referente ao teste t student eacute dado da seguinte maneira

(6)

Onde o valor de t student tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e um niacutevel de significacircncia

Dessa maneira caso o moacutedulo calculado para o ldquotrdquo amostral tenha sido menor do que o valor de ldquotrdquo tabelado aceita-se a hipoacutetese nula ( ) ou seja o produto car-tograacutefico obtido pode ser considerado livre de tendecircncias sig-nificativas Contrariamente caso a desigualdade natildeo seja sa-tisfeita rejeita-se a hipoacutetese nula ( ) o que significa que este apresentou erros significativos para um determinado niacutevel de confianccedila Uma vez que o PEC-PCD corresponde a um indicador estatiacutestico com probabilidade 90 de confi-anccedila o valor de ldquotrdquo foi calculado considerando este niacutevel de confianccedila

Segundo [21] o fato de haver tendecircncia indica possiacuteveis erros em uma determinada direccedilatildeo sendo decorrentes por uma seacuterie de fatores Contudo conhecidas as discrepacircncias e a direccedilatildeo das falhas o seu efeito pode ser minimizado re-alizando o procedimento de subtraccedilatildeo do seu valor em cada coordenada em anaacutelise da carta

483 Anaacutelise de Precisatildeo

De acordo com [32] a anaacutelise de precisatildeo consiste na comparaccedilatildeo da variacircncia encontrada a partir das discrepacircn-cias entre as coordenadas levantadas e as da carta com o Erro Padratildeo (EP) avaliado pelo Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica ndash PEC em relaccedilatildeo agrave classe em que se deseja avaliar a preci-satildeo da carta

Desta forma o teste de hipoacuteteses formulado para anaacutelise da precisatildeo foi dado da seguinte forma

(7)

(8) Onde σsup2x corresponde ao desvio padratildeo ou erro padratildeo

esperado de acordo com a classe do produto cartograacutefico analisado Assumindo o valor da resultante gerada como sendo Erro Padratildeo e considerando ser equivalente nas com-ponentes horizontais determinadas tem-se que

(9)

Com estes paracircmetros iniciais foi aplicado o teste Qui--quadrado amostral a fim de verificar se o desvio padratildeo das discrepacircncias obtidas pode ser considerado estatisticamente igual ou menor que o Erro Padratildeo assumido para uma deter-minada classe do PEC-PCD

O teste Qui-quadrado amostral foi dado da seguinte forma

(10)

A partir deste caacutelculo foi realizada a anaacutelise do enun-ciado que diz respeito ao teste de hipoacutetese onde se utiliza o valor de qui-quadrado tabelado de acordo com a seguinte condiccedilatildeo

(11)

Onde o valor de Qui- Quadrado tabelado possui (n - 1) graus de liberdade e a um intervalo de confianccedila

Desta maneira utilizando um indicador estatiacutestico de dispersatildeo referente a 90 verificou-se se a expressatildeo da equaccedilatildeo 11 foi satisfeita para este niacutevel de confianccedila per-mitindo avaliar a aceitaccedilatildeo ou rejeiccedilatildeo da hipoacutetese nula das discrepacircncias obtidas (equaccedilatildeo 2) verificando assim se o mapa atualizado atende a classe estabelecida de acordo com a precisatildeo e escala da mesma

484 Aplicaccedilatildeo do PEC-PCD

Para a classificaccedilatildeo do produto cartograacutefico determinou--se a qualidade estabelecida a partir da escolha e anaacutelise dos pontos de controle Tais classificaccedilotildees estatildeo diretamente re-lacionadas agrave escala em que este estaacute representado

De acordo com [31] a determinaccedilatildeo das amostras coletas (pontos de referecircncia) deve ocorrer a partir de meacutetodos em que o erro natildeo seja superior a 13 do erro padratildeo esperado para a classe da carta em anaacutelise

A Tabela 1 exibe a classificaccedilatildeo do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica para Produtos Cartograacuteficos Digitais (PEC--PCD) planimeacutetrico estabelecida na ET-EDGV

Tab1 ndash PEC-PCD

PEC (1984) PEC-PCD (2011) PEC Planimeacutetrico Erro Padratildeo Plani-

meacutetrico

A 028 mm X Fator de Escala

017 mm X Fator de Escala

A B 05 mm X Fator de Escala

03 mm X Fator de Escala

B C 08 mm X Fator de Escala

05 mm X Fator de Escala

C D 10 mm X Fator de Escala

06 mm X Fator de Escala

5 Resultados e anaacutelises

51 Anaacutelises em campo das aacutereas modificadas

A identificaccedilatildeo nas imagens do Google Earth dos locais onde ocorreram mudanccedilas e as atividades em campo que va-lidaram tais mudanccedilas permitiram identificar que a categoria que mais sofreu alteraccedilotildees foi a das edificaccedilotildees dos campi conforme tabela 2

Tab2 Mudanccedilas Identificadas na aacuterea de estudo

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Engenharias

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas - Ciecircncias Humanas

Ampliaccedilatildeo do pavilhatildeo de aulas Concluiacutedo

46 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Tipo de Edificaccedilatildeo Mudanccedila Ocorrida Operacionalidade

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Muacutesica Reconstruccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - Escola de Danccedila Ampliaccedilatildeo do preacutedio Em andamento

Pavilhatildeo de Aulas - IHAC (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Em andamento

Escola de Medicina Vete-rinaacuteria

Ampliaccedilatildeo dos preacutedios existentes Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo V (PAF V)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo IV (PAF IV)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo III (PAF III)

Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Instituto de Letras Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Comunicaccedilatildeo Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Faculdade de Ciecircncias da Computaccedilatildeo

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Instituto de Biologia Ampliaccedilatildeo do preacutedio Concluiacutedo

Restaurante Universitaacuterio Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Anexos - Laboratoacuterios de Pesquisa em Quiacutemica (Dois

Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Laboratoacuterio de Fiacutesico--quiacutemica

Construccedilatildeo do novo preacutedio Em andamento

Biblioteca de Exatas Construccedilatildeo do novo preacutedio Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios) Demoliccedilatildeo Concluiacutedo

Pavilhotildees de Aulas (Dois Preacutedios)

Construccedilatildeo de novos preacutedios Concluiacutedo

Aleacutem das novas edificaccedilotildees foram identificadas duas mudanccedilas significativas referentes agrave criaccedilatildeo da Praccedila das Artes localizada no Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo (PAF) e agrave ampliaccedilatildeo da quadra de esportes da UFBA localizada no instituto de Educaccedilatildeo Fiacutesica

52 Calibraccedilatildeo manual da Cacircmera

Para esta etapa da atividade houve dificuldades relacio-nadas ao processo uma vez que natildeo foi possiacutevel remover a cacircmera do equipamento para acoplaacute-la a um tripeacute para que os alvos de calibraccedilatildeo pudessem ser fotografados com os mesmos acircngulos de inclinaccedilatildeo e as mesmas distacircncias Aleacutem disso as fotografias natildeo podiam ser diretamente tomadas da proacutepria cacircmera sendo obtidas de forma indireta por meio do Tablet Samsung GT - N8000 Foram realizadas sete tentati-vas no intuito de encontrar os resultados esperados Contudo percebeu-se a partir da quarta tentativa que os resultados obtidos natildeo seriam satisfatoacuterios ou seja o valor residual (Overall Residual RMS) natildeo seria menor do que 6 pixels uti-lizando a teacutecnica desta forma Este resiacuteduo natildeo eacute considerado ideal uma vez que natildeo viabilizou a determinaccedilatildeo dos paracirc-metros de distorccedilatildeo descentrada ou seja o valor do RMS obtido foi muito alto Entatildeo para este trabalho foram utiliza-dos os paracircmetros de calibraccedilatildeo obtidos de forma automaacuteti-ca (autocalibraccedilatildeo) pelo proacuteprio software Agisoft PhotoScan 130 para cada ortofoto digital gerada no processamento das imagens

Fig 4 ndash Paracircmetros obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

Apesar das falhas descritas tal processo de calibraccedilatildeo permitiu constatar que a distacircncia focal fornecida no manual da cacircmera natildeo-meacutetrica estava com alteraccedilotildees uma vez que-esta apresentava um valor de 5mm e os valores obtidos nas tentativas de calibraccedilatildeo estavam em meacutedia correspondendo a 35mm A figura 4 exibe os resultados obtidos na calibraccedilatildeo em laboratoacuterio

53 Planejamento execuccedilatildeo do voo para obtenccedilatildeo de fotografias e coleta dos pontos de controle

A partir da identificaccedilatildeo das aacutereas onde ocorreram mu-danccedilas foram elaborados os planos de voos destes locais Foram realizados 20 planos de voos que estatildeo expressos na tabela 2 que apresenta os aspectos referente agrave quantidade de faixas nuacutemero de fotografias tomadas e dimensotildees de cada voo Na figura 5 eacute exibido um dos planos de voo elaborados para este trabalho a partir do software pix4d

Tab 2 Especificaccedilotildees dos Planos de Vocircos criados

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Escola Politeacutecnica 4 79 x 61

Satildeo Lazaro - Restaurante Universitaacuterio 4 71 x 60

Satildeo Lazaro - Voo 1 4 114 x 77

Satildeo Lazaro - Voo 2 4 121 x 75

Portatildeo Principal 5 174 x 105

Pav Aulas (IHAC) 4 74 x 78

PAF V e Escola de Medi-cina Veterinaacuteria 5 101 x 91

PAF IV 4 91 x 61

PAF III 4 57 x 63

Ampliaccedilatildeo do Instituto de Letras 5 63 x 86

Faculdade de Comuni-caccedilatildeo 6 63 x 145

RMCT VOL36 Nordm4 2019 47REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Aacuterea sobrevoada Quantidade de faixas de voo (unit)

Dimensotildees do quadro de voo (m)

Instituto de Biologia 5 67 x 84

Praccedila das Artes 7 110 x 156

Laboratoacuterio de Quiacutemica (Anexos PAF I) 5 56 x 103

Lab Quiacutemica e Inst Farmaacutecia 7 126 x 151

Biblioteca de exatas 4 67 x 87

Fac Arquitetura 5 100 x 100

Inst Geociecircncias (Voo 1) 5 100 x 94

Inst Geociecircncias (Voo 2) 5 89 x 89

Quadra - UFBA 6 87 x 140

Fig 5 - Plano de voo do Portatildeo principal reconstruccedilatildeo do Insti-tuto de Muacutesica e ampliaccedilatildeo do Instituto de Danccedila Fonte Autoria

proacutepria (2018)

No momento da tomada das fotografias a dificuldade maior foi relacionada com a perda de sinal em algumas aacutereas A perda de sinal impediu que algumas faixas de voo fossem executadas por completo necessitando realizar a tentativa mais de uma vez ateacute obter as fotografias de acordo com o planejamento dos voos Os locais onde ocorreram as perdas de sinais foram relacionados ao Pavilhatildeo de Aulas da Federa-ccedilatildeo nas aacutereas que correspondem ao IHAC PAF III PAF IV e do Laboratoacuterio de Fiacutesico-quiacutemica Presumiu-se que a perda de sinal caracterizou-se pela existecircncia de antenas na regiatildeo e a existecircncia de edificaccedilotildees no entorno da Universidade com comprimento maior que a altura de voo utilizada

Percebeu-se que houve uma boa nitidez dos elementos identificaacuteveis nas fotografias O horaacuterio e as condiccedilotildees cli-maacuteticas favoraacuteveis presentes no momento da execuccedilatildeo dos planos de voos auxiliaram na obtenccedilatildeo de fotografias com melhor resoluccedilatildeo radiomeacutetrica uma vez que houve lumino-sidade suficiente na tomada destas Contudo percebeu-se tambeacutem que as telhas que revestem as edificaccedilotildees apresen-taram-se niacutetidas nas imagens com a presenccedila de linhas ar-redondadas como se verifica na figura 6 O formato arre-dondado em algumas imagens diz respeito agrave caracteriacutestica da cacircmera natildeo-meacutetrica ser grande angular no intuito de obter grandes extensotildees no momento da tomada das fotografias

Fig 6 ndash Fotografia tomada do PAF III e do PAF IV

A partir do levantamento de campo realizado a partir de rastreio utilizando receptores GNSS foram utilizadas as co-ordenadas de 30 pontos de controle para o processamento das fotografias e geraccedilatildeo das ortofotos Eacute vaacutelido ressaltar que esta quantidade de pontos de controle equivale agrave quantidade total utilizada em todos os processamentos realizados

54 Processamento das imagens

Para a geraccedilatildeo das ortofotos digitais foi utilizado o softwa-re Agisoft PhotoScan 130 e a partir das fotografias obtidas fo-ram geradas sete ortofotos Cada uma delas refere-se agraves regiotildees onde ocorreram as tomadas de voos na aacuterea de estudo Durante o momento do processamento das fotografias houve falhas rela-cionadas agrave obtenccedilatildeo das ortofotos digitais bem como seus respec-tivos modelos tridimensionais Primeiramente o processamento das fotografias foi realizado para cada plano de voo executado Contudo principalmente na regiatildeo que diz respeito ao Pavilhatildeo de Aulas da Federaccedilatildeo notou-se que nas ortofotos geradas refe-rentes agrave aacuterea que contempla a Bibilioteca de Exatas dos preacutedios anexos do PAF I e do Instituto de Farmaacutecia obtiveram-se discre-pacircncias na faixa de dois metros das coordenadas das suas feiccedilotildees em relaccedilatildeo agraves coordenadas homoacutelogas dos pontos de controle co-letadas em campo Na tentativa de corrigir tais falhas houve um reprocessamento das fotografias correspondentes ao pavilhatildeo de aulas da Federaccedilatildeo de forma conjunta ou seja para esta aacuterea foi gerada uma uacutenica ortofoto Com isso conseguiu-se solucionar as falhas relacionadas agraves discrepacircncias obtidas para as aacutereas especiacute-ficas uma vez que assim o processamento permitiu a inserccedilatildeo de todos os pontos de controle coletados para esta aacuterea e consequen-temente uma melhor distribuiccedilatildeo dos mesmos

Fig 7 - Modelo Tridimensional Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria (2018)

48 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 8 - Ortofoto digital do Portatildeo Principal Fonte Autoria proacutepria

(2018)

Apesar do caacutelculo do GSD ser avaliado na etapa de pla-nejamento de voo nos resultados obtidos na etapa de calibra-ccedilatildeo manual conforme descrito no item 52 percebeu-se que o valor fornecido no manual do equipamento para a distacircncia focal de 5mm estava incoerente com os valores obtidos na calibraccedilatildeo de cacircmera em laboratoacuterio e tambeacutem na autoca-libraccedilatildeo realizada no software Agisoft Photoscan 130 uma vez que para as sete ortofotos geradas obteve-se uma meacutedia de 32 mm de distacircncia focal e considerando uma altura de voo de 60m o GSD obtido foi em meacutedia 0025m

Eacute vaacutelido ressaltar que dos 30 pontos utilizados para o processamento foram utilizados trecircs em cada um deles com exceccedilatildeo da aacuterea que contempla o Pavilhatildeo de aulas da Fede-

raccedilatildeo em que foram utilizados 12 pontos de controleAs figuras 7 e 8 exibem respectivamente o modelo tridi-

mensional e a ortofoto obtida para uma das regiotildees da aacuterea de estudo A tabela 3 exibe os paracircmetros obtidos no proces-samento das ortofotos no Photoscan

55 Verificaccedilatildeo de Feiccedilotildees desatualizadas e a sua atualizaccedilatildeo

A geraccedilatildeo do mapa atualizado iniciou-se pela mudanccedila no Sistema Geodeacutesico de Referecircncia da base cartograacutefica do SICAD de SAD 69 para SIRGAS 2000 e em seguida foi fei-ta a sobreposiccedilatildeo das ortofotos geradas em relaccedilatildeo a mesma realizando-se a vetorizaccedilatildeo e obtenccedilatildeo do mapa atualizado dos campi

Em relaccedilatildeo agraves mudanccedilas identificadas na aacuterea de estudo notou-se qe ocorreram alteraccedilotildees das vias (meio-fio) vege-taccedilatildeo e edificaccedilotildees Houve uma visualizaccedilatildeo e anaacutelise maior destas trecircs camadas uma vez que satildeo as mais evidentes na aacuterea de estudo em detrimento das outras que natildeo possuem representaccedilatildeo vetorial nesta regiatildeo Observou-se tambeacutem que a construccedilatildeo e demoliccedilatildeo de edificaccedilotildees foram a atuali-zaccedilatildeo mais pertinente do local pois aleacutem das mudanccedilas na quantidade de edificaccedilotildees construiacutedas estas tambeacutem inter-feriram diretamente nos outros elementos que compotildeem a aacuterea Assim a construccedilatildeo de novas edificaccedilotildees fez com que surgissem passeios e houvesse reduccedilatildeo da densidade vegeta-tiva de determinados locais e de forma anaacuteloga a demoliccedilatildeo delas ocasionou mudanccedilas nas aacutereas que compotildeem meio-fio e passeios

A figura 9 exibe a planta atualizada correspondente agrave aacuterea de estudo dos campi da UFBA

OrtofotoDistorccedilatildeo Radial Distorccedilatildeo Descentrada

Distacircncia Focal (mm)

Posiccedilatildeo da coordenada central

K1 K2 K3 P1 P2 Cx Cy

Escola Politeacutecnica -0569 0377 -0120 -0001 000715 372759 38819 -91426

Satildeo Laacutezaro ndash Restaurante Universitaacuterio -0669 0587 -0341 -0001 -00015 372759 181589 396892

Satildeo Laacutezaro - Pavilhatildeo de Aulas -0702 0612 -0338 00002 00011758 372759 -54996 728132

Portatildeo Principal -0369 0174 -0054 975E-07 -947E-05 266358 235613 192896

Pavilhatildeo de Aulas da Fede-raccedilatildeo -0357 0157 -0045 -723E-05 -883E-05 258692 138198 235861

Faculdade de Arquitetura e IGEO -0329 0123 -0028 -000016 -0000249 247259 358938 349261

Quadra - UFBA -0714 0622 -0338 -000023 0000521 372759 196 110666

Tab 3 Paracircmetros obtidos no Photoscan

RMCT VOL36 Nordm4 2019 49REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

Fig 9 - Planta da UFBA atualizada Fonte Autoria proacutepria (2018)

56 Controle de Qualidade Posicional

Neste item satildeo apresentados os resultados obtidos para os testes estatiacutesticos realizados em relaccedilatildeo a classificaccedilatildeo do pro-duto cartograacutefico atualizado conforme descrito no item 48

Para a realizaccedilatildeo do caacutelculo do nuacutemero de amostras considerou-se um intervalo de confianccedila (Z) de 995 e o erro amostral relativo (120576) como sendo 15 do desvio padratildeo amostral (120590)

O caacutelculo da populaccedilatildeo amostral utilizando-se o softwa-re Dxf2xyz v20 permitiu obter um valor de aproximadamen-te 24000 amostras Neste software foram inseridos todos os arquivos vertoriais da base SICAD relacionados agrave aacuterea de estudo e extraiacutedo este valor A substituiccedilatildeo deste valor na equaccedilatildeo 1 fez com que fosse obtido o valor miacutenimo de 24 amostras para a aacuterea que caracteriza as delimitaccedilotildees da aacuterea de estudo dos campi da UFBA utilizada neste trabalho A avaliaccedilatildeo do PEC-PCD foi data no produto cartograacutefico atu-alizado (Figura 9)

A partir dos caacutelculos realizados as tabelas 4 e 5 exibem respectivamente os valores das meacutedias e desvios padratildeo en-contrados para as discrepacircncias em relaccedilatildeo a N e E

Tab 4 - Meacutedia das Descrepacircncias

Meacutedia das Discrepacircncias (m)

0147

-00876

Quanto agrave anaacutelise de tendecircncia observou-se que a hipoacutete-se nula do teste t student (tabela 6) foi apenas aceita para a

componente E do par de coordenadas planimeacutetricas (N E) Entatildeo considerando 90 de confiabilidade natildeo existe a ten-decircncia de erros sistemaacuteticos para esta direccedilatildeo em detrimento da componente N em que foi apresentada tendecircncia de erros

Tab 5 Desvio padratildeo das discrepacircncias

Desvio Padratildeo das discrepacircncias (m)

0308

0266

Tab 6 Teste T Student

T-student

t (23005) 1714

N 234

E -1613

Em relaccedilatildeo agrave anaacutelise de precisatildeo (tabela 7) os resultados encontrados apresentam erro padratildeo esperado e o teste qui--quadrado realizado para uma escala de 12000 abordada Este produto foi aceito apenas para a classe B do Padratildeo de Exatidatildeo Cartograacutefica

Tab 7 Classificaccedilatildeo do Produto Cartograacutefico

Teste Qui-Quadrado (23 010) - 32007

PEC-PCD (12000) Delta (E) Delta (N)

A 3788 2815

B 1217 904

C 438 332

D 304 226

57 Consideraccedilotildees finais

Uma vez que os resultados apresentados neste trabalho satildeo relacionados com a obtenccedilatildeo da qualidade cartograacutefica do mapeamento gerado no que diz respeito ao processo de atualizaccedilatildeo destas aacutereas com VANT quadrotor os principais aspectos considerados nesta pesquisa para a qualidade do produto final e a precisatildeo dos dados estatildeo relacionados aos seguintes aspectos quantidade e distribuiccedilatildeo dos pontos de controle tanto para o processamento dos dados quanto para a acuraacutecia posicional do produto final qualidade dos sensores embarcados calibraccedilatildeo da cacircmera estabilidade da platafor-ma e processamento utilizando ferramenta computacional

Notou-se que um dos aspectos que contribui para a ine-xatidatildeo obtida no produto final estaacute relacionada agrave baixa pre-cisatildeo do sensor embarcado uma vez que o alto custo de sen-sores mais precisos aliados agrave instabilidade da plataforma e dos riscos operacionais com a qual esta opera impossibilita o seu uso

Neste trabalho foram apresentados os resultados obtidos em relaccedilatildeo agrave aplicaccedilatildeo do VANT quadrotor DJI Phantom 2 para a obtenccedilatildeo de ortofotos em diferentes regiotildees de uma aacuterea de estudo que contempla elementos inerentes agrave zona ur-bana para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica Conclui-se que os meacutetodos utilizados satildeo satisfatoacuterios Contudo o sobrevoo de

50 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

vinte aacutereas diferentes permitiu analisar que agrave medida que mais regiotildees foram sobrevoadas passaram a surgir dificulda-des inerentes ao processo evidenciando que o uso do equipa-mento se torna difiacutecil agrave medida que a aacuterea de estudo aumen-tava Dificuldades relacionam com agraves variaccedilotildees atmosfeacutericas que provocaram instabilidade da plataforma inclinaccedilatildeo da verticalidade da cacircmera no momento da tomada das fotogra-fias e a inserccedilatildeo dos pontos de controle para o processamen-to sendo que em algumas regiotildees foram mais numerosos que em outras

No que diz respeito agrave qualidade das cacircmeras digitais a melhoria das resoluccedilotildees e um custo acessiacutevel no mercado permitem que estes equipamentos sejam viaacuteveis para a fo-togrametria digital Contudo as dificuldades ocasionadas no processo de calibraccedilatildeo da cacircmera em laboratoacuterio impediram que fossem corrigidas todas as distorccedilotildees radiocecircntricas pro-vocadas ou seja quanto mais distante do centro maiores distorccedilotildees foram verificadas Dessa forma tal situaccedilatildeo im-plicou diretamente na qualidade dos produtos finais obtidos para atualizaccedilatildeo dos elementos da base cartograacutefica do SI-CAD na escala de 12000

A etapa de acuraacutecia posicional calculada para o produ-to final atualizado foi determinada para a escala de 12000 estabelecendo uma compatibilidade entre a vetorizaccedilatildeo das ortofotos geradas e os elementos da base cartograacutefica do SI-CAD O novo produto gerado apresentou resultados satisfa-toacuterios de acordo com as limitaccedilotildees e as dificuldades geradas inerentes ao processo A viabilidade do meacutetodo estaacute relacio-nada com as questotildees teacutecnicas dos resultados obtidos a par-tir da acuraacutecia posicional calculada do produto final gerado Contudo no que diz respeito a questotildees econocircmicas as anaacute-lises quanto ao uso do meacutetodo em determinadas etapas para fins de atualizaccedilatildeo cartograacutefica demandaram o uso de ativi-dades que arcariam custos elevados caso fossem aplicadas em demais aacutereas urbanas para estes fins Dessa forma caso uma determinada prefeitura demande um projeto de atuali-zaccedilatildeo cartograacutefica para o seu municiacutepio ou uma determinada aacuterea deste utilizando os meacutetodos descritos neste trabalho aleacutem dos gastos com a equipe teacutecnica e equipamentos pode-ratildeo ser gerados gastos relacionados as repetidas idas a campo para a execuccedilatildeo dos planejamentos de voos em aacutereas onde houve falhas relacionadas a perda de sinal e erros de arraste nas fotografias coleta dos pontos de controle e obtenccedilatildeo dos resultados na etapa de processamento dos dados a fim de ge-rar resultados semelhantes aos obtidos neste trabalho Estas demandas poderatildeo inviabilizar o uso desta teacutecnica uma vez que o custo-benefiacutecio no que diz respeito aos prazos para entrega dos finais e os demais gastos na execuccedilatildeo do projeto poderiam tornar a aplicaccedilatildeo destes meacutetodos natildeo vantajosos para determinados oacutergatildeos

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52 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

1 IntroduccedilatildeoOs accedilos maraging tecircm alto teor de liga elevada tenacida-

de fratura a limite de escoamento superior a 1000 MPa A famiacutelia dos accedilos maraging atinge elevados niacuteveis de resis-tecircncia mecacircnica sem a tiacutepica contribuiccedilatildeo do carbono que eacute explorada em quase todos os accedilos Nesses materiais as propriedades mecacircnicas decorrem de microestrutura marten-siacutetica de baixiacutessimo teor de carbono com estrutura cristalina cuacutebica de corpo centrado (CCC) associada a precipitados de compostos intermetaacutelicos formados em tratamento teacutermi-co de envelhecimento O termo ldquomaragingrdquo tem origem na combinaccedilatildeo de ldquomartensiterdquo e ldquoage hardeningrdquo que indica o tratamento empregado nesses accedilos [1]

A liga eacute composta de Ni Co Mo e Ti sendo que a desig-naccedilatildeo mais usada para esses accedilos informa o teor nominal de Ni e o limite miacutenimo de escoamento no ensaio de traccedilatildeo [2] em MPa (Sistema Internacional) ou em ksi (quilo libras por polegada quadrada mais usada nos EUA)

A quase ausecircncia de carbono em conjunto com os demais elementos de liga promove caracteriacutesticas especiais aos accedilos maraging O elevado teor de niacutequel permite a formaccedilatildeo de martensita atraveacutes de tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo seguido de resfriamento ateacute a temperatura ambiente sendo tal fate macia o que viabiliza processos de conformaccedilatildeo e usinagem do materide Apoacutes tais processos o material au-menta de resistecircncia mecacircnica atraveacutes do tratamento de en-velhecimento natildeo apresenta significativas distorccedilotildees ou al-teraccedilotildees dimensionais

O envelhecimento pode ser realizado no material deforma-do a frio previamente solubilizado ou apoacutes o tratamento de solubilizaccedilatildeo permitindo atingir altos niacuteveis de resistecircncca e anisotropes mecacircnicas com reduccedilatildeo da tenacidade [1]

O aquecimento da microestrutura martensiacutetica ateacute tem-peraturas acima das usuais ou por tempos excessivamente longos pode causar a formaccedilatildeo gradual de austenita abaixo da temperatura As (temperatura de iniacutecio de formaccedilatildeo da aus-tenita ndash 666 degC) para o accedilo maraging de grau 18Ni350 [3 4] Essa condiccedilatildeo eacute conhecida por ldquosuperenvelhecimentordquo e a austenita formada eacute da ldquoaustenita revertidardquo [2 4] a qual influencia as propriedades mecacircnicas do material [5 6]

Crescentes fraccedilotildees volumeacutetricas de austenita revertida geram menores valores de dureza de limite de escoamento e

de limite de resistecircncia e maiores valores de deformaccedilatildeo to-tal no ensaio de traccedilatildeo A formaccedilatildeo inicial da austenita rever-tida eacute atribuiacuteda ao enriquecimento localizado de Ni na matriz martensiacutetica jaacute que o Ni eacute o principal elemento estabilizador da austenita [7] Esses fenocircmenos ocorrem acima de 500 degC especialmente para longos tempos de tratamento teacutermico

Tendo em vista que o principal objetivo do tratamento de envelhecimento nos accedilos maraging eacute maximizar a sua resistecircncia mecacircnica a ocorrecircncia das reaccedilotildees de reversatildeo da martensita metaestaacutevel para austenita deve ser evitada ou pelo menos minimizada [1] com a adequada combinaccedilatildeo das variaacuteveis do tratamento teacutermico de envelhecimento

2 MATERIAL E MEacuteTODOSO material em estudo foi fornecido pela Villares Metals

SA com nome comercial VART350 A composiccedilatildeo quiacutemica do material eacute mostrada na Tabela 1

Tabela 1 Composiccedilatildeo quiacutemica do material estudadoElemento ( em peso)

Ni Co Mo Ti C

1815 1198 502 1297 0003

S Al

00012 0091

O processamento envolveu trecircs etapas dando origem ao material disponiacutevel para o presente estudo solubilizaccedilatildeo a 950 degC com resfriamento em aacutegua laminaccedilatildeo a frio com as reduccedilotildees de 60 75 e 90 e envelhecimento ao tempo de 8 h nas temperaturas de 450 510 e 600 degC

As anaacutelises de DSC foram realizadas no aparelho DSC 404 F1 Pegasus de marca NETZSCH Foram cortadas amos-tras com a forma de cubo com aresta de 2 mm e massa em torno de 60 mg A massa inicial das amostras foi reduzida em mais de 50 As amostras foram aquecidas entre 50 degC e 1000 degC com taxa de 10 degCmin Foi usada atmosfera pro-tetora de nitrogecircnio e as curvas obtidas com as diferentes amostras analisadas foram padronizadas com fluxo teacutermico zero no iniacutecio e no fim

Para as anaacutelises por DRX foi usado o Difratocircmetro de Raios X modelo XrsquoPERT PRO MRD da PANalytical O

RESUMO Este trabalho identifica as condiccedilotildees mais adequadas para o tratamento de envelhecimento de um accedilo maraging 350o evitanor a formaccedilatildeo de austenita revertida As carcterizaccedilotildeas utilizadas foram a anaacutelise por calorimetria exploratoacuteria diferencial (DSC) e a difraccedilatildeo de raios X (DRX o tratamento de envelhecimento for conduzido em temperaturas de 450 degC a a 600 degC por tempos ateacute 8 horas Tais condiccedilotildees impedem a formaccedilatildeo de austenita revertida durante o tratamento de envelhecimento

PALAVRAS-CHAVE Accedilo maraging Austenita revertida DRX

ABSTRACT This worto identifisy the most suitable conditions for the aging treatment of a 350 maraging ste50o avoiding the formation of reversed austenite The characteristics used were differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD)dTthe aging treatment wae conducted at temperatures o 450 degC tr 600 degC for times oo 8 hours Such conditions prevent thleformation of reversed austenite during the aging treatment

KEYWORDS Maraging steel Reversed Austenite XRD DSC

Estudo de paracircmetros que controlam a nucleaccedilatildeo da austenita revertidanos accedilos Maraging 350

Simone I V Santana Luiz Paulo BrandatildeoInstituto Militar de Engenharia (IME) ndash

Praccedila General Tibuacutercio 80 22290-270 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ Brasilsimoneizabel imeebb

RMCT VOL36 Nordm4 2019 53REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

anodo utilizado foi o de cobalto com filtro de ferro e com um comprimento de onda Kα meacutedio de 0179 nm e a mediccedilatildeo feita atraveacutes de um detector PIXcel

3 RESULTADOS E DISCUSSAtildeOA amostra do material como recebido apresentou a curva

observada na Fig1 na qual podem ser vistos dois eventos exoteacutermicos nas temperaturas mais baixas (inferiores a 600 degC) sendo o primeiro mais suave (menor aacuterea entre a curva e a linha base) e o segundo mais pronunciado Entre 600 degC e 800 degC ocorreu um forte evento endoteacutermico englo-bando trecircs picos sobrepostos nessa faixa de temperaturas As temperaturas de iniacutecio e fim do evento endoteacutermico (Evento 3) assim como as temperaturas de pico dos mesmos estatildeo registradas na Tabela 2

Tab 2 Temperaturas (degC) de iniacutecio (TI) de pico (TP) e de fim (TF) dos eventos observados nas curvas de DSC das

amostras analisadas no presente trabalho

Amostra Evento 3

TI TP TP TP TF

CR 661 690 743 766 782

LAM 60 654 688 738 - 781

LAM 75 649 692 732 - 778

LAM 90 640 678 733 - 767

Os mesmos eventos foram observados nas curvas geradas pelas anaacutelises das demais amostras que foram solubilizadas resfriadas em aacutegua ateacute a temperatura ambiente e laminadas a frio Esses eventos satildeo apresentados na Fig 2 cujos aspec-tos satildeo semelhantes aos da curva do material como recebido Foi verificado que o evento endoteacutermico do material como recebido apresentou trecircs picos sobrepostos enquanto que as amostras laminadas a frio soacute apresentaram dois picos no evento em questatildeo Aleacutem disso o segundo pico do evento endoteacutermico da amostra com 90 de reduccedilatildeo a frio se mos-trou um pouco mais alto do que o pico vizinho quando com-parados aos das amostras com 60 e 75 de reduccedilatildeo a frio

Fig1 ndash Curva obtida via anaacutelise de DSC da amostra como recebi-da (coacutedigo CR)

Fig2 ndash Evento 3 presente nas curvas obtidas via anaacutelise de DSC das amostras solubilizadas resfriadas em aacutegua para as deforma-

ccedilotildees a 60 75 e 90

Os resultados obtidos atraveacutes das anaacutelises via DSC do accedilo maraging 350 estudado no presente trabalho satildeo compa-tiacuteveis e muito semelhantes aos apresentados por Guo e auto-res [8] referentes a um accedilo maraging 250 com cobalto sem deformaccedilatildeo As curvas brutas de DSC adaptadas do citado trabalho obtidas com diferentes taxas de aquecimento estatildeo sobrepostas e vistas na Fig3

Fig3 ndash Anaacutelise teacutermica por DSC de um accedilo maraging 250Adaptado de [8]

Um resumo da interpretaccedilatildeo dos eventos observados nas regiotildees da Fig3 eacute apresentado na Tabela 3

Tab 3 Interpretaccedilatildeo dos resultados da curva de DSC de um accedilo maraging 18Ni250 com cobalto aquecido a taxa de 50 Kmin

Adaptado de [8]

Regiatildeo Tipo de evento DSC

Intervalo de temperatura Possiacuteveis transformaccedilotildees

III Endoteacutermico 635-730

bull Reversatildeo demartensita para austenita

bull Reversatildeo de martensita paraaus-tenita por difusatildeo que ficaraacute retida apoacutes resfriamento

IV Endoteacutermico 730-800 bull - Reversatildeo de martensita para austenita por cisalhamento

54 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

O primeiro pico do Evento 3 da Fig1 observado neste trabalho eacute muito parecido com a Regiatildeo III da Fig3 cuja explicaccedilatildeo mais provaacutevel eacute que represente a reversatildeo de martensita para austenita atraveacutes de um mecanismo con-trolado por difusatildeo Essa hipoacutetese eacute reforccedilada pelo peque-no aumento das temperaturas dos picos da Regiatildeo III para crescentes taxas de aquecimento Tambeacutem eacute considerado que essa austenita se forme nas regiotildees de segregaccedilatildeo de Ni e poderia gerar austenita retida apoacutes resfriamento ateacute a temperatura ambiente

A causa mais provaacutevel para o segundo pico sobreposto do Evento 3 da Fig1 eacute a reversatildeo de martensita para aus-tenita atraveacutes de um mecanismo de cisalhamento Tambeacutem eacute citada como provaacutevel causa a recristalizaccedilatildeo da austenita Um desses fenocircmenos poderia ser a causa da ocorrecircncia do terceiro pico sobreposto do Evento 3 apresentado na curva do material como recebido (Fig 1)

A ocorrecircncia de dois picos sobrepostos durante o Evento 3 da Fig2 eacute explicada pelo fato da transformaccedilatildeo da mar-tensita para a austenita durante o aquecimento acima da temperatura As ter a tendecircncia de ocorrer em duas etapas especialmente para baixas taxas de aquecimento com a transformaccedilatildeo ocorrendo por mecanismos de difusatildeo ou por cisalhamento que podem inclusive operar simultaneamente

As anaacutelises de DRX foram realizadas na amostra do ma-terial como recebido e nas amostras solubilizadas e lamina-das com 60 de reduccedilatildeo de espessura a frio e nas amostras laminadas e envelhecidas a diferentes temperaturas e tempos

O difratograma da amostra como recebida apresentou predominantemente picos de martensita conforme apresen-tado na Fig4 nas mesmas posiccedilotildees reportadas por outros trabalhos [3 9] O material apresentou os picos caracteriacutesti-cos para a estrutura cuacutebica martensiacutetica nas posiccedilotildees 5283deg (110)M 7771deg (200)M 9983deg (211)M e 12347deg (220)M Tambeacutem ocorreu um pico de austenita para a posiccedilatildeo 5744deg (200)A que pode ser atribuiacutedo agrave austenita retida surgida por causa do tratamento teacutermico empregado na empresa fornece-dora do material

As amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e poste-riormente laminadas a frio com diferentes reduccedilotildees de espes-sura revelaram os difratogramas mostrados conjuntamente na Fig5 O pico caracteriacutestico da austenita natildeo foi detectado em tais amostras estando presentes apenas os picos de mar-tensita

Fig4 ndash Difratograma da amostra como recebida

Fig5 - Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua e ao ar e depois laminadas a frio com 60 75 e 90 de redu-

ccedilatildeo de espessura

Fig6 ndash Difratogramas das amostras solubilizadas e resfriadas em aacutegua laminadas a frio com 60 de reduccedilatildeo de espessura e enve-

lhecidas por 8 h a 450 510 e 600 degC

Quando satildeo comparados os difratogramas obtidos para a laminaccedilatildeo a 60 efetuada na amostra solubilizada e res-friada em aacutegua e envelhecida por 8 h nas trecircs temperaturas utilizadas verifica-se a presenccedila dos picos de austenita na amostra tratada a 600 degC A citada comparaccedilatildeo eacute apresentada na Fig6

Conforme comentado anteriormente a presenccedila de aus-tenita revertida deve ser evitada quando se tem como objeti-vo maximizar a dureza e a resistecircncia mecacircnica do material [10] A anaacutelise das figuras anteriores permite concluir que as temperaturas de envelhecimento entre 450 degC e 510 degC atuando por tempos de ateacute 8 horas natildeo causam a formaccedilatildeo de austenita revertida Por outro lado o tratamento de preci-pitaccedilatildeo feito na temperatura de 600 degC por 8 horas jaacute apre-senta a formaccedilatildeo de austenita na microestrutura final do accedilo estudado

3 ConclusatildeoAs anaacutelises via DSC das amostras como recebida e

laminadas indicaram que a transformaccedilatildeo de martensita para austenita foi realizada em temperaturas no intervalo de 640 degC a 782 degC com taxa de aquecimento de 10 degCmin Mas as anaacutelises de DRX para as amostras laminadas submetidas a

RMCT VOL36 Nordm4 2019 55REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

temperaturas no entorno de 600 degC e a tempos de exposiccedilatildeo grandes (acima de 8 h) mostram o surgimento de austenita revertida

Esses resultados permitem deduzir que a ocorrecircncia de austenita revertida depende aleacutem da temperatura de exposiccedilatildeo do tempo que a amostra fica submetida agrave temperatura

Os resultados das anaacutelises via DRX mostraram que tratamentos de envelhecimento realizados entre 450 degC e 510 degC por ateacute 8 horas natildeo geram austenita revertida nas amostras do material avaliado

4 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem agrave empresa Villares Metals SA pelo fornecimento do material avaliado no presente trabalho O agradecimento tambeacutem eacute extendido ao colega Eacutedio Pereira Lima Juacutenior pelo apoio nas anaacutelises via DSC

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RESUMO Nesse trabalho foram produzidos e caracterizados filmes finos de VOx com adiccedilatildeo de molibdecircnio para a aplicaccedilatildeo em detecccedilatildeo de radiaccedilatildeo infravermelha utilizando a teacutecnica de pulverizaccedilatildeo catoacutedica a partir da codeposiccedilatildeo de um alvo de V2O3 - e de um alvo de molibdecircnio em atmosfera inerte de argocircnio em temperatura ambiente e sem tratamento teacutermico poacutes-deposiccedilatildeo Esse conjunto de condiccedilotildees possibilitou a produccedilatildeo de filmes adequados agrave aplicaccedilatildeo em questatildeo em uma uacutenica etapa de faacutecil controle As amostras geradas foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) por difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) e pelas medidas do coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) e da resistecircncia de folha Constatou-se que os filmes formados eram multifaacutesicos sem espeacutecies de vanaacutedio ou molibdecircnio metaacutelico e sem transiccedilatildeo de fase Constatou-se ainda que a adiccedilatildeo do molibdecircnio modificou as propriedades eleacutetricas dos filmes de forma natildeo-monotocircnica e que a percentagem de Mo adicionada ultrapassou o limite de solubilidade nas redes VOx dos filmes O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros foi obtido com o filme produzido com 5 at Mo o qual exibiu um TCR de 21 K-1 e uma resistecircncia de folha da ordem de 12 kΩ

PALAVRAS-CHAVE oacutexidos de vanaacutedio pulverizaccedilatildeo catoacutedica molibdecircnio codeposiccedilatildeo sensores de infravermelho

ABSTRACT In this work VOx thin films with molybdenum addition were produced and characterized for the application in IR detection by codeposition using the RF magnetron sputtering technique from a V2O3 target and a molybdenum target in an inert atmosphere of argon at room temperature and without anneling treatment This condition set allowed to produce films suitable for the application in question by single step and easy control The samples were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) X-Ray Grazing Incidence Diffraction (GIDRX) and the measure of Coefficient of variation of electrical Resistance with Temperature (TCR) and sheet resistance It was found that the films were multiphasic without vanadium or molybdenum metallic species and without phase transition It was also observed that the addition of molybdenum modified the electrical properties of the films in a non-monotonic way and the percentage of Mo added exceeded the solubility limit in the VOx networks The best result for application in microbolometers was obtained with the film produced with 5 at Mo which exhibited a TCR of 21 K-1 and a sheet resistance of the order of 12 kΩ

KEYWORDS vanadium oxides sputtering molybdenum codeposition IR sensorsTemplate

Produccedilatildeo de filmes finos de oacutexidos de vanaacutedio (VOx) a partir de V2O3 e molibdecircnio por codeposiccedilatildeo via pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo

magneacutetico

Fernanda G de F T Barbosa Carlos L Ferreira Marcelo S B de CastroInstituto Militar de Engenharia (IME)

Praccedila General Tibuacutercio 80 Urca 22290-270 Rio de Janeiro georgiaimeebbr

1 IntroduccedilatildeoA maioria das induacutestrias que produzem sensores natildeo refrige-

rados tipo microbolocircmetro utilizam como material termossen-siacutevel o oacutexido de vanaacutedio (VOx) [1] O VOx apresenta as seguin-tes propriedades elevado coeficiente de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) quando comparado a outros materiais ruiacutedo (1f) menor que outros materiais semicondutores e possibilidade de ser obtido por pulverizaccedilatildeo catoacutedica ndash teacutecnica simples segura e compatiacutevel com as teacutecnicas de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados (CI)

A adiccedilatildeo de metais sobretudo os de transiccedilatildeo vem sendo ex-plorada na melhoria das propriedades eleacutetricas desses filmes que para a aplicaccedilatildeo em microbolocircmetros devem ter um TCR com moacutedulo acima de 2 K-1 e resistecircncia de folha da ordem de kΩ [2] A maioria dos estudos sobre adiccedilatildeo de metais a filmes de VOx satildeo direcionados a temperatura de transiccedilatildeo [3 4] Poreacutem mais recentemente essa teacutecnica vem sendo empregada na busca de fil-mes com TCR e resistecircncia de folha melhores agrave aplicaccedilatildeo desses filmes em detectores de radiaccedilatildeo infravermelha [2 5]

Assim o presente trabalho visa contribuir com o aprimora-mento da fabricaccedilatildeo de termossensores por meio da obtenccedilatildeo de camadas sensoras constituiacutedas de VOx com adiccedilatildeo de moli-bdecircnio por meio de pulverizaccedilatildeo catoacutedica assistida por campo magneacutetico de forma compatiacutevel com a tecnologia de fabricaccedilatildeo de circuitos integrados

2 Procedimento Experimental

21 Fabricaccedilatildeo dos filmes

Os filmes finos foram fabricados a partir de um alvo de

V2O3 e um alvo de molibdecircnio ambos em formato de disco e com 3rdquo de diacircmetro e 999 de pureza por codeposiccedilatildeo desses alvos em substratos de vidro sodalime e siliacutecio mo-nocristalino (100) sendo este uacuteltimo usado na caracterizaccedilatildeo por XPS e GIDRX e o de vidro na caracterizaccedilatildeo eleacutetrica As deposiccedilotildees foram realizadas atmosfera natildeo reativa em temperatura ambiente e natildeo foi realizado tratamento teacutermico dos filmes produzidos As deposiccedilotildees foram realizadas a uma pressatildeo de 13310-3 plusmn 003 mbar com a distacircncia alvo-subs-trato fixada em 75 mm sendo o alvo de V2O3 pulverizado a uma potecircncia de 220 W e o de molibdecircnio em potecircncias de 0 30 40 e 50 W a fim de se obter amostras com diferentes percentagens atocircmicas de Mo

Assim obteve-se um conjunto formado pelas amostras da Tabela 1

Tab 1Amostras produzidas

Amostra Mo( at) Espessura (nm) Taxa de deposiccedilatildeo

(As)

A 0 194 plusmn 10 11

B 5 207 plusmn 9 13

C 7 196 plusmn 12 16

D 15 195 plusmn 14 21

22 Caracterizaccedilatildeo das amostras

As amostras foram caracterizadas por espectroscopia de fotoeleacutetrons excitados por raios X (XPS) para aleacutem de veri-ficar a percentagem atocircmica de Mo em cada amostra avaliar os estados de oxidaccedilatildeo dos aacutetomos de vanaacutedio e molibdecircnio presentes Foi utilizado um sistema SPECS 100 com dupla radiaccedilatildeo Al-Kα e Al-Kβ com energia de foacuteton de 15 keV e detector Phoibos 150 no modo Fixed Analyzer Transmis-sion A ampla varredura foi realizada em um intervalo de

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energia entre 10 e 1300 eV a um passo de 05 eV Para os picos selecionados (O1s + V2p e Mo3d) utilizou-se o passo de 005 eV e a calibraccedilatildeo do espectro de energias foi feita a partir da posiccedilatildeo 2846 eV (C1s) As anaacutelises dos picos foram realizadas com o auxiacutelio do programa CASA-XPS

Para identificar fases cristalinas foi utilizada a teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia rasante (GIDRX) reali-zada em um equipamento PANalytical XrsquoPERT PRO com fonte de Cu Kα (λ=154 Aring) tensatildeo de 40 kV e corrente de 40 mA com fendas de 05 e 2 mm na fonte emissora Foi reali-zada uma varredura 2θ de 15deg a 75deg com acircngulo de incidecircn-cia de 1ordm a um passo de 005deg e com tempo de aquisiccedilatildeo de dados de 10 s por passo Os experimentos foram realizados com auxiacutelio do software Data Collector e as anaacutelises foram feitas por meio do software XrsquoPERT HighScore Plus

A caracterizaccedilatildeo eleacutetrica foi realizada pelo meacutetodo de quatro pontas em um equipamento construiacutedo no Laboratoacute-rio de Filmes Finos do Instituto Militar de Engenharia (LFFIME) [6] Foram medidas as resistecircncias de folha dos filmes em vaacutecuo em um intervalo de temperatura de 18 a 65deg C com taxa de aquecimento de 7deg Cmin A partir dessas me-didas foram calculados graficamente os seus coeficientes de variaccedilatildeo de resistecircncia eleacutetrica com a temperatura (TCR) na temperatura de 27deg C (300 K)

3 Resultados e discussatildeoA partir da anaacutelise por XPS ilustrada nas FIG 1 e 2 fo-

ram encontrados filmes com diferentes espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio e de molibdecircnio constituintes de diferentes oacutexidos Poreacutem natildeo foram encontradas espeacutecies puramente metaacutelicas ndash V0 ou Mo0

Na TAB 2 estatildeo indicadas as percentagens das espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio das amostras

Tab 2 Espeacutecies quiacutemicas de vanaacutedio [89]

Amostras Estados de oxidaccedilatildeo do V Energia de ligaccedilatildeo V2p32 (eV) Aacuterea()

A

V2+ 5139 20

V3+ - -

V4+ 5158 51

V5+ 5175 29

B

V2+ 5149 32

V3+ - -

V4+ 5165 68

V5+ - -

C

V2+ 5148 23

V3+ - -

V4+ 5165 57

V5+ 5174 20

D

V2+ - -

V3+ - -

V4+ 5158 100

V5+ - -

Observa-se que agrave exceccedilatildeo da amostra D as outras amostras dessa seacuterie apresentaram o vanaacutedio em mais de um estado de oxidaccedilatildeo poreacutem nenhuma amostra apre-sentou o vanaacutedio metaacutelico ndash V0

Na amostra A predominaram as espeacutecies V4+ (5158 eV) sendo tambeacutem identificadas as espeacutecies V2+ (5139 eV) e V5+ (5175 eV) Na amostra B foram ob-servadas as espeacutecies V2+ (5149 eV) e V4+ (5165 eV) enquanto na amostra C foram encontradas aleacutem des-

Fig 1 ndash Espectros V2p32 + O1s das amostras produzidas

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sas espeacutecies as espeacutecies V5+ (5174 eV) As amostras D exibiram apenas V4+ (5158 eV)

Na FIG 2 encontram-se os estados de oxidaccedilatildeo do molibdecircnio identificados por meio do pico Mo3d52 Foi observada em todas as amostras a presenccedila de duas espeacute-cies de molibdecircnio Mo6+ e Mo4+ A TAB 3 indica a per-centagem dessas fases A espeacutecie majoritaacuteria em todas as amostras foi o Mo6+ poreacutem o Mo4+ aparece em quanti-dades expressivas ndash cerca de 30 - dando ao espectro Mo3d um formato peculiar com picos mais largos onde o pico Mo3d52 comeccedila a formar um outro dubleto [7]

Tab 3 Espeacutecies quiacutemicas de Molibdecircnio [1011]

Amostras EspeacuteciesMo

Energia de ligaccedilatildeoMo3d32 (eV) aacuterea

BMo4+ 2324 67

Mo6+ 2293 33

CMo4+ 2325 66

Mo6+ 2298 34

DMo4+ 2325 70

Mo6+ 2292 30

Fig 2 ndash Espectros Mod52 das amostras produzidas

As principais fases identificadas no conjunto de difra-togramas foram VO (ICSD 01-077-2173 e 03-065-4054) VO2 (ICSD 01-076-0677 e 01-01-2393) V3O7 (ICSD 01-071-0454) Mo8O23 (ICSD 03-065-1289) MoO2 (ICSD 00-032-0671) e MoO3 (ICSD 00-021-0569)

A amostra A apresentou trecircs picos correspondentes aos planos cristalinos (111) (200) e (220) da fase VO de estrutu-ra cuacutebica em 383deg 446deg e 650deg respectivamente Foi iden-tificado ainda um pico em 355deg correspondente ao plano cristalino (802) da fase V3O7 de estrutura monocliacutenica

Na amostra B foram observados aleacutem dos picos corres-pondentes agrave fase VO presentes na amostra A outros trecircs pi-cos o pico em 246deg correspondente ao plano (001) da fase Mo5O14 de estrutura monocliacutenica (ICSD 01-081-1264) o pico em 353deg correspondente ao plano (310) da fase MoO3 de estrutura hexagonal e o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino (-211) da fase MoO2 de estrutura mono-cliacutenica (ICSD 00-032-0671) Haacute ainda um pico proacuteximo a 31deg que pode ser associado ao plano (022) da fase V5O9 de estrutura tricliacutenica

A amostra C apresenta tambeacutem os trecircs picos correspon-dentes aos planos da fase VO identificados nas amostras A e B Foram identificados tambeacutem os mesmos planos das fases

Mo5O14 e MoO2 presentes na amostra B A regiatildeo entre 180deg e 350deg apresenta picos iacutenfimos nos quais a contagem de foacute-tons foi muito baixa impossibilitando a identificaccedilatildeo precisa dos mesmos

Na amostra D foram identificados seis picos principais o pico em 260deg correspondente ao plano cristalino (11) da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica o pico em 297deg cor-respondente ao plano cristalino (11) da fase Mo8O23 de estru-tura monocliacutenica o pico em 369deg correspondente ao plano cristalino da fase MoO2 de estrutura monocliacutenica e mais trecircs picos Estes situam-se nas posiccedilotildees 387deg 449deg e 653deg e correspondem respectivamente aos planos cristalinos (401) e (003) da fase VO2 de estrutura monocliacutenica e ao plano (301) da fase VO2 de estrutura ortorrocircmbica

A TAB 4 mostra o resultado da caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras Nota-se que a amostra sem adiccedilatildeo de Mo amostra A jaacute possuiacutea baixa resistecircncia de folha que pode ser explicada por uma expressiva presenccedila de fases VO de ca-raacuteter condutor Nas demais amostras a adiccedilatildeo de Mo formou espeacutecies Mo4+ implicando os baixiacutessimos valores de resis-tecircncia de folha alcanccedilados pelas amostras C e D

A amostra B apresentou os maiores valores de TCR e de resistecircncia de folha Houve um aumento de 45 no moacutedulo do TCR e de uma ordem de grandeza na resistecircncia de folha

RMCT VOL36 Nordm4 2019 59REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

dessa amostra em relaccedilatildeo agrave amostra original A Esse aumen-to no valor da resistecircncia de folha deve estar relacionado agraves fases amorfas presentes provavelmente MoO3 a qual tam-beacutem estaacute presente na forma cristalina como ilustrado nos difratogramas da FIG 3

Fig 3 ndash Difratogramas das amostras produzidas

Tab 4 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica das amostras

Amostra Mo ( at) Resistecircncia (Ω) TCR ( K-1)

A 0 1880 11

B 5 11519 21

C 7 5164 18

D 15 2014 13

A FIG 4 apresenta as curvas de LnR em funccedilatildeo do inver-so da temperatura

Como se pode observar pela linearidade dessas curvas no intervalo de temperatura analisado exibiram as amostras apresentaram filmes sem transiccedilatildeo de fase TCR contiacutenuo e exibem comportamento semicondutor

4 ConclusotildeesA introduccedilatildeo de Mo na matriz VOx provocou uma varia-

ccedilatildeo natildeo-monotocircnica do TCR e da resistecircncia de folha das amostras em questatildeo

Os resultados obtidos a partir dos espectros de XPS mos-traram que os filmes de todas as amostras satildeo multifaacutesicos A amostra D apresentou apenas as espeacutecies V4+ (5158 eV) A FIG 2 exibiu espectros Mo3d que sugerem muacuteltiplas fa-ses de Mo presentes nos filmes incluindo fases de valecircncia mista devido ao formato das curvas e a presenccedila de espeacute-cies Mo4+ em quantidades expressivas em relaccedilatildeo agraves espeacutecies Mo6+ Tal hipoacutetese eacute confirmada pelas fases cristalinas de va-lecircncia mista Mo5O14 e Mo8O23 encontradas nas amostras C e D respectivamente ndash FIG 3 Fases cristalinas de molibdecircnio foram observadas a partir de 5 at Mo Tal fato indica que

Fig 4 ndash Logaritmo da resistecircncia de folha x inverso da temperatura

60 RMCT VOL36 Nordm4 2019REVISTA MILITAR DE CIEcircNCIA E TECNOLOGIA

o limite de solubilidade do molibdecircnio nesses filmes de VOx para essas condiccedilotildees experimentais eacute inferior a 5 at

Observa-se ainda que as amostras A e D apresentaram as menores resistecircncias de folha A maior resistecircncia de fo-lha exibida pela amostra B pode ser atribuiacuteda inicialmente a formaccedilatildeo de fases amorfas de MoO3 que funcionam como centro de espalhamento de eleacutetrons Poreacutem como espeacutecies Mo4+ tambeacutem satildeo formadas em concentraccedilotildees expressivas com o aumento da percentagem de adiccedilatildeo de Mo fases MoO2 e MoOx de caraacuteter metaacutelico foram obtidas implican-do agrave formaccedilatildeo de uma estrutura equivalente a um circuito com resistecircncias em paralelo no filme de VOx e consequen-temente reduzindo a resistecircncia de folha das amostras C e D Corroborando com essa hipoacutetese pode-se observar que apenas a amostra B apresentou a fase MoO3 em seu difrato-grama enquanto as amostras C e D exibiram fases MoO2 e outras que satildeo formadas tambeacutem pelas espeacutecies Mo4+

O melhor resultado para aplicaccedilatildeo em detectores de infra-vermelho foi obtido com o filme da amostra B que apresen-taram resistecircncia de folha da ordem de 1k Ωsq e TCR igual a -21 K-1

AgradecimentosOs autores agradecem ao Centro Brasileiro de Pesquisas

Fiacutesicas (CBPF) pelo uso dos equipamentos para a realizaccedilatildeo das caracterizaccedilotildees de espectroscopia de fotoeleacutetrons excita-dos por raios X (XPS) e de difraccedilatildeo de raios X por incidecircncia

rasante (GIDRX)

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