Georreferenciamento de imagens de sensoriamento remoto no QGIS

Georreferenciamento de imagens de sensoriamento remoto no QGIS

Este tutorial apresenta um roteiro passo a passo para se fazer o georreferenciamento de uma imagem de sensoriamento remoto no Quantum GIS. Uma imagem de alta resolução espacial que abrange a área da sede do Campus Tapajós da Universidade Federal do Pará, no formato TIFF, é utilizada como dado de entrada para o georreferenciamento. Embora esta imagem em particular seja utilizada, os procedimentos explicitados neste documento podem ser aplicados para realizar o georreferenciamento de qualquer imagem no Quantum GIS.
Este tutorial é dividido nas seguintes etapas:

 

  1. Primeiros passos
  2. Preparação da imagem para registro
  3. Edição dos pontos de controle
  4. Configurações da transformação e execução do georreferenciamento
  5. Geração de uma carta imagem
A seguir, cada etapa será delineada.
Primeiros passos
  • Escolher um diretório para armazenar os arquivos digitais utilizados no projeto.
  • Realizar o download da imagem de alta resolução espacial utilizado neste tutorial. Para realizar o download, clique aqui.
  • Criar um Projeto no QGIS e salvá-lo neste diretório, acessando inicialmente o menu Projeto -> Novo, e em seguida, o menu Projeto -> Salvar.
  • Definir as propriedades do projeto, acessando o Menu Projeto -> Propriedades do Projeto. Devemos definir o nosso projeto para utilizar o sistema de coordenadas planas, projeção UTM (Zona 21) e Datum WGS84. Na Aba SRC marque a opção Habilitar transformação SRC “on the fly”. Em seguida, em Sistema de Referência de Coordenadas do ‘world’, escolha Sistema Projetado de Coordenadas -> Universal Transverse Mercator (UTM) -> WGS84 / UTM zone 21S.
Figura 1: Escolha do sistema de coordenadas do projeto.

Preparação da imagem para registro
  • Acessar o menu Raster > Georeferenciador > Georeferenciador.
  • Observação: habilitar nos complementos, caso não esteja visível.
  • Acesse o menu Arquivo -> Abrir raster, para abrir a imagem a ser georreferenciada.
  • Em seguida, é necessário fornecer o sistema de coordenadas de referência para o registro da imagem. Aqui, adotaremos o mesmo sistema de coordenadas do projeto, que é WGS84 / UTM zone 21S. (ver Figura 1).
  • A barra de ferramentas de navegação do raster, exibida na Figura 4, possui, na sequência, as ferramentas movimentar sobre o raster, aproximar, afastar, ver camada, ver última visualização, e ver próxima visualização. A roda do mouse também pode ser utilizada para navegar sobre a imagem.
Figura 2: Escolha do sistema de coordenadas de referência para o registro da imagem.
Figura 3: Imagem a ser registrada visualizada pela ferramenta Georreferenciador.
Figura 4: Barra de navegação do raster.
Edição dos pontos de controle
  • Primeiramente, vamos criar os pontos de controle e posicioná-los, um a um, sobre a imagem. A ferramenta de edição de pontos de controle, exibida na Figura 5, possui, na sequência, os botões adicionar ponto, remover ponto e movimentar ponto. Os botões desta ferramenta serão úteis para esta etapa de edição dos pontos de controle. Uma outra forma de acessar estas operações é pelo menu Editar.
  • A Figura 6 exibe todos os pontos de controle da imagem utilizados neste tutorial. A Tabela 1 exibe-os em detalhe e informa as suas localizações no sistemas de coordenadas de referência (WGS84 / UTM zone 21S).
  • O próximo passo é adicionar, um a um, os pontos de controle da imagem, posicionando-os sobre a imagem e, em seguida, informando a localização dos mesmos no sistema de coordenadas de referência. Para criar um ponto de controle, basta ir ao menu Editar -> Adicionar ponto, ou pelo menu Adicionar da barra de ferramentas de edição de pontos de controle. Ao clicar em Adicionar ponto, o cursor sobre a imagem se transforma em uma cruz, navegue sobre a imagem até a localização do ponto de controle (ver Figura 7). Clique na posição do ponto de controle sobre a imagem e, em seguida, informe a localização no sistema de coordenadas de referência (ver Figura 8). Este procedimento é realizado para todos os 12 pontos de controle utilizados neste tutorial. A Figura 10 mostra os pontos de controle adicionados e posicionados sobre a imagem. Após estes procedimentos, recomenda-se salvar os pontos de controle adicionados, para que não haja uma eventual perda de informação, ou se deseje continuar a edição de pontos de controle posteriormente. Para isto, clique em Arquivo > Salvar pontos GCP como…”.
  • Os pontos de controle adicionados são exibidos em uma tabela na janela da ferramenta Georreferenciador. A Figura 11 mostra esta tabela, exibindo todos os 12 pontos de controle adicionados. Esta tabela possui um total de 9 colunas. A primeira coluna (on/off), é apenas a opção de utilizar (marcado) ou não utilizar (desmarcado) o ponto de controle. A segunda coluna (id) é um identificador, que enumera automaticamente os pontos de controle adicionados. A terceira coluna (srcX) e a quarta coluna (srcY) são, respectivamente, as posições x (coluna) e y (linha) do ponto no sistema de coordenadas da imagem. A quinta coluna (dstX) e a sexta coluna (dstY) são, respectivamente, a posição dos pontos de controle no sistema de coordenadas de referência (WGS84 / UTM zone 21S). A sétima coluna (dX[pixels]), oitava coluna (dY[pixels]) e a nona coluna (residual[pixels]) armazenam os valores do ajuste da função de transformação. Os valores destas três colunas só aparecem depois de definidas as configurações da transformação.
Figura 5: Ferramenta de edição dos pontos de controle.
Figura 6: Localização dos pontos de controle na imagem.
 Tabela 1: Coordenadas dos pontos de controle no sistema de coordenadas de referência.
PC1: (X: 751426 Y: 9731991)
PC2: (X: 751299 Y: 9732171)
PC3: (X: 751450 Y: 9732177)
PC4: (X: 751605 Y: 9732766)
PC5: (X: 751679 Y: 9732402)
PC6: (X: 751129 Y: 9732365)
PC7: (X: 751125 Y: 9732533)
PC8: (X: 751715 Y: 9732227)
PC9: (X: 751349 Y: 9732657)
PC10: (X: 751419 Y: 9732313)
PC11: (X: 750938 Y: 9731879)
PC12: (X: 751816 Y: 9731793)
Figura 7: Posicionamento do ponto de controle sobre a imagem.
Figura 8: Localização do ponto de controle no sistema de coordenadas de referência.
Figura 9: Ponto de controle adicionado e posicionado sobre a imagem.

Figura 10: Pontos de controle adicionados e posicionados sobre a imagem.
Figura 11: Tabela de pontos de controle distribuídos sobre a imagem.
Configurações da transformação e execução do georreferenciamento
  • O registro de uma imagem é um processo de transformação matemática que relaciona o sistema de coordenadas da imagem (linha, coluna) com o sistema de coordenadas planas da projeção cartográfica escolhida para o projeto ativo. Como qualquer projeção cartográfica guarda um vínculo bem definido com um sistema de coordenadas geográficas, pode-se dizer então que o registro estabelece uma relação entre coordenadas de imagem e coordenadas geográficas.
  • O registro é uma operação necessária para fazermos a integração de uma imagem a um ambiente de um sistema de informações geográficas. Além disto, o registro também é importante quando desejamos combinar, em um mesmo banco de dados geográficos, várias imagens de uma mesma área obtidas por diferentes sensores, ou obtidas por diferentes épocas. Ou seja, o registro torna possível o casamento ou perfeita sobreposição de diferentes imagens.
  • As transformações polinomiais são bastante utilizadas no registro de imagens. Neste procedimento, um polinômio é utilizado para fazer a transformação ou mapeamento das coordenadas da imagem (x,y) nas coordenadas do sistema de referência (xr,yr). Exemplos de polinômios utilizados são:
Polinômio de primeiro grau
Polinômio de segundo grau
  • A Figura 12 ilustra este processo de transformação. O problema de registro consiste em encontrar os coeficientes que definem as equações do mapeamento. Para isto, necessitamos definir vínculos entre coordenadas de imagem e as coordenadas no sistema de referência através dos chamados pontos de controle. Pontos de controle são feições identificáveis na imagem cujas coordenadas no sistema de referência são conhecidas. Cruzamentos de estradas, pistas de aeroportos e confluência de rios são candidatos naturais a pontos de controle.
Figura 12: Transformação geométrica no registro de imagem.
  • O número de pontos de controle depende do polinômio escolhido na transformação. Cada equação que define o mapeamento de um polinômio de primeiro grau apresenta três coeficientes. Neste caso, um número mínimo de três pontos de controle é necessário para encontrar o mapeamento, e o sistema linear a ser resolvido será de 3 equações e 3 incógnitas. Já para o polinômio de segundo grau, um mínimo de seis pontos de controle são necessários. Uma formula geral para o numero mínimo de ponto de controle é dado pela fórmula abaixo, onde é n o grau do polinômio:
  •  Quando n=1 temos um número mínimo de 3 pontos de controle, e quando n=2, temos um número mínimo de 6 pontos de controle. No geral devemos utilizar um número de pontos de controle maior que o mínimo, pois as coordenadas adquiridas para os pontos de controle, no geral, podem conter erros. Uma estratégia para um bom registro de imagem é a escolha dos pontos de controle bem distribuídos ao longo de toda a imagem.
  • Para definirmos a transformação utilizada no registro deve-se seguir os seguintes passos:
    1. Acessar o menu Opções -> Configurações de Transformação.
    2. Em tipo de transformação, escolher a função que define a transformação entre os sistemas de coordenadas. Dentre as opções, escolha Polinomial 1, que corresponde ao uso de um polinômio de primeiro grau como função de transformação.
    3. Em método de reamostragem, escolha a opção vizinho mais próximo. A reamostragem se faz necessária pois, ao aplicar a função de transformação, podem surgir pixels vazios. Desta forma, a reamostragem permite preencher estes pixels com valores relacionados aos pixels vizinhos. O método do vizinho mais próximo preenche o pixel com o valor do pixel mais próximo.
    4. Em raster de saída, escolha o local onde se deseja armazenar a imagem georreferenciada.
    5. Outras informações opcionais incluem, a escolha do sistema de coordenadas de destino em SRC, e salvar um mapa e um relatório do processamento em arquivos no formato PDF.
    6. Após fechar a janela de configurações da transformação, as colunas dX[pixels], dY[pixels] e residual[pixels] da tabela de pontos de controle passam a ter valores. Elas armazenam os valores dos erros de ajuste dos pontos de controle, em pixels, na direção X (dX[pixels]), na direção Y (dY[pixels]), e o resíduo de ajuste do ponto (residual[pixels]). O resíduo de ajuste é o critério para utilização ponto na transformação. Desta forma, deve-se observar este valor e marcar ou desmarcar o ponto na coluna (on/off). Caso o resíduo seja elevado, o ponto não deve ser utilizado. Ao clicar sobre a coluna residual[pixels] os pontos são ordenados em ordem crescente de resíduo. O Erro médio total de ajuste da função transformação, em pixels, é exibido na barra de status da janela do Georreferenciador. A Figura 13 mostra os pontos de controle selecionados para um erro médio de 0,313625 pixels.
    7. Por fim, acesse o menu Arquivo -> Iniciar o georreferenciamento para salvar a imagem georreferenciada no diretório escolhido.
Figura 13: Pontos de controle escolhidos para o erro médio de 0,313625 pixels.

Figura 14: Erro médio de 0,313625 pixels obtido no ajuste da função transformação.
Geração de uma carta imagem
  • Uma vez que temos uma imagem georreferenciada, podemos adicioná-la ao QGIS e gerar qualquer produto cartográfico utilizando a imagem ou informações extraídas dela. A Figura 15 mostra uma carta imagem da região do entorno da UFOPA – Campus Tapajós obtida a partir da imagem georreferenciada, gerada pelo compositor de impressão do QGIS. Para começar a criar a carta-imagem vá em Arquivo > Novo compositor de impressão.
Figura 15: Carta imagem da região do entorno da UFOPA – Campus Tapajós.

3 comentários

  1. Gostaria de saber como o programa calcula o Erro médio de 0,313625 pixels. Qual a formula adotada.

  2. Olá amigos,

    Consegui fazer o georreferenciamento de uma ortofoto, porém quando abro a imagem georreferenciada no qgis, a mesma aparece com bordas pretas.

    Gostaria de saber como faço para suprimir essas bordas.

    Agradeço desde já!

    Thiago.

    1. Author

      Olá, neste caso, você pode ir nas propriedades do raster, clique na aba transparencia, na opção no data coloque o valor 0.

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