Estratégias para concepção e digitalização de Usinas e Subestações de energia elétrica por Captura da realidade: Fotogrametria associada ao escaneamento a laser versus Modelagem paramétrica manual

Abstract

Abstract: The present study conducts a comprehensive analysis of two predominant techniques in the field of Reality Capture: photogrammetry associated with laser scanning (LIDAR) and manual parametric modeling. Criteria for this analysis include aspects such as precision, resolution, and level of detail. The aim of the study is to provide useful insights for professionals and researchers, contributing to the understanding of the applicability and effectiveness of each technique in the conception and digitization of power plants and electrical substations. Keywords: Reality Capture, Photogrammetry and LIDAR, Manual Parametric Modeling, Power Plants and Electrical Substations, Analysis of Advantages and Disadvantages. 1.

Headnote

Resumo: O presente estudo realiza uma análise abrangente de duas técnicas predominantes no campo da Captura da Realidade: fotogrametria associada ao escaneamento a laser (LIDAR) e modelagem paramétrica manual. Ambas as técnicas têm facilitado avanços significativos em campos como engenharia, arquitetura e design, permitindo a criação de modelos tridimensionais detalhados e realistas. Utilizando uma metodologia sistemática, este trabalho explora as características distintas, bem como as vantagens e desvantagens de cada técnica. Os criterios para essa análise incluem aspectos como precisão, resolução e nível de detalhamento. O objetivo do estudo é fornecer insights úteis para profissionais e pesquisadores, contribuindo para a compreensão da aplicabilidade e eficácia de cada técnica na concepção e digitalização de usinas e subestações elétricas.

Palavras-chave: Captura da Realidade, Fotogrametria e LIDAR, Modelagem Paramétrica Manual, Usinas e Subestações Elétricas, Análise de Vantagens e Desvantagens.

Abstract: The present study conducts a comprehensive analysis of two predominant techniques in the field of Reality Capture: photogrammetry associated with laser scanning (LIDAR) and manual parametric modeling. Both techniques have facilitated significant advancements in fields such as engineering, architecture, and design, allowing for the creation of detailed and realistic three-dimensional models. Employing a systematic methodology, this work explores the distinct characteristics, as well as the advantages and disadvantages of each technique. Criteria for this analysis include aspects such as precision, resolution, and level of detail. The aim of the study is to provide useful insights for professionals and researchers, contributing to the understanding of the applicability and effectiveness of each technique in the conception and digitization of power plants and electrical substations.

Keywords: Reality Capture, Photogrammetry and LIDAR, Manual Parametric Modeling, Power Plants and Electrical Substations, Analysis of Advantages and Disadvantages.

1. Introdução

A era digital trouxe consigo uma série de avanços tecnológicos que têm transformado diversas áreas, incluindo engenharia, arquitetura e design. Esses avanços têm possibilitado a criação de modelos tridimensionais altamente detalhados e precisos, que podem ser diretamente integrados em ambientes como o Building Information Modeling (BIM) (Chaves et al., 2022). Neste cenário, técnicas de captura da realidade têm ganhado destaque, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens.

Dentre as técnicas disponíveis, a fotogrametria associada ao escaneamento a laser (LIDAR) e a modelagem parametrica manual têm se destacado, cada uma apresentando suas próprias vantagens e desvantagens. No entanto, há uma lacuna na literatura em relação a um levantamento detalhado que explore as nuances de cada técnica, fornecendo insights práticos e aplicáveis para profissionais e pesquisadores (Alves et al., 2022).

Este estudo tem como objetivo preencher essa lacuna, oferecendo uma análise das vantagens e desvantagens de cada técnica. Utilizando uma metodologia sistemática, este trabalho busca explorar as características distintas de cada técnica, com foco em criterios como precisão, resolução e nível de detalhamento.

Ao realizar esta análise, este estudo visa contribuir com a compreensão da aplicabilidade e eficacia de cada técnica em diferentes contextos, auxiliando na tomada de decisoes informadas em projetos de grande escala.

2. Metodología

A evolução da modelagem 3D tem sido um pilar fundamental no avanço de diversas áreas, incluindo a engenharia, a arquitetura e o design, proporcionando avanços significativos na forma como concebemos e interagimos com ambientes virtuais, especialmente no que diz respeito à criação de modelos tridimensionais detalhados e realísticos (Jin et al., 2020). Neste contexto, duas técnicas têm se destacado: de um lado temos a captura da realidade através da fotogrametria combinada com o escaneamento a laser (LIDAR), que permite uma representação tridimensional precisa de ambientes reais, facilitando a análise e a interpretação de dados complexos em um contexto tridimensional (Wang et al., 2020), e do outro lado da comparação proposta neste trabalho temos a modelagem parametrica manual, uma técnica que, através do uso de softwares especializados, permite a criação detalhada de ambientes virtuais, sendo uma ferramenta valiosa na simulação virtual (Badwi, Ellaithy & Youssef, 2022).

Para analisar estas duas técnicas consolidadas no mercado, será empregada uma metodologia sistemática, que permite a análise detalhada e estruturada de cada técnica, explorando suas características distintivas, vantagens e desvantagens (Barker et al., 2021). Esta metodologia é fundamentada na análise profunda de estudos de caso, onde serão delineadas as lógicas metodológicas específicas para a formulação dessa análise. Através desta abordagem, busca-se nao apenas identificar as particularidades de cada técnica, mas também compreender como elas podem complementar uma à outra na criação de ambientes virtuais para gestão e treinamento de pessoal em usinas e subestações de energia elétrica.

Para o objeto de estudo, será utilizado um trabalho realizado em 2023 pelo Grupo de Realidade Virtual e Aumentada (GRVA) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) para a concepção e digitalização da barragem da usina e da subestação de Mascarenhas de Moraes pertencente a Fumas, onde a nuvem de pontos foi criada através de fotogrametria associada ao escaneamento a laser. Os equipamentos e edificaçoes da subestação também foram modelados utilizando as técnicas de modelagem paramétrica, assim temos insumos suficientes para efetuar as análises propostas.

2.1. Conceitos básicos das técnicas de captura da realidade

A captura da realidade refere-se ao conjunto de técnicas e processos utilizados para digitalizar e representar objetos ou ambientes do mundo real em um formato digital tridimensional. Este processo permite a criação de modelos digitais altamente detalhados e precisos, que podem ser utilizados em uma variedade de aplicaçoes, desde a preservação do patrimonio cultural até a industria da geração, transmissão e distribuição de energia, facilitando a visualização, a análise e a interação com espaços e objetos de uma maneira mais imersiva e detalhada (Remondino et al., 2014; Kersten et al., 2017; Chiabrando et al., 2017; Ebrahim et al., 2020). A modelagem espacial se apresenta como uma ferramenta vital para a compreensão e aplicação prática dos conceitos teóricos, facilitando a visualização e interpretação de objetos reais e suas projeçoes (Jin et al., 2020).

2.1.1. Fotogrametria

A fotogrametria é uma técnica que permite criar modelos tridimensionais detalhados a partir de fotografías. Este processo envolve a captura de uma série de imagens de um objeto ou ambiente de diferentes ángulos, que são posteriormente processadas através de softwares especializados para gerar um modelo 3D (Cardoso et al., 2023).

Específicamente no contexto de subestações de energia, a fotogrametria tem se tornado uma ferramenta indispensável, sendo frequentemente realizada com o auxilio de drones. A utilização de drones facilita a inspeção de áreas de difícil acesso, promovendo uma inspeção mais segura e eficiente, e reduzindo significativamente o tempo necessario para a atividade (Langåker et al., 2021; Jalil et al., 2019). Além disso, a combinação de drones com tecnologías de sensores multimodais pode formar um sistema de inspeção tridimensional, otimizando ainda mais o processo de inspeção e permitindo a detecção de falhas e componentes danificados através da análise de imagens no dominio visível e infravermelho (Jalil et al., 2019).

No entanto, a técnica requer um cuidado especial na hora da captura das imagens, necessitando de uma iluminação adequada e evitando reflexos e sombras que possam interferir no resultado do trabalho. Além disso, é fundamental garantir distancias de segurança adequadas entre os drones e a infraestrutura de alta tensão para evitar acidentes (Langåker et al., 2021). A figura 1 abaixo mostra um exemplo da primeira etapa da captura da realidade da barragem da usina Mascarenhas de Moraes, nesta etapa a nüvem de pontos foi criada somente com as técnicas de fotogrametria cujas imagens foram obtidas por drone.

Na fotogrametria, a resolução é frequentemente referida em termos de resolução espacial, que indica a menor distancia entre dois pontos no objeto que pode ser registrada na imagem. Por exemplo, a resolução de 0.5 mm indica que o sistema é capaz de distinguir detalhes separados por uma distancia mínima de 0.5 mm no objeto físico (Kalinowski et al., 2022).

2.1.2. Escaneamento a laser

Esta técnica é conhecida por sua extrema precisäo, sendo capaz de capturar detalhes minuciosos e oferecer uma representação tridimensional muito próxima da realidade. Além disso, o LIDAR permite a captura de grandes áreas em um tempo relativamente curto, sendo uma ferramenta valiosa para projetos de grande escala, incluindo usinas e subestações de energia elétrica. Um exemplo prático da aplicação dēsta técnica é o projeto de captura de realidade da barragem da usina de Mascarenhas de Moraes. Neste projeto, foi criado um modelo digital inteligente da estrutura, utilizando tanto a fotogrametria aérea quanto o escaneamento a laser, resultando em uma descrição detalhada da complexidade e irregularidade geométrica da construção, servindo como base para um modelo paramétrico preciso criado com ferramentas BIM (Modelagem da Informação da Construção) (Cardoso et al., 2023).

No entanto, o processo de transformar a nüvem de pontos em um modelo 3D utilizável pode ser complexo e requer softwares e conhecimentos especializados, além de equipamentos mais caros quando comparado à fotogrametria. O manuseio adequado dos dados gerados e a manipulação eficiente da nüvem de pontos são etapas cruciais para otimizar a modelagem de formas complexas, necessitando da utilização de programas específicos de processamento de dados (Oliveira, Zanoni & Fonseca, 2022).

No escaneamento a laser, a precisão refere-se à menor variação que pode ser detectada pelo scanner, enquanto a resolução se refere à menor distancia entre dois pontos que podem ser distintamente identificados no modelo 3D. A precisão de 0.05 mm e a resolução da malha de até 0.2 mm indicam a alta fidelidade do sistema em capturar detalhes finos do objeto físico (Kersten et al., 2017).

A figura 2 apresenta a nüvem de pontos da barragem da usina hidrelétrica Mascarenhas de Moraes capturada por escaneamento a laser.

2.1.3. Captura Híbrida da Realidade

A evolução tecnológica tem permitido avanços significativos ñas técnicas de captura da realidade, onde a precisão e a riqueza de detalhes tem sido cada vez mais aprimoradas.

Neste contexto, surge a necessidade de criar um termo para esse conceito onde a fotogrametria e o escaneamento a laser (LIDAR) são combinados para criar representaçoes tridimensionais altamente detalhadas e precisas de ambientes e estruturas complexas (Wei et al., 2019)., assim, para este trabalho será empregado o termo "PhotoLIDAR" para se referir à captura híbrida da realidade utilizando a fotogrametria associada ao escaneamento a laser. A figura 3 ilustra a proposta do fluxo do processo de captura de realidade através da fotogrametria associada ao escaneamento a laser.

Esta fusão, frequentemente realizada através do uso de Veículos Aéreos Nao Tripulados (UAVs), geralmente drones, é referida na literatura como uma técnica de "fusão de sensores" ou "integração de técnicas", onde as forças complementares de ambas as técnicas são harmonizadas para superar suas limitações individuáis (Błaszczyk et al., 2022; Le et al., 2022).

Esta abordagem tem se mostrado especialmente eficaz em ambientes complexos, onde a combinação de escaneamento a laser terrestre e fotogrametria UAV tem sido uma solução eficaz para gerar modelos 3D de alta precisão (Cardoso et al., 2023). Além disso, para sua aplicação em subestaçoes de energia elétrica que é composta por uma centena de equipamentos de tamanhos, formas e texturas diferentes, bem como quando aplicada à preservação de patrimonios históricos, a integração de técnicas de levantamento digital pode fornecer uma representação detalhada e precisa, essencial para representação realística do ambiente capturado (Valente et al., 2019). As figuras 4 e 5 mostram exemplos do uso do PhotoLIDAR.

2.1.4. Conceitos básicos das técnicas de modelagem Paramétrica Manual

As técnicas de modelagem 3D, cada vez mais aprimoradas com o auxilio de softwares avançados, permitem a criação de modelos detalhados e realísticos, fundamentais para a concepção e interação com ambientes virtuais (Kaplan, 2022). A modelagem parametrica se destaca nesse cenário, apresentando características distintas quando comparada a outras técnicas de modelagem. Uma de suas principais vantagens é a dependencia significativa da expertise dos profissionais envolvidos no processo de concepção, о que pode garantir uma alta fidelidade ao produto final, atendendo específicamente às demandas de sua aplicação (Wang et al., 2021).

No entanto, essa técnica também traz consigo desafios consideráveis. A necessidade de validações constantes ao longo do processo de criação é imperativa, visto que o modelo está mais suscetível a erros humanos. Além disso, é preciso contar com uma variedade de documentos e insumos para assegurar que tanto as dimensoes quanto a aparencia do objeto estejam alinhadas com o esperado. Nesse contexto, a elaboração de um documento de convençoes torna-se essencial para garantir uma padronização nos modelos criados, independente do executor (Tong et al., 2023). A figura 6 mostra о fluxo mais comum do processo de modelagem parametrica manual.

A figura 7 mostra um exemplo de modelo concebido por modelagem parametrica manual.

2.2. Criterios utilizados para o Levantamento das Vantagens e Desvantagens

Para realizar um estudo abrangente das vantagens e desvantagens das técnicas de fotogrametria associada ao escaneamento a laser (LIDAR) e modelagem parametrica manual, foram estabelecidos criterios específicos que servem como base para a avaliação. Essas características foram selecionadas com base em revisão da literatura, como por exemplo estudos que abordam a precisão e o detalhamento como aspectos críticos na modelagem 3D (Tang et al., 2021), da mesma forma, Abdel-Fattah e Tawfik (2015) exploram o impacto do tempo de modelagem na modelagem geométrica 3D. Também foram realizadas consultas com especialistas na área para ampliar esses criterios para mercado e nao ficar somente no campo académico, como os especialistas em modelagem da empresa CGW (computergraphicsworks.com.br). Os criterios escolhidos foram:

1. Precisão e detalhamento (Tang et al., 2021).

2. Tempo de produção (Lee et al., 2021) e (Abdel-Fattah e Tawfik., 2015)

3. Facilidade de atualização do modelo

4. Integração com Outras Tecnologías

5. Gusto

6. Formação e Expertise

Ao considerar esses criterios, podemos apontar as forças e fraquezas de cada técnica, proporcionando uma visäo clara de suas aplicaçöes práticas e limitaçöes.

3. Captura da realidade: PhotoLIDAR x Modelagem Parametrica

A seguir, será apresentado um levantamento das vantagens e desvantagens do PhotoLIDAR e da modelagem parametrica manual, com base nos criterios estabelecidos anteriormente. Este levantamento tem como objetivo explorar as potencialidades e limitaçöes de cada técnica.

3.1. Precisão e detalhamento

A precisão e o nivel de detalhamento (LOD - Level of Detail) na modelagem tridimensional são aspectos cruciais que podem variar significativamente dependendo de uma série de fatores a depender da técnica empregada (Zia et al., 2013).

A tabela 1 a seguir mostra os resultados da concepção de modelos obtidos pela nüvem de pontos da subestação de Mascarenhas de Moraes utilizando o PhotoLIDAR comparados com a modelagem parametrica tradicional dos mesmos equipamentos pelo grupo de modeladores do GRVA da UFU, os valores expressos na tabela foram obtidos pela média dos objetos comparados e os seus tamanhos reais variaram entre 0.1 e 4 metros. Atualmente a biblioteca de equipamentos de energia elétrica do GRVA conta com mais de 1800 modelos.

É importante destacar que a modelagem parametrica permite um controle meticuloso sobre cada elemento do design, facilitando a incorporação de detalhes intrincados e especificidades que podem ser essenciais dependendo da finalidade do projeto (Tang et al., 2023). Além disso, essa abordagem oferece a flexibilidade de realizar ajustes precisos em qualquer estágio do desenvolvimento, sem a necessidade de processos trabalhosos de reescaneamento, ou mesmo a segmentação dos modelos individuals de uma nuvem de pontos gigantesca captura por PhotoLIDAR.

Dessa forma, é possível afirmar que a modelagem parametrica nao apenas é capaz de alcançar niveis de precisão e detalhamento comparáveis ao PhotoLIDAR, mas também oferece vantagens significativas que pođem torná-la a escolha preferencia! dependendo das especificidades e requisitos de cada projeto.

3.2.Tempo de produção

O tempo de produção de modelos utilizando PhotoLIDAR c modelagem parametrica pode variar significativamente dependendo de uma série de fatores, incluindo a complexidade do objeto a ser modelado, a experiencia do operador ou designer, e o nivel de detalhe necessario. Na tabela 2 abaixo, delineamos um paralelo gerai das vantagens e desvantagens entre as duas técnicas:

Em gerai, o escaneamento a laser pode ser mais rápido para capturar a geometria complexa de objetos reais, especialmente se o nivel de detalhe necessario é muito alto. No entanto, o tempo necessario para o pós-processamento pode ser significativo.

Por outro lado, a modelagem manual pode ser mais controlada e, em maos experientes, pode ser uma maneira eficiente de criar modelos 3D, especialmente para objetos menos complexos ou quando se tem uma clara compreensão dos detalhes que precisam ser incorporados no modelo.

É importante notar que essas são generalizaçoes e que o tempo real de produção pode variar dependendo das circunstancias específicas de cada projeto.

3.3. Facilidade de atualização do modelo

Ao considerar a facilidade de atualização dos modelos gerados através de escaneamento a laser e modelagem parametrica, é essencial ponderar sobre diversos aspectos que influencian! diretamente na flexibilidade e adaptabilidade de cada técnica. A tabela 3 abaixo, apresenta uma análise comparativa destacando as vantagens e desvantagens de cada uma:

Ambas as técnicas apresentam suas proprias vantagens e desvantagens quando se trata de atualizar modelos 3D. Enquanto o PhotoLIDAR oferece uma representação fiel e detalhada da realidade, pode apresentar desafios significativos para alteraçoes estruturais profundas. Por outro lado, a modelagem manual oferece uma flexibilidade incomparável, permitindo ajustes e revisőes rápidas, embora possa ser mais demorada e exigir uma mão de obra altamente qualificada. A escolha da técnica ideal dependerá das necessidades específicas e dos requisitos de cada projeto.

3.4. Integração com Outras Tecnologías

Ao analisar a integração com outras tecnologías no contexto do uso do PhotoLIDAR e da modelagem parametrica, é possível identificar pontos distintos que destacam a eficiencia e a aplicabilidade de cada técnica. A tabela 4 mostra a integração do PhotoLIDAR com outras tecnologías, já a tabela 5 mostra a mesma integração com relação à modelagem parametrica.

Ambas as técnicas, oferecem potenciáis significativos para integração com tecnologías emergentes, incluindo AR, VR, GIS e Simulaçoes. Enguanto o PhotoLIDAR destaca-se pela capacidade de integrar detalhes precisos do mundo real em ambientes virtuais, a modelagem parametrica oferece uma flexibilidade sem paralelo no design e na criação de modelos 3D a partir dessas especificaçoes precisas trazendo a possibilidade da concepção de modelos mais próximos da realidade.

3.5. Gusto

Os custos associados ao PhotoLIDAR pođem representar um investimento significativo, com valores que se estendem de dezenas a centenas de milhares de dólares, dependendo das especificaçoes e funcionalidades desejadas. A manutenção regular do equipamento também é uma necessidade para garantir sua operação eficiente, adicionando custos significativos ao longo do tempo. Temos aínda o risco de operação, uma vez que os equipamentos (o próprio drone, camera e o LIDAR) podem chegar a ter perda total em caso de quedas. O treinamento de operadores é outro fator a ser considerado, uma vez que é essencial para a utilização eficaz do equipamento, implicando em custos adicionáis de treinamento. Além disso, o processo de fotogrametria e escaneamento pode ser bastante demorado, especialmente para áreas extensas, o que pode aumentar os custos operacionāls devido ao tempo adicional necessario para completar o trabalho. O gráfico apresentado na figura 8 apresenta uma estimativa de custos para o projeto utilizado para este trabalho.

4. Conclusðes

Este estudo realizou um levantamento abrangente das vantagens e desvantagens das técnicas de fotogrametria associadas ao escaneamento a laser (LIDAR) e à modelagem parametrica manual. Os resultados indicam que não há uma técnica universalmente superior; em vez disso, a escolha da técnica deve ser bascada nas necessidades específicas e nos requisitos do projeto a ser desenvolvido.

As implicaçoes dessas contribuições são vastas, especialmente para modelagem de usinas e subestações de energia onde a modelagem 3D começou a ser frequentemente empregada. A análise fornecida neste estudo serve como um guia prático para profissionais e académicos, ajudando-os a tomar decisoes informadas sobre qual técnica empregar em diferentes cenários.

No entanto, este estudo não é isento de limitaçoes. A falta de métricas quantitativas e a concentração em criterios específicos sugerem a necessidade de pesquisas futuras que possam abordar essas lacunas. Estudos futuros poderiam também explorar o impacto de fatores, incluindo recursos humanos na eficacia de cada técnica.

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Recebido/Submission: 21/09/2023

Aceitação/Acceptance: 18/12/2023

References

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