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Tipo: Tese
Título: Modelo de classificação do coeficiente de atrito em pistas de pouso e decolagem com imagens aéreas e aprendizado profundo
Autor(es): Aquino, Tiago Silveira de Andrade
Orientador: Oliveira, Francisco Heber Lacerda de
Palavras-chave em português: Aeroportos - Pavimentos;Processamento de imagens - Técnicas digitais;Redes neurais convolucionais;Atrito;Aprendizado de máquina
Palavras-chave em inglês: Aeroportos pistas;Image processing - Digital techniques;Convolutional neural networks;Friction;Machine Learning
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE TRANSPORTES
Data do documento: 2025
Citação: AQUINO, Tiago Silveira de Andrade. Modelo de classificação do coeficiente de atrito em pistas de pouso e decolagem com imagens aéreas e aprendizado profundo. 2025. 193 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Transportes) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A segurança nas operações de pouso e decolagem depende diretamente da resistência à derrapagem, garantida principalmente pelo controle do coeficiente de atrito disponível na pista, fatores que podem ser comprometidos pelo acúmulo de borracha decorrente da frenagem das aeronaves. As metodologias tradicionais para medição do coeficiente de atrito requerem equipamentos e equipes treinadas, podendo acarretar a interrupção parcial ou total das operações aeroportuárias. Considerando a ampla disponibilidade, o baixo custo e a crescente resolução das imagens de satélite do Google Earth, esta pesquisa propõe o desenvolvimento de um modelo de classificação do coeficiente de atrito com base nesse tipo de imagem, utilizando Redes Neurais Convolucionais (CNN). Foi construída uma base com aproximadamente 7.000 imagens de pistas de aeródromos brasileiros, associadas a medições reais do coeficiente de atrito. Avaliaram-se três diferentes técnicas de pré-processamento digital de imagens (CLAHE, filtro Gaussiano e Wavelet) e cinco arquiteturas de redes neurais (CNN simples, ResNet50, DenseNet121, InceptionV3 e VGG16). A combinação de CLAHE com filtro Gaussiano e a arquitetura DenseNet121 apresentou o melhor desempenho, com acurácia superior a 74% na validação cruzada. Esse resultado foi obtido a partir de um modelo binário baseado no limiar 0,71, referência técnica adotada para a separação entre níveis adequados e críticos de atrito. A etapa de validação externa, realizada com imagens inéditas de três campanhas distintas, permitiu observar a variação espacial da acurácia ao longo dos terços e faixas transversais da pista, identificando maior ocorrência de erros nas regiões próximas às cabeceiras, associadas ao acúmulo de borracha. Também foi realizada uma aplicação com imagens obtidas por Aeronave Remotamente Pilotada (RPA), a qual apresentou limitações na generalização do modelo para domínios visuais diferentes dos utilizados no treinamento. Assim, a tese defendida neste trabalho é que é possível estimar o coeficiente de atrito de pistas de pouso e decolagem a partir de imagens aéreas, utilizando técnicas de processamento digital de imagens e aprendizado profundo, alcançando níveis de acurácia que permitem seu uso como ferramenta de apoio ao monitoramento e à gestão da segurança operacional.
Abstract: The reliability of landing and takeoff operations depends directly on runway skid resistance, which is primarily ensured by maintaining adequate friction levels on the pavement surface —a condition that can be compromised by rubber buildup resulting from aircraft braking. Traditional methods for measuring runway friction require specialized equipment and trained personnel, potentially causing partial or total disruption of airport operations. Considering the wide availability, low cost, and increasing resolution of satellite imagery provided by Google Earth, this study proposes the development of a classification model for runway friction coefficients using such imagery, supported by Convolutional Neural Networks (CNNs). A dataset of approximately 7,000 satellite images of Brazilian aerodrome runways was assembled and linked to actual friction coefficient measurements. Three image preprocessing techniques (CLAHE, Gaussian filter, and Wavelet) and five neural network architectures (simple CNN, ResNet50, DenseNet121, InceptionV3, and VGG16) were evaluated. The combination of CLAHE and Gaussian filtering with the DenseNet121 architecture yielded the best performance, achieving over 74% accuracy in cross-validation. This result was obtained using a binary classification model based on a 0.71 threshold – a technical reference commonly adopted to distinguish between adequate and critical friction levels. External validation with unseen images from three separate field campaigns revealed spatial variations in accuracy across runway thirds and lateral zones, with increased errors near the thresholds, where rubber accumulation is more prevalent. An additional test using images captured by an Remotely Piloted Aircraft (RPA) demonstrated limitations in the model's generalization to visual domains different from those used during training. The proposed approach shows potential as a complementary tool for direct friction assessment, enabling proactive identification of runway segments at risk of reduced skid resistance and compromised pavement performance.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84650
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/3772399509531377
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-4638-7621
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/6651174048561578
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DET - Teses defendidas na UFC

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