Medições no espaço geográfico CAP 02 As Técnicas de

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA – UFBA
ESCOLA POLITÉCNICA – DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES
NOTAS DE AULAS – EDIÇÃO EXPERIMENTAL
PROF. LUIZ CARLOS A. DE A. FONTES
VERSÃO 2005.1
ENGENHARIA DE GEOMENSURA
MEDIÇÕES NO ESPAÇO GEOGRÁFICO
CAPÍTULO 01
Conceitua-se de superfície topográfica à superfície terrestre
propriamente dita que acompanha as elevações nas regiões continentais e as depressões
nas regiões submersas pelos rios, lagos, mares e oceanos. Variadas são as expressões
geomorfológicas da superfície topográfica, objeto de estudo segundo diversos
interesses, quer científicos, quer econômicos e outros. Para investigar a forma, as
dimensões, os potenciais gravimétricos e magnéticos, bem como a configuração e a
representação da sua superfície e dos elementos que compõe a paisagem continental ou
submarina do orbe planetário terrestre ou de uma parcela do seu território, várias são as
ciências, as teorias, as técnicas e os recursos tecnológicos utilizados. A definição dos
recursos a serem empregados na investigação pretendida dependerá das finalidades e
dos interesses envolvidos.
Na elaboração de plantas, cartas e mapas temáticos, que são produtos
cartográficos, exigem-se a utilização de técnicas de medição no espaço geográfico, bem
como a execução de cálculos a partir das observações realizadas e a sua representação
gráfica com determinado nível de detalhamento.
Atribui-se a origem das medições no espaço geográfico, para
atendimento às finalidades úteis ao sistema econômico produtivo na agricultura, como
tendo início no antigo Egito. Às margens do rio Nilo desenvolvia-se intensa atividade
agrícola que requeria, em função do seu potencial de valor econômico, a definição de
limites das terras, parcelamento das mesmas, levantamentos cadastrais e avaliações de
áreas rurais, além da necessidade periódica de novas demarcações de limites fronteiriços
das propriedades em função das enchentes deste famoso rio após as ocorrências de
chuvas intensas. Assim nasceu uma atividade de medição denominada de
Agrimensura, realizada pelos sacerdotes dos templos egípcios, segmento social melhor
dotado de conhecimentos e técnicas nesta etapa histórica da humanidade. A partir de
então, foram desenvolvidos teorias, métodos de medição, equipamentos e
procedimentos técnicos de cálculos e desenho, que possibilitaram o surgimento da
atividade de Geomensura, atingindo contemporaneamente um estágio extraordinário de
recursos tecnológicos, em termos de instrumental e de outros recursos eletrônicos para
medições no espaço geográfico e de sua representação. Além dos procedimentos
convencionais de mensuração, historicamente bem estabelecidos e utilizados
cotidianamente, dispõem-se de outros recursos complementares, tais como o registro
por imagens digitais da superfície terrestre com o emprego de sensores orbitais,
computadores para processamento de grande volume de dados e informações espaciais,
apoiando-se na automação de todas as etapas do processo de produção cartográfica, com
elevado grau de segurança e rapidez, a partir dos levantamentos de campo até o produto
final., alcançando a atividade de Geomensura a estatura de uma área específica do
conhecimento humano que se pode designar por Engenharia de Geomensura. Portanto,
a área de conhecimento que agrupa as ciências e as técnicas de medição, de tratamento e
de representação dos valores observados no espaço geográfico pode ser
etimologicamente caracterizada pelo neologismo Geomensura, enquanto que a
aplicação dos seus conhecimentos científicos e de certas habilidades específicas e
restritas à Agrimensura e Cartografia, para a produção de plantas, cartas e mapas para
atendimento às inúmeras necessidades humanas mediante a engenharia, pode receber a
nomenclatura de Engenharia de Geomensura.
No sentido lato, pode-se afirmar que se trata de uma engenharia de
medições no espaço geográfico georeferenciado, que utiliza um conjunto de
formulações teóricas, métodos, técnicas e procedimentos clássicos da Geodésia, da
Topografia, da Fotogrametria da Cartografia, adicionado aos avanços tecnológicos nos
setores da eletrônica e da informática, empregando os recursos da computação para a
execução de cálculos de grande quantidade de informações obtidas pelas observações
em campo, mediante algoritmos programáveis executáveis, obtendo seu produto final,
quer em meio analógico, quer em meio digital, que são as expressões gráficas em
termos de plantas, cartas e mapas e demais formas de registro cartográfico. Atualmente,
dispõe-se de técnicas desenvolvidas mais recentemente, a partir da denominada
tecnologia informatizada, tais como a telemetria dos sistemas de posicionamento por
satélites, sensoriamento remoto, a cartografia digital dentre outras.
A Engenharia de Geomensura estrutura-se, portanto, nas ciências
fundamentais, caracterizadas pela Geodésia, Topografia e Fotogrametria, com suporte
na Teoria dos Erros, na Informática e num Sistema de Informações, sendo auxiliada
pelas ciências complementares pertinentes ao domínio cartográfico, tais como a
Astrometria, a Cartografia e a Hidrografia. A Engenharia de Geomensura recorre, para
atender aos seus objetivos primordiais de mapeamento, às denominadas Técnicas de
Geomensura, estas, por sua vez, caracterizadas pela Topometria, Sensoriamento
Remoto e Telemetria, contribuindo adicionalmente para as áreas de posionamento,
locações, controle ambiental e de deformações de grandes estruturas da lavra da
engenharia civil (barragens, pontes, edifícios e outras), controle de montagens
industriais, cadastro técnico, base cartográfica para Sistemas de Informações
Geográficas e outras aplicações.
AS TÉCNICAS DE GEOMENSURA
UMA ABORDAGEM SINÓTICA
CAPÍTULO 02
01 GENERALIDADES
A necessidade de representação de fenômenos que ocorrem no espaço
geográfico tem-se ampliado nos dias atuais, quer para analisá-los e divulgá-los, quer
para adotar decisão frente às diversas necessidades científicas, técnicas, militares,
econômicas e outras, em qualquer área do conhecimento humano.
No século XXI, a demanda por mapas temáticos – topográficos, náuticos,
aeronáuticos, geológicos, hidrográficos e outros, produtos da Cartografia, aumentou
acentuadamente com o desenvolvimento das ciências naturais, tais como a geologia, a
geomorfologia, a ciência do solo e a ecologia, bem como em função da crescente
necessidade de monitoramento do consumo de recursos naturais extinguíveis e de
aspectos ambientais modernos que degradam a sua qualidade.
Um mapa é modernamente conceituado como sendo um modelo gráfico
do mundo que possui características descritivas (atributos), de cuja análise resulta a
possibilidade de uma intervenção no mundo real. Os mapas são utilizados como meios
de exibição e gerenciamento de dados espaciais. Porém, um mapa é uma representação
estática de uma realidade dinâmica, apresentando informações relativas a um tema, de
uma área geograficamente definida, possuindo uma determinada precisão, com formas
convencionais de representação gráfica. Um mapa necessita de atualização constante
das informações nele contidas.
Expressões como Geoprocessamento e Sistema de Informações
Geográficas – SIG fazem parte do vocabulário usual nos meios técnicos da Engenharia,
conduzindo-nos, como profissionais, à busca de capacitação nestas áreas recentes de
aplicação em inúmeros projetos de obras no domínio da Engenharia Civil
Geoprocessamento, simplificadamente, refere-se ao uso automatizado
de informação que, de alguma forma, está vinculada a um determinado lugar no espaço
geográfico, seja por meio de um simples endereço ou por um sistema mais complexo de
coordenadas espaciais. Existem várias ferramentas para captura, armazenamento,
processamento e apresentação de informações espaciais georeferenciadas. As ligações
técnicas e conceituais destas ferramentas conduziram ao desenvolvimento da tecnologia
de processamento de dados geográficos, resultando no vocábulo Geoprocessamento
para sintetizá-las.
Por sua vez, o termo Sistema de Informações Geográficas,
simplificadamente SIG, refere-se a um sistema computacional que reúne maior
capacidade de processamento e análise de dados espaciais. A utilização das ferramentas
computacionais produz informações que permitem tomar decisões para colocar em
prática determinada ação, em diversas áreas de atividade profissional. Estes sistemas se
aplicam a qualquer tema que manipule dados ou informações vinculadas a um
determinado lugar no espaço geográfico e que seus elementos possam ser representados
em um mapa, como casas, escolas, hospitais, relevo topográfico, sistemas viários,
cadastros municipais, locais de ocorrências de eventos tais como acidentes de veículos,
incêndios, etc. Sinteticamente, um SIG é um conjunto poderoso de ferramentas para
coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados e informações sobre o
mundo real para atendimento a um objetivo específico. Esta definição enfatiza,
explicitamente, as ferramentas de um SIG: equipamentos (hardwares), aplicativos
computacionais (softwares), banco de dados institucionais, sistemas de gerência de
banco de dados, bem como de pessoal qualificado. Portanto, um SIG é um conjunto de
ferramentas computacionais compostas de equipamentos e de programas que, por meio
de procedimentos técnicos, integra dados, pessoas e instituições, de modo a tornar
possível a coleta, o armazenamento, o processamento, a análise e a disponibilização, a
partir de dados georeferenciados, de informações produzidas por meio das aplicações
disponíveis, visando maior facilidade, segurança e agilidade nas atividades humanas
referentes ao monitoramento, planejamento e tomada de decisões relativas aos
fenômenos de ocorrência localizada no espaço geográfico.
A montagem da base de dados, incluindo a base cartográfica, apresenta
custos de aquisição superior a 80% do valor global para a implantação deste sistema.
Para representar as informações espaciais dispõe-se dos recursos e dos
diversos modelos projetivos pertinentes à Cartografia, objeto de estudo em capítulo
posterior.
Serão descritas neste capítulo, de maneira sinótica, as principais técnicas
de geomensura de aquisição dessas informações espaciais, cujo emprego decorre em
função da densidade de informações, precisão, escala de representação e custos
operacionais.
02 AS TÉCNICAS DE GEOMENSURA
2.1 Geodésia
O levantamento de uma grande extensão da superfície terrestre deve
apoiar-se sobre um certo número de pontos, cuja posição no espaço geográfico deverá
ser determinada com uma precisão superior às inerentes das operações topográficas
ordinárias. Esta rede de pontos é necessária para evitar a acumulação dos erros
instrumentais e sistemáticos pertinentes aos levantamentos topográficos, para facilitar a
repartição ou compensação dos erros naturalmente cometidos, assim como permitir
orientar os planos cartográficos resultantes dos levantamentos parciais e uni-los.
Classicamente, a Geodésia foi definida, a partir de seus objetivos, como a
Ciência que se ocupa da determinação da forma, das dimensões e do campo
gravitacional do planeta Terra.
Figura 1: Definição de pontos de uma rede geodésica
O problema geodésico, de natureza físico-geométrica, em primeira
análise, pode ser tratado como o da definição de um sistema de coordenadas em que
fiquem caracterizados os pontos descritores da superfície física da Terra.
Denomina-se de SISTEMA GEODÉSICO ao sistema de coordenadas
espaciais associado à família de pontos descritores do espaço geográfico, sendo
necessário que o mesmo se estenda por toda a superfície terrestre para que se possam
realizar os objetivos da Geodésia.
Um Sistema de Referência Geodésico define o posicionamento
geográfico de elementos de destaque presentes na superfície terrestre, mediante a
caracterização das suas coordenadas tridimensionais: longitude, latitude e altitude. A
Figura 2 ilustra a compreensão do sistema. Isto significa a possibilidade de localização
de qualquer elemento no espaço geográfico terrestre.
Figura 2: Sistema de coordenadas geográficas
Os sistemas clássicos de referência terrestre foram adaptados a cada
continente e, até mesmo, a cada país, devido às limitações científicas, tecnológicas,
militares e metodológicas da Geodésia em cada época.
Assim, o estabelecimento de um sistema geodésico em um país
desenvolve-se tendo como objetivo contribuir para a solução do problema geodésico,
sem, contudo, se descuidar dos aspectos aplicados, em que a preocupação maior é a
referência para as atividades cartográficas. Os pontos geodésicos, subsidiariamente,
suprem a comunidade técnica nacional das informações necessárias à condução dos
assuntos públicos, principalmente as que permitem apoiar as grandes obras de
engenharia, tais como: sistemas de comunicação, transmissão de energia, barramentos
para geração de energia ou abastecimento de água, titulação de propriedades, dentre
outras não menos importantes.
Denominam-se Levantamentos Geodésicos ao conjunto de atividades
voltadas para as medições e observações de grandezas físicas e geométricas que
conduzem à obtenção dos parâmetros definidores das coordenadas dos pontos
integrantes do sistema geodésico.
A superfície de referência para a definição matemática de cada ponto de
um sistema geodésico pode ser o Esferóide (Raio terrestre médio ≅ 6.371 km) ou, com
maior rigor, o Elipsóide de Revolução. A altura dos pontos da rede geodésica é
definida em relação ao Geóide (Nível médio do mar). Por sua vez, a superfície de
projeção utilizada para a produção cartográfica será mediante uma superfície
desenvolvível no plano: cônica, cilíndrica ou um plano horizontal tangente à superfície
de referência.
2.2 Topografia
A Topografia, cuja etimologia do termo significa "descrição do lugar", é
classicamente definida como sendo a ciência que estuda uma área limitada da superfície
terrestre, com a finalidade de conhecer sua forma (quanto ao contorno e ao relevo) e a
posição que a mesma ocupa no espaço geográfico georeferenciado, sem levar em
consideração no tratamento dos dados medidos no campo a curvatura do modelo
geométrico-matemático que representa idealisticamente a Terra. Para alcançar seu
objetivo primordial, a Topografia fundamenta-se no conhecimento dos instrumentos e
dos métodos que se destinam para executar as observações de campo e a representação
do terreno sobre uma superfície plana de projeção denominada de plano topográfico.
Conceituam-se os levantamentos topográficos como sendo operações
através das quais se realizam medições no espaço geográfico com a finalidade de serem
determinadas posições relativas de pontos descritores do trecho da superfície terrestre
que está sendo objeto de estudo. Trata-se de um processo de aquisição de informações
espaciais através da medição de ângulos e distâncias, utilizando-se geralmente de
instrumental goniométrico e diastimométrico, com acessórios de apoio, com
fundamentos conceituais quer mecânico, ótico-mecânico, ótico-eletrônico e eletrônico.
As observações de campo são necessárias para a determinação de coordenadas pontuais
georeferenciadas das informações espaciais que possibilitem a definição geométrica do
contorno da área que está sendo estudada topograficamente (limites físicos), assim
como do seu relevo e da sua posição relativa no espaço geográfico e da posição de
pontos representativos dos detalhes do local - construção em geral, árvores, rios, lagos e
outros pormenores, enriquecendo a base cartográfica.
Figura 3: Levantamento topográfico clássico
2.3 Sensoriamento Remoto
Entende-se por Sensoriamento Remoto a utilização conjunta de
modernos sensores, equipamentos para processamento e transmissão de dados,
aeronaves, espaçonaves e outros, com o objetivo de estudar o ambiente terrestre através
do registro e da análise das interações entre a radiação eletromagnética e as substâncias
componentes do planeta Terra, em suas mais diversas manifestações. Os sensores
permitem obter imagens orbitais, por via indireta, da superfície observada ou registros
na forma de gráficos ou dígitos. Considera-se como imagem orbital a aquisição de
dados de sensoriamento remoto através de equipamentos sensores coletores situados a
bordo de satélites artificiais.
Figura 3: Estrutura de um sistema de aquisição de informações
espaciais pela técnica de sensoriamento remoto
A técnica de geomensura para aquisição de dados por sensoriamento
remoto permite obter informações espaciais que podem ter aplicações práticas no
inventário e no manejo dos recursos naturais do planeta, na meteorologia, na
oceanografia, na geomorfologia, estudos urbanísticos e outros.
2.4 Sistema de posicionamento por satélites
A Era Espacial iniciada com o lançamento do primeiro satélite artificial,
o SPUTNIK I, em 4 de outubro de 1957, marcou uma mudança radical em muitas
ciências e em particular nos métodos de posicionamento
A era dos satélites artificiais foi imediatamente seguida pela revolução da
eletrônica, proporcionando novos e atraentes rumos a Geodésia e à Topografia.
Historicamente, os sistemas utilizados para a definição da posição de
pontos situados no espaço geográfico, querem estejam no continente, no mar ou no
espaço aéreo, sofreram extraordinária evolução. Inicialmente, o sistema de
posicionamento mais antigo teve por base observações astronômicas. Com o
desenvolvimento da ótica e dos métodos geodésico-topográficos clássicos, estes foram
utilizados para posicionamento e orientação. As condições de visibilidade limitavam a
execução dos trabalhos.
Métodos topográficos, denominados clássicos, que se valiam de
instrumentos óticos foram utilizados, desde que fosse possível a observação visual dos
pontos a terem as suas posições relativas definidas, as quais estão, por sua vez,
associadas a posições geodésicas previamente definidas.
Até a relativamente poucos anos, a determinação de pontos situados,
principalmente no mar, só era possível através da observação visual de sinais (estações)
localizados na costa, segundo métodos clássicos que se valia de instrumentos óticos.
O extraordinário desenvolvimento da eletrônica, permitindo o domínio da
técnica de propagação das ondas eletromagnéticas e a medição de intervalos de tempo
com rigor da fração de mili-micro-segundo, contribuíram para o aperfeiçoamento dos
métodos de posicionamento.
Em palavras simples, navegar significa saber onde se está e aonde se
vai - saber ir e voltar. Os recursos de que se necessita para navegar dependem das
características da viagem como a distância e o meio (terrestre, aéreo, aquático, etc).
Sejam quais forem os recursos para a navegação, o conhecimento da
forma da Terra e a adoção de um referencial adequado são imprescindíveis.
O sistema de posicionamento global, identificado pela sigla GPS
(Global Positioning System), é uma constelação de satélites de navegação que orbita a
Terra. A informação de tempo preciso e de posição transmitida pelos satélites é usada
por um receptor GPS para definir uma posição fixa.
O sistema foi oficialmente declarado “operacional”, permitindo
continuamente, durante 24 horas, determinar cobertura em três dimensões (posição mais
elevação) em qualquer lugar sobre a superfície terrestre.
O Sistema GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos
Estados Unidos para proporcionar informação consistente e confiável para navegação,
que não é afetada pela irregularidade da superfície terrestre e por condições climáticas
adversas, sendo também altamente resistente aos erros de multicaminhamento e
interferências.
O Departamento de Defesa dos Estados Unidos lançou, paulatinamente,
24 satélites que giram em seis planos orbitais ao redor da Terra, a uma altitude de
aproximadamente 20 mil e duzentos quilômetros, inclinados 55º em relação ao plano
equatorial e com período (tempo gasto para um giro completo) de 12 horas, cuja
disposição geométrica espacial está ilustrada pela Figura 4. Tanto os receptores GPS
fabricados comercialmente como os satélites possuem relógios de alta precisão usados
no cálculo das distâncias. O Departamento de Defesa continua a administrar e controlar
o Sistema de Posicionamento Global.
Figura 4: Estrutura espacial do Sistema GPS
Concebido inicialmente para contornar as deficiências verificadas no
Sistema de Navegação Transit, seu predecessor imediato, o Sistema GPS foi projetado
de forma que em qualquer lugar do planeta e a qualquer momento existam pelo menos
quatro satélites acima do plano do horizonte do observador, numa altitude de 20.200
km. Esta situação garante a condição geométrica mínima necessária à navegação em
tempo real por este novo sistema. Embora o GPS tenha sido desenvolvido como um
sistema militar de navegação, seu uso civil e comercial foi reconhecido.
Posteriormente, cientistas e pesquisadores no mundo todo começaram a
descobrir e explorar as potencialidades do sistema, não somente aquela de aplicação
destinada à navegação. Com isto, surgiram as aplicações na área da geodésia,
geodinâmica, cartografia, etc., atingindo níveis de precisão inalcançáveis com os
métodos clássicos utilizados até então, para surpresa dos próprios idealizadores do
sistema.
Cada satélite GPS transmite sua localização precisa (posição e elevação)
e o início da transmissão. Um receptor GPS capta o sinal, então mede o intervalo entre a
transmissão e a recepção do sinal para determinar a distância entre o receptor e o
satélite: isto consiste numa faixa de valores dentro da qual valor estimado está situado.
Uma vez que o receptor tenha computado uma faixa para pelo menos três satélites, sua
localização sobre a superfície terrestre pode ser determinada.
Cada satélite transmite dois tipos de dados, denominados de almanaque e
de efemérides. Os dados do almanaque são informações gerais sobre a localização e as
condições de cada satélite na constelação. Desde que ele contenha informações gerais,
um almanaque pode ser obtido a partir de qualquer satélite. Com um almanaque
atualizado em sua memória, um receptor sabe onde observar, no céu, os satélites e
informar sua última posição conhecida e o tempo do dia. Dados de efemérides
consistem no posicionamento preciso do satélite que é usado para a determinação da
faixa de valores de distâncias. Cada satélite transmite seus próprios dados de
efemérides.
Ambos, dados do almanaque e de efemérides são necessários por um
receptor GPS para localizar e captar satélites rapidamente, copiando suas mensagens
automaticamente, e calculando sua posição fixa.
Figura 5: Receptor GPS utilizado para posicionamento
topográfico com precisão centimétrica
Entre outras finalidades, os receptores permitem executar levantamentos
topográficos com diversas vantagens sobre as denominadas Estações Totais. Os
sistemas topográficos convencionais (ótico-mecânicos) enfrentam problemas de
intervisibilidade em terrenos ondulados, perto de barreiras físicas, limitação de
distâncias (só permitem visadas curtas); só podem ser utilizados durante o dia; não
permitem o trabalho em dias chuvosos e chegam a exigir equipes de quatro ou cinco
pessoas, dependendo do caso. Em locais de mata fechada, exigem a abertura de picadas.
Orientado por satélites, o sistema GPS supera todos esses limites. Apenas uma pessoa
opera o receptor na coleta ou locação das coordenadas. A sua aplicação se justifica em
situações que exijam grande número de levantamentos topográficos, locações e
medições.
Os trabalhos de apoio aos levantamentos aerofotogramétricos, por
exemplo, conduzidos através dos processos topográficos, hoje se valendo de estações
totais eletrônicas, exigem o conhecimento de um ponto de partida com coordenadas
conhecidas e de uma direção com um azimute estabelecido. Esta tarefa ficou
tremendamente facilitada com o sistema GPS. Utilizando receptores geodésicos de uma
ou duas freqüências, as coordenadas podem ser transportadas em distâncias de centenas
ou até milhares de quilômetros com precisão de poucos centímetros em um período de 2
horas ou até menos. Desta forma, é fácil implantar dois pontos de apoio numa área de
interesse, transportando as coordenadas desde uma estação pertencente a uma rede
qualquer de referência. Isto satisfaz a exigência da topografia em relação às
coordenadas e ao azimute.
2.5 Hidrografia
A Hidrografia consiste numa ciência que se ocupa da medida e
descrições das características físicas dos oceanos, mares, lagos e rios, bem como das
suas áreas costeiras contíguas, com a finalidade, em geral, de navegação. Os mapas dos
mares e das partes navegáveis dos rios servem não apenas para mostrar as
profundidades das águas, mas também a amplitude das marés, velocidade e direção das
correntes, a forma do litoral e até a natureza do fundo do mar, para fins de navegação.
O mapeamento do relevo do fundo marinho, medições das marés,
correntes e ondas, realizadas através de levantamentos em mar aberto ou em águas
interiores, é executado utilizando-se de equipamentos de hidrografia. O conhecimento
do fundo e subfundo dos ambientes marinho, lagunares e fluviais é obtido mediante a
investigação por intermédio de métodos indiretos acústicos. Os métodos indiretos
acústicos permitem a perfilagem contínua das camadas do subfundo (técnica da reflexão
sísmica) e identificam com precisão as variações na topografia e nas feições do fundo
marinho (sonografia e ecobatimetria).
Figura 5: Área de relevo submerso caracterizado pela técnica hidrográfica
e representado tridimensional por técnica computacional 3D
A batimetria pode ser definida como sendo o conjunto dos princípios,
métodos e convenções utilizadas para determinar a medida do contorno, da dimensão e
da posição relativa da superfície submersa dos mares, rios, lagos, represas e canais.
Os levantamentos batimétricos podem ser realizados segundo técnicas
diversas: sondagens batimétricas (método mecânico executado nas verticais da seção de
medição para determinar a sua profundidade utilizando-se guincho hidrométrico e
lastro) e sondagens ecobatimétricas (método para medir a profundidade da água pelo
cálculo do intervalo de tempo necessário para que as ondas sonoras viagem ida e volta,
a uma velocidade conhecida, desde um ponto conhecido bidimensionamente até um
ponto situado na vertical sobre o terreno submerso que as reflita). As posições nas quais
serão medidas as profundidades são caracterizadas, geralmente, com o emprego de
métodos topográficos clássicos ou, atualmente, pela técnica do posicionamento por
satélites.
Figura 6: Modelo comercial de ecobatímetro onde se destaca, no detalhe,
o perfil batimétrico levantado
2.6 Fotogrametria
A Fotogrametria é conceituada classicamente como sendo “ciência e
técnica de obter formas, posições e dimensões de objetos retratados em fotografias”. A
American Society of Photogrammetry conceitua, moderna e abrangentemente, a
Fotogrametria como sendo “Arte, ciência e tecnologia de se obter informações
confiáveis sobre objetos físicos e do meio ambiente através de processos de gravação,
medição e interpretação de imagens fotográficas e padrões de energia eletromagnética
radiante e outros fenômenos". O ato principal é o da medição, constituindo-se tão
somente a fotografia como memória principal da informação.
Figura 7: cobertura aerofotogramétrica
Mapas e fotografias aéreas são usados para obtenção de cadastros
técnicos. Os cadastros técnicos são executados com a finalidade de obtenção de
informações técnicas detalhadas sobre áreas específicas, que possibilitem a
implementação de ações de lançamento de impostos e taxas, inventários e controle de
equipamentos e serviços públicos, desapropriações, indenizações, localização de obras –
redes elétricas, de telefonia, de saneamento etc, entre outros objetivos. Uma maneira de
se obter rapidamente tais informações técnicas é mediante a utilização do método
aerofotogramétrico com a finalidade de produzir a base cartográfica georeferenciada do
espaço geográfico, principalmente voltado para a elaboração de projetos de engenharia e
de arquitetura – estradas, barragens, planos diretores de cidades, loteamentos etc.
Sob o seu aspecto científico aplicado à Cartografia, a Fotogrametria tem
como objetivo determinar, por intermédio de imagens fotográficas apropriadas, a
posição de objetos localizados sobre a superfície terrestre. No início do século XIX, a
técnica da fotogrametria distinguia-se da topografia clássica, somente pela maneira da
obtenção dos dados: em vez da medição de direções, com um goniômetro, e das
distâncias, com um diastímetro, estas eram obtidas através de fotografias. Portanto, não
é uma ciência nova, porém sua aplicação à Topografia foi concretamente iniciada
através dos trabalhos do engenheiro francês Aimé Laussedat, em 1849.
A utilização da técnica fotogramétrica como ferramenta útil à
Agrimensura e à Cartografia possibilitou uma acentuada evolução em equipamentos e
metodologias de produção de plantas, cartas e mapas topográficos. Um mapa
topográfico planimétrico é uma representação gráfica, em determinada escala, que
demonstra somente a posição horizontal dos detalhes representados, tais como estradas,
pontes, barragens, lagos, rede hidrográfica, edificações, divisas territoriais, áreas de
vegetação etc. O mapa topográfico planialtimétrico contém, além das informações
planimétricas, detalhes referentes às distâncias verticais, ou seja, informações acerca das
alturas dos pontos topográficos representados planimetricamente, por intermédio de
valores de cotas ou altitudes, bem como a expressão do relevo terrestre mediante curvas
de nível (sua altimetria). Então, em lugar do levantamento topográfico clássico para a
confecção de cartas topográficas, cadastrais e técnicas, pode-se empregar o
levantamento fotogramétrico que utiliza fotografias aéreas para a obtenção das referidas
representações espaciais. Os mapas topográficos produzidos com o auxílio da técnica
aerofotogramétrica são denominados de mapas topográficos restituídos.
03 LEVANTAMENTOS TOPOGRÁFICOS ESPECIAIS
Classificam-se na classe de especiais àqueles levantamentos que são
executados para atendimentos de objetivos muito específicos, tais como os
levantamentos topográficos subterrâneos, topohidrográficos, por triangulação
topográfica (4a Ordem) e os de precisão.
Os levantamentos topográficos de precisão são aqueles destinados para
medição de recalques de fundações de edificações prediais ou de reservatórios de
grande capacidade - destinados ao abastecimento predial de água ou de combustíveis,
elevados ou apoiados sobre o solo -, monitoramento de acomodação de camadas de
solos em zonas de extração subterrânea de sais minerais, monitoramento de
deformações de grandes estruturas de engenharia – silos elevados, barragens, vigas em
grandes vãos -, nivelamento de redes planimétricas para apoio à interpretação de
aerolevantamentos, etc.
Os trabalhos de engenharia que necessitam dos levantamentos
topográficos subterrâneos são, principalmente, os desenvolvidos na exploração mineira,
secundados pelas atividades de engenharia no campo hidroelétrico. Nestes últimos, essa
necessidade tornou-se maior, devido ao crescente abandono da solução clássica (às
vezes muito onerosa) de se construir grandes barragens, pela criação de uma central
subterrânea, com saída de túneis alimentados por lagos naturais ou artificiais. Em outras
obras de engenharia, tais como na construção de vias de transporte rodo-ferroviários que
exijam a abertura de túneis para vencer obstáculos naturais, na implantação de reatores
de usinas nucleares, na construção de garagens subterrâneas, na abertura de canais
subterrâneos, etc., os levantamentos topográficos subterrâneos apresentam importância
primordial e, de modo particular, no acompanhamento da execução e do controle
geométrico das obras construídas em trechos localizadas em subsuperfície.
Os levantamentos topohidrográficos são realizados com a finalidade de
caracterizar a superfície topográfica que está submersa em reservatórios naturais,
barragens, canais, trechos de rios, portos, marinas, etc. São também denominados de
levantamentos batimétricos e são definidos como sendo o conjunto dos princípios,
métodos e convenções utilizadas para determinar a medida do contorno, da dimensão e
da posição relativa da superfície topográfica submersa de trechos de mares, rios, lagos,
represas e canais. Os levantamentos topohidrográficos tornam-se importantes como
suportes ao desenvolvimento de projetos de obras portuárias, avaliação da capacidade
hídrica de reservatórios, na operação de dragagem de sedimentos na área de evolução de
embarcações, de assoreamento em barragens, etc., pois proporcionam um
acompanhamento das alterações do relevo submerso, permitindo a avaliação de volumes
depositados ou retirados.
A triangulação é o mais antigo e utilizado processo de levantamento
planimétrico de precisão. Os levantamentos topográficos clássicos que sejam
executados mediante a utilização de métodos topométricos e planialtimétricos, tem os
seus erros máximos estabelecidos pelas especificações oriundas de órgãos públicos que
guardam enorme experiência acumulada na utilização das medições topográficas em
projetos e execução de obras de engenharia ou das normas brasileiras. Procedimentos
operacionais de campo são rigidamente observados pelas equipes de topografia e pela
atuação da fiscalização para que se possa alcançar o nível de precisão desejada nos
levantamentos topográficos. Estes aspectos técnicos são atendidos para uma grande
maioria de obras de engenharia civil.
Existem por outro lado, técnicas de geomensura que são utilizadas
para atender determinados tipos de obra de engenharia, tais como barragens, rodovias,
ferrovias, hidrovias, mineralodutos, gasodutos, oleodutos e outras que são executadas
em áreas muito extensas, com relevo muito acidentado e de acesso muito difícil, que
exigem níveis mais elevados de precisão nas atividades de mensuração e maior
complexidade nos cálculos a serem efetivados para atender as finalidades de projeto.
Quando a extensão for superior ao limite teórico estabelecido para o campo topográfico,
deve-se considerar nos cálculos que envolvem medições de distâncias horizontais ou
inclinadas a necessidade de ser considerada a curvatura terrestre e o modelo geométricomatemático idealizado para representar a forma física da Terra, sob pena de cometer-se
erros apreciáveis e prejudiciais à elaboração dos projetos de engenharia, seja a partir dos
resultados obtidos nos levantamentos topográficos, seja estes sendo utilizados como
suporte para detalhamento da localidade ou para a constituição de uma rede
planialtimétrica de pontos topográficos de suporte, por exemplo, para a interpretação de
levantamentos aerofotogramétricos.
Para que os erros sejam minimizados e os laboriosos cálculos
sejam evitados, recorre-se a uma técnica de levantamento de precisão denominada de
MÉTODO PLANIMÉTRICO DA TRIANGULAÇÃO TOPOGRÁFICA.
Conceituam-se os levantamentos topográficos como sendo operações
através das quais se realizam medições no espaço geográfico, com a finalidade de serem
determinadas posições relativas de pontos da superfície terrestre. Neste sentido,
entende-se por triangulação como sendo um método de levantamento em que as
estações são pontos definidos na superfície topográfica, os quais estão situados nos
vértices duma rede de triângulos. Os ângulos destes triângulos são medidos com
instrumentos enquanto que os lados são obtidos por cálculos a partir de lados
escolhidos, denominados bases, as quais são conseguidas mediante medições diretas no
terreno. Os triângulos devem-se aproximar, tanto quanto possível, da forma eqüilateral
no comprimento dos lados, ou da forma isósceles, quando um dos lados já pertence a
um triângulo de ordem superior, por imposição; nestes casos, o ângulo oposto a este
lado deve ser o mais próximo possível, do ângulo reto. Os ângulos muito agudos ou
muito obtusos devem ser absolutamente proibidos. Os vértices dos triângulos são
constituídos por sinais bem visíveis, naturais (torres de igrejas, por exemplo) ou
artificiais (pilares e plataforma de alvenaria, madeira, etc).
O estabelecimento de uma triangulação comporta, portanto, em princípio,
a medida de uma base e os ângulos dos triângulos, necessários para efetuar o cálculo
trigonométrico sucessivo dos lados e, posteriormente, das coordenadas que os
identificam no espaço geográfico georeferenciado. A Figura 8 ilustra uma rede
planimétrica a ser definida pelo método da triangulação topográfica.
Figura 8: Rede de pontos topográficos definidos com o auxílio de uma ampliação de
base (CD) a partir da mensuração e orientação da base (AB)..
Um sistema de triangulações se forma com triângulos adjacentes –
unidos em rede segundo se necessite, e assim, conhecendo uma só distância (base) e
todos os ângulos dos triângulos, se calculam todos os lados e as coordenadas dos
vértices. Cada triângulo terá pelo menos um lado comum com o triângulo seguinte.
As figuras geométricas que se usam nos sistemas de triangulação podem ser triângulos
simplesmente, ou polígonos de vértice central formados, por sua vez, por triângulos ou
quadriláteros com diagonais. Portanto, o método planimétrico da triangulação
topográfica, denominado de 4a Ordem, é o procedimento que se emprega para o controle
de levantamentos extensos que, caso sejam realizados simplesmente com poligonais
definidas nos levantamentos topográficos clássicos, o grande número de alinhamentos s
acumularia erros de grande magnitude. O controle que se estabelece com a triangulação
topográfica consiste, então, em obter-se as coordenadas retangulares dos vértices com
maior grau de precisão. Posteriormente, as poligonais a serem definidas para o
levantamento de detalhes se apóiam nestas coordenadas para sua comprovação, ou seja,
que parte de um vértice de triangulação com certas coordenadas, deve chegar a outro
vértice com as coordenadas obrigadas deste (previamente conhecidas ao detalhamento
topográfico).
Na atualidade, este método planimétrico de precisão é executado não mais utilizando
teodolito e fio de invar para a definição geométrica da rede, mas a tecnologia de
posicionamento por satélites, de modo particular o denominado Sistema GPS, descrito
anteriormente.
04 COMENTÁRIOS FINAIS
A automação dos procedimentos relacionados às técnicas de geomensura
atualmente está presente em diversas etapas do trabalho, permitindo a obtenção de
observações de campo com elevado grau de qualidade, permitindo obter produtos
cartográficos confiáveis com menor custo e demanda de tempo. A obtenção de uma
base cartográfica e dos dados que irão servir de elementos básicos para constituir um
SIG na área de projetos da Engenharia Civil é uma realidade inegável e requer
urgentemente uma formação profissional mais adequada ao novo tempo numa época
histórica da globalização. Com enfoque nesta perspectiva, apresentou-se uma descrição
sucinta das diversas técnicas de geomensura existentes e mais comumente utilizadas, as
quais serão descritas detalhadamente em capítulos posteriores.
Salienta-se que outros procedimentos técnicos são utilizados na execução
de um SIG, principalmente em termos de abastecimento de informações do banco de
dados, que deve partir de uma definição clara dos parâmetros, indicadores e variáveis
que serão necessários para cada projeto específico a ser implementado. A utilização do
processo de digitalização tem sua importância no sistema de aquisição de dados já
existentes e sua conversão.
De uma maneira abrangente, os módulos existentes num SIG consistem
de:
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Sistema de aquisição e conversão dos dados
Banco de dados espaciais
Sistema de gerenciamento de banco de dados
Sistema de análise geográfica
Sistema de processamento de imagens
Sistema de modelagem digital de terreno
Sistema de análise estatística
Sistema de apresentação cartográfica
É objetivo apresentar, para estudo e aplicação, o Sistema SPRING –
Sistema de Processamento de Informações Georeferenciadas, produto desenvolvido
com tecnologia totalmente nacional, feito pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
– INPE/SP, gratuito e disponível no site http://www.dpi.inpe.br/spring. Trata-se de
um aplicativo computacional (software) de domínio público na área de
geoprocessamento.