Fundamentos de Geotecnologias: Topografia, GPS e Sensoriamento Remoto

Fundamentos de Topografia e Geodesia

Conceitos Essenciais

• Superfície Topográfica: A superfície do terreno com seus vales, fundos de mar e montanhas, sobre a qual as medidas são executadas.
• Geóide: Vocábulo que significa o formato geométrico da Terra. Considerado como a superfície de nível de altitude igual a zero e coincidente com o nível médio dos mares; referência para as altitudes. É a superfície equipotencial do campo da gravidade da Terra que melhor se ajusta ao nível médio dos mares em repouso, sendo definido como um datum altimétrico.
• Topocêntrico: Vértice na superfície terrestre que serve para a amarração do elipsoide ao geóide.
• Geocêntrico: Amarrado ao centro de massa da Terra.
• Plano Topográfico: Hipótese simplificada do plano topográfico como superfície de referência, onde não se considera a influência dos erros sistemáticos devido à curvatura da Terra. É a forma adotada pela topografia que desconsidera a Terra como sendo curva.
• Elipsoide de Revolução: Figura gerada pela rotação de uma elipse sobre seus eixos.
• Latitude Geodésica: Ângulo que a normal do elipsoide forma com sua projeção sobre o plano do equador.
• Longitude Geodésica: Ângulo diedro formado pelo plano que contém o meridiano geodésico de Greenwich e pelo plano que contém o plano geodésico do ponto considerado.
• Altura Geométrica (ou Altura Elipsoidal): Distância do ponto sobre a superfície terrestre até o elipsoide, contada sobre a linha normal.
• Latitude Astronômica: Arco do meridiano contado desde o equador até o ponto considerado, sendo, por convenção, positiva no hemisfério norte e negativa no hemisfério sul.
• Longitude Astronômica: Arco de equador contado desde o meridiano de origem (Greenwich) até o meridiano do ponto considerado. Por convenção, a longitude varia de 0 a +180° no sentido leste e 0 a -180° no sentido oeste por Greenwich.
• Precisão e Acurácia:
  • Precisão: Sucessão de valores no mesmo local, vinculada aos efeitos aleatórios.
  • Acurácia: Expressa o grau de aderência das observações em relação ao seu valor verdadeiro, ligada aos efeitos aleatórios e sistemáticos.
• Superfícies Envolvidas: Um topógrafo frequentemente se vê envolvido com três superfícies: a conversão de altitude ortométrica para altitude elipsoidal ou geométrica é possível se for conhecida a ondulação geoidal (N).

Sistemas de Referência (Datum)

• Datum: Conjunto de parâmetros que define o sistema cartográfico.
• WGS-84: O datum padrão para o uso de GPS.
• SIRGAS 2000: O novo datum brasileiro, também utilizado pelo sistema GPS.
• Sistemas Geodésicos Oficiais no Brasil: SAD 69, CÓRREGO ALEGRE e SIRGAS.
• Orientação dos Elipsoides: SIRGAS 2000 e SAD 69 são, respectivamente, geocêntrico e topocêntrico.

Projeções Cartográficas

Tipos de Projeção

• Projeção Cilíndrica: Utiliza um cilindro como plano de projeção.
• Projeção Conforme: Não ocorrem deformações nos ângulos, mas apenas nas distâncias e, consequentemente, nas áreas. Na prática, ocorrem problemas na representação das distâncias, ou seja, a distância mensurada por métodos topográficos não é a mesma distância mensurada pela projeção cartográfica. Dependendo da localização do ponto no fuso, pode haver ampliações ou reduções das distâncias.

Projeção Universal Transversa de Mercator (UTM)

Características da Projeção UTM

• 6° de longitude por fuso.
• 60 fusos UTM no recobrimento terrestre total.

• Fuso 21: MC -57°W.

Vantagens e Cuidados na Projeção UTM

• Vantagem: Útil em projetos de engenharia, pois permite trabalhar com distâncias, áreas e azimutes através de coordenadas planas.
• Cuidado: Necessidade de transformação, correção ou uso com elementos compatíveis. Dentre os cuidados estão: regiões de transposição de fusos, transformação de distâncias do sistema plano-retangular (UTM) para sistema topográfico ou vice-versa.

Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS)

Visão Geral dos Sistemas

• GPS (Global Positioning System): Desenvolvido e mantido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos.
• GLONASS: Desenvolvido e mantido pelo Ministério de Defesa Federal Russo. Em atual reestruturação.
• GALILEO: Sistema europeu de navegação por satélite.
• BEIDOU (COMPASS): Sistema de posicionamento chinês.

Segmentos do Sistema GPS

O sistema de posicionamento global GPS consiste basicamente de três segmentos distintos: Espacial, Controle e Usuário (civil e militar).

• Segmento Espacial:
  • Constituído pelos satélites GPS.
  • Estrutura final: 27 satélites (24 operacionais e 3 de reserva) distribuídos em 6 planos orbitais, com 4 satélites operacionais por plano.
  • Inclinação: 55° com o plano do equador.
  • Altura dos satélites: Aproximadamente 20.000 km.
  • Período orbital: 12 horas siderais (tempo para completar uma volta em torno da Terra).
  • Funções dos satélites: Manter uma escala de tempo precisa; emitir dois sinais ultra-sensíveis em frequência modulados em fase; receber e armazenar informações do segmento de controle; efetuar manobras orbitais; retransmitir informações (mensagem de navegação).
  • Satélites GPS: Transmissores de sinais de rádio, gerados a partir de uma frequência fundamental de 10,23 MHz, por osciladores de Césio ou Rubídio. Identificação por PRN.
• Segmento de Controle:
  • Constituído por 1 Estação Master e 4 Estações de Monitoramento.
  • Função: Realizar o monitoramento contínuo dos satélites, calcular suas posições, transmitir os dados e executar a supervisão necessária para o controle de todos os satélites do sistema.
  • Componentes: Estação de controle central, estações de monitoramento e controle, e antenas terrestres.
• Segmento do Usuário:
  • Compreende o conjunto de usuários civis e militares do sistema GPS.
  • Serviço de Posicionamento Padrão (SPS): Usuários têm acesso aos dados do GPS como são transmitidos, com degradação (SA) e criptografia do código P (AS). Comunidade civil com acesso ao código C/A sem restrição.
  • Serviço de Posicionamento Preciso (PPS): Usuários recebem as informações sem degradação (sem SA) e recebem o código P sem criptografia (sem AS).

Sinal dos Satélites GPS

• Frequências Portadoras:
  • L1 - 1575,42 MHz (λ=19,05cm)
  • L2 - 1227,60 MHz (λ=24,45cm)
• Códigos:
  • C/A (Clear Access): Código civil, dura 1ms, na L1.
  • P (Precise Code): Código militar, dura 7 dias, criptografado para evitar sabotagem (AS - Anti-Spoofing) criando o código Y, nas L1 e L2.
• Mensagens de Navegação: Os códigos D carregam as mensagens de navegação contendo as efemérides, correção dos relógios dos satélites e a saúde dos satélites, utilizadas pelos receptores. Efemérides são parte das mensagens transmitidas (broadcasting) pelos satélites, em tempo real, com informações de sua órbita e do seu sistema de tempo, a partir das quais podem-se calcular as coordenadas dos satélites.

Escalas de Tempo

Existem diferentes escalas de tempo envolvidas no sistema de referência de tempo do GPS:

• O tempo na escala de tempo do satélite.
• O tempo na escala de tempo do receptor.
• O tempo na escala de tempo controlada pelo segmento de monitoramento e controle, considerada como a referência de tempo ou o padrão ("tempo oficial do sistema GPS"), para o qual os relógios dos satélites e dos receptores deverão ser corrigidos.

Relógios atômicos: Césio, Rubídio e Hidrogênio.

Tipos de Solução de Posicionamento

• Solução FIXA: Quando há resolução da ambiguidade inteira de forma segura e confiável para todos os satélites.
• Solução PARCIAL: Quando se consegue resolver as ambiguidades inteiras somente para alguns satélites.
• Solução FLUTUANTE: Quando não se consegue resolver as ambiguidades inteiras para nenhum dos satélites estatisticamente de forma confiável.

Posicionamento GPS

• Posicionamento Autônomo:
  • 1 receptor independente.
  • Precisão: ±15 m com 95% de confiabilidade.
  • Exemplo: Receptores GPS de navegação (Garmin).

• Posicionamento Diferencial:
  • 2 receptores medem simultaneamente.
  • Precisão: Por código P (±3mm) ou código C/A (±1m).
  • Exemplo: Receptores GNSS de alta precisão, RTK, DGPS.

• Posicionamento Relativo: Um usuário, que disponha de apenas um receptor GPS, poderá realizar posicionamento relativo acessando os dados de uma RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo).

Receptores GPS

Componentes

• Antena com pré-amplificador.
• Seção de Radiofrequência (RF) para identificação e processamento do sinal.
• Microprocessador para controle do receptor, amostragem e processamento dos dados.
• Oscilador responsável pela geração da frequência interna do receptor.
• Interface com o usuário (painel de exibição de dados e comando de operação) que permite a configuração do receptor antes dos levantamentos.
• Memória para armazenar os dados coletados.

Tipos de Receptores (Critérios)

• Quanto ao número de frequências: Simples frequência e dupla frequência.
• Quanto ao número de canais: Monocanais e multicanais.
• Quanto ao tipo de sinal observado (medido): Código C/A; código C/A e portadora L1; código C/A e portadoras L1 e L2; código P e portadoras L1 e L2.

Técnicas de Processamento do Sinal

Para aplicações em linhas base longas ou em regiões com forte atividade ionosférica, é muito importante o uso das duas portadoras L1 e L2, bem como o acesso ao código P, mesmo com a AS ativa, o que normalmente ocorre no dia a dia.

Fontes de Erros no Posicionamento GPS

• Fontes de Erros Comuns: Relógio do satélite, efemérides do satélite, disponibilidade seletiva (S/A), troposfera, ionosfera, ruído na pseudo-distância, ruído no receptor e multicaminhamento.
• Erros no Garmin (Exemplo): Disponibilidade seletiva (S/A) e ionosfera.
• Multicaminhamento: Ao se realizar um levantamento topográfico com receptor GPS posicionado entre uma faixa de um edifício e um lago, o sinal será afetado por uma fonte de erro denominada multicaminhamento.
• Erros de Observação: Ambiente, operador, equipamento.
• Imprecisão das Órbitas: Os maiores erros de um posicionamento absoluto no uso de GPS ocorrem devido à imprecisão das órbitas. DGPS (Differential GPS) ajuda a mitigar isso.
• Refração Troposférica: Um dos erros ocorridos pela programação do sinal.

Ângulo de Máscara

É o ângulo formado a partir do horizonte que restringe o uso dos satélites dentro desta faixa. A Norma Técnica para Georreferenciamento de Imóveis Rurais do INCRA estabelece 10°.

Vantagens e Desvantagens do Sistema GPS

• Vantagens:
  • Visada: Dispensa intervisibilidade entre estações; permite determinar linhas mais longas.
  • Rapidez: Automação na coleta e processamento dos dados.
  • Precisão: Métodos que atendem normas IBGE e INCRA.
• Desvantagens:
  • Visada aos Satélites: Problemas com vegetação densa, úmida ou alta; vetada para túneis e minas subterrâneas.
  • Área Urbana: Obstrução do sinal; multicaminhamento.
  • Custo ainda relativamente alto, não faz nivelamento, necessita de informação geoidal.

Redes de Estações de Apoio ao Posicionamento

As redes de estações de apoio ao posicionamento diferencial ou relativo, inclusive para a execução do georreferenciamento de imóveis rurais, podem ser classificadas em Estações Ativas e Estações Não Ativas.

• Rede Estação Ativa: Funciona, de modo permanente e contínuo, como um ponto de coordenadas conhecidas para serem utilizadas no processamento diferencial ou relativo, sem a necessidade de ocupar fisicamente a estação de referência. Isso possibilita aos usuários que possuam apenas um receptor desenvolver suas atividades de posicionamento dentro da região atendida, adquirindo posteriormente o arquivo de observações coletado pela EA.
• Estações Ativas Particulares: Pontos distribuídos pelo território nacional cujo gerenciamento é realizado por firmas particulares para darem suporte aos seus clientes, servindo como estações de referência ou estações base, rastreando os satélites GPS durante 24 horas e fornecendo os arquivos através do acesso pela internet aos clientes autorizados.
• Estação Não Ativa: Funcionam de maneira similar às redes clássicas ou convencionais (marco ou RN), como um ponto de coordenadas conhecidas para serem utilizadas no processamento diferencial ou relativo, mas existe a necessidade de ocupar fisicamente a estação de referência com um receptor para coletar e armazenar as observações dos satélites.

Sensoriamento Remoto

Princípios e Aplicações

• Base da Tecnologia: A base da tecnologia de Sensoriamento Remoto é a detecção das reflectâncias.
• Condições Atmosféricas Ideais: Céu limpo sem nuvens, sombras e poluição. Se o dia estiver seco e sem muita umidade, o espalhamento e absorção são minimizados.
• Diferenciação de Solos: Os solos úmidos se distinguem dos solos secos pela diferença de reflexão entre o infravermelho próximo e o médio.
• Diferenciação de Solo e Vegetação: O solo e a vegetação são facilmente distinguíveis entre si espectralmente porque a vegetação reflete mais energia no infravermelho próximo.
• Mapeamento de Vegetação: Para fazer um mapa de vegetação com florestas decíduas (Cerrado/cerradão) e coníferas (Pinheiros), a melhor forma seria usar imagens no infravermelho próximo, pois possibilitam uma melhor diferenciação das vegetações dos diferentes biomas mencionados.

Relação de Reflectância de Feições

Sistemas de Informação Geográfica (SIG)

Elementos Componentes de um SIG

• Aquisição de dados.
• Pré-processamento.
• Gerenciador de banco de dados.
• Manipulação e análise.
• Geração de produtos.

Cartografia e Topografia

Definições

• Cartografia: Ciência e arte de expressar por meio de mapas e cartas o conhecimento da superfície terrestre.
• Topografia: Ciência que tem como objetivo fundamental a descrição do lugar, levando em conta todos os seus acidentes naturais.

Representação de Coordenadas

Representação gráfica da origem das leituras dos ângulos de referência latitude e longitude e seus sinais.

Para Longitude e para Latitude.