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1 GEODÉSIA GEOMÉTRICA e ESPACIAL Professor: Yonny Romaguera Barcelay SUMÁRIO 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA 1.1 DATUM 1. CÁLCULO DO TRIÂNGULO GEODÉSICO 2. DETERMINAÇÕES ALTIMÉTRICAS DE PRECISÃO 3. ORIGEM E CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA GPS 2 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA Consiste de vários marcos/pontos distribuídos pela superfície terrestre. ❖ Eles são implantados em vértices de triângulos que formam uma rede geodésica. 3 Exemplos de Rede Geodésica Fonte: SÁ, N. C. de., 2012 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA ❖ Como se conhece as coordenadas geodésicas desses marcos/pontos esses são empregados para os mais variados trabalhos. 4 Vértices Por Exemplo: Levantamentos Geodésicos onde se utiliza a coordenada desse marco como origem. 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA O método de triangulação é o mais antigo e utilizado processo de levantamento planimétrico, devido ao baixo investimento em instrumental, utilizava-se teodolitos 5 Rede de Triangulação de Portugal do ano de 1888. Fonte: Biblioteca Nacional de Portugal 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA Na triangulação trabalha-se com uma figura básica, o quadrilátero completo, no qual os lados e as diagonais são visados em ambas as direções. O quadrilátero estabelece uma rede de triangulação geodésica. Essa rede consiste num conjunto de vértices A,B,C,...,(materializados no terreno), ligados por linhas (visadas) de maneira a formar uma série de quadrilátero. 6 QUADRILÁTERO Vértices Linhas (visadas) 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA Os lados AB,BC,CD,..., representam geometricamente as visadas efetuadas com teodolitos a partir de cada vértice aos vértices imediatamente vizinhos. Isto significa que os ângulos horizontais 1,2,3,..., foram medidos no terreno, garantindo a interligação geométrica de todos os vértices (SÁ, N. C. de., 2012). 7 Vértices Exemplo de RedeOnde: AB: Base Geodésica (medida) A,B,C, ...: Vértices (materializados) 1,2,3 ...: ângulos (medidos). 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA Na triangulação obtém-se figuras geométricas a partir de triângulos, justapostos ou sobrepostos, formados através da medição dos ângulos subentendidos em cada vértice. Ocasionalmente, alguns lados são observados para controle de escala, sendo os demais calculados a partir das medidas angulares. Como exemplo, na medição angular horizontal de alta precisão, de acordo com a Resolução PR nº 22, de 21/07/1983, do IBGE, são necessárias 2 séries, pelo método das direções, com 16 PD (pontaria direta) e 16 PI (pontaria inversa) por série, procedimentos não muito rápidos. 8 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA O espaçamento entre os vértices, também para os levantamentos de alta precisão, deve estar entre 15 e 25 km (caso geral) ou ser de no máximo 5 km em regiões metropolitanas. 9 Espaçamento entre vértices. 1. TRIANGULAÇÃO GEODÉSICA 10 Cadeias de triangulação que cobrem o Brasil. Percebe-se que elas são meridianas, espaçadas de aproximadamente 2⁰ e interligadas por cadeias paralelas, estendendo-se do Rio Grande do Sul ao Piauí. 1.1 DATUM 11 Nas triangulações geodésicas ADOTA-SE COMO ORIGEM UM PONTO DENOMINADO DE DATUM. Nesse ponto têm-se imposições como: Essa expressão equivale o DESLOCAMENTO DO MODELO POR MEIO DE TRANSLAÇÕES, CONSERVANDO O PARALELISMO ENTRE OS EIXOS DE ROTAÇÃO, ATÉ QUE ESTE TANGENCIE O GEÓIDE NO DATUM. Se ξ0 = η0 = 0 significa que a normal coincide com a vertical e as coordenadas astronômicas e geodésicas são idênticas. 1.2 INJUNÇÕES MÍNIMAS PARA DEFINIR UMA REDE GEODÉSICA 12 Segundo Zanetti (2007), os ÂNGULOS MEDIDOS REDUZIDOS AO ELIPSÓIDE NÃO SÃO SUFICIENTES PARA PROJETAREM OS VÉRTICES SOBRE A SUPERFÍCIE DO MODELO, o elipsóide de revolução, POIS SOMENTE ÂNGULOS NÃO DETERMINAM UM TRIÂNGULO. Tem-se então uma indeterminação, pois a triangulação pode ter inúmeros tamanhos e receber rotações e translações. Essa indeterminação só não existe quando se conhece: ❖As coordenadas do primeiro ponto (eliminam translação); ❖Azimute de uma direção (elimina rotação); e ❖Comprimento do lado inicial (introduz escala). 1.2 INJUNÇÕES MÍNIMAS PARA DEFINIR UMA REDE GEODÉSICA 13 Para resolver a indeterminação faz-se necessário o estabelecimento de algumas injunções iniciais. 1)Primeiramente admite-se que um dos vértices é o ponto origem ou Datum da triangulação, 2)Conhecendo-se suas coordenadas geodésicas, impede que a triangulação seja projetada com translação. 3)Admite-se ainda que o azimute geodésico de uma direção seja conhecido, o que impede a realização de rotações. 4)Por último, admite-se que seja conhecido um comprimento inicial, chamado de base geodésica, convenientemente reduzido à superfície do modelo, o que impõe escala à triangulação. 1.2 INJUNÇÕES MÍNIMAS PARA DEFINIR UMA REDE GEODÉSICA 14 – Essas quatro injunções iniciais, duas coordenadas elipsóidicas, um azimute e uma distância, é possível projetar a triangulação da superfície física da Terra sobre o elipsóide de revolução adotado, sem ambiguidades, substituindo-a por uma rede sobre a qual efetuamos os cálculos geodésicos. Sendo conhecidos os parâmetros do modelo (semi-eixo maior a e achatamento f, por exemplo), a latitude e longitude da origem podem ser transportadas vértice a vértice, para toda a triangulação, no procedimento chamado de transporte de coordenadas geodésicas. Para isso é necessário o conhecimento de todos os lados (bases) da triangulação, que são obtidos através da resolução dos triângulos. 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS 15 Os vértices de triangulação, poligonação ou trilateração são materializados através de marcos de alvenaria e têm suas coordenadas (latitude e longitude geodésica) matematicamente determinadas. O problema básico consiste em transportar as coordenadas de um ponto inicial (DATUM) a todos os demais vértices. Este transporte, normalmente efetua-se sobre o elipsóide de referência, com as fórmulas desenvolvidas pela geometria das superfícies. Transporte de Coordenadas 16 Para se realizar o transporte de coordenadas pode-se adotar o problema direto e o problema inverso. 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS Problema Direto, ao transporte de coordenadas no elipsóide de revolução quando são dadas as coordenadas geodésicas de um ponto P do elipsóide (φ, λ), a distância (s) a um segundo ponto P’ e o respectivo azimute (APP’) e deseja- se calcular as coordenadas do segundo ponto (φ’, λ’). O Problema Inverso é aquele em que são dadas as coordenadas geodésicas de dois pontos P e P’ do elipsóide (φ, λ) e (φ’, λ’) e deseja-se calcular a distância geodésica entre os mesmos (s) e os respectivos azimutes (APP’ e AP’P). Fonte: Zanetti (2007) 17 Existem vários formulários para as soluções dos problemas direto e inverso da Geodésia. As fórmulas de Puissant são utilizadas para lados curtos, o seu equacionamento baseia- se em uma esfera auxiliar tangente ao elipsóide, com raio coincidindo com o raio de curvatura da seção primeiro vertical . Essa fórmula é considerada com precisão de 1 ppm (parte por milhão) em até 80 ou 100 km. 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS Próximos Slides retirados das notas de aula do Curso Engenharia Cartográfica da Universidade Federal do Paraná. Problemas Geodésicos pela Formulação de Puissant . Disponível em: <http://www.cartografica.ufpr.br/home/wp- content/uploads/2012/12/Transporte-Puissant.pdf> 18 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS Notas de aula do Curso Engenharia Cartográfica da Universidade Federal do Paraná. Problemas Geodésicos pela Formulação de Puissant . Disponível em: <http://www.cartografica.ufpr.br/home/wp-content/uploads/2012/12/Transporte-Puissant.pdf> 19 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – PROBLEMA DIRETO Notas de aula do Curso Engenharia Cartográfica da Universidade Federal do Paraná. Problemas Geodésicos pela Formulação de Puissant . Disponível em: <http://www.cartografica.ufpr.br/home/wp-content/uploads/2012/12/Transporte-Puissant.pdf>20 Notas de aula do Curso Engenharia Cartográfica da Universidade Federal do Paraná. Problemas Geodésicos pela Formulação de Puissant . Disponível em: <http://www.cartografica.ufpr.br/home/wp-content/uploads/2012/12/Transporte-Puissant.pdf> 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – PROBLEMA DIRETO 21 Notas de aula do Curso Engenharia Cartográfica da Universidade Federal do Paraná. Problemas Geodésicos pela Formulação de Puissant . Disponível em: <http://www.cartografica.ufpr.br/home/wp-content/uploads/2012/12/Transporte-Puissant.pdf> 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – PROBLEMA DIRETO 22 Notas de aula do Curso Engenharia Cartográfica da Universidade Federal do Paraná. Problemas Geodésicos pela Formulação de Puissant . Disponível em: <http://www.cartografica.ufpr.br/home/wp-content/uploads/2012/12/Transporte-Puissant.pdf> 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – PROBLEMA DIRETO 23 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – PROBLEMA INVERSO OU INDIRETO Segundo Zanetti (2007), as fórmulas para cálculo do problema inverso segundo Puissant, aplicadas a lados curtos são: Sendo dados: - a : semi-eixo maior do elipsóide de revolução; - e2 : primeira excentricidade do elipsóide de revolução; - φ : latitude do ponto P; - λ : longitude do ponto P; - φ’ : latitude do ponto P’; - λ’ : longitude do ponto P’; Deseja-se calcular: - s : distância entre P e P’; - APP’ : azimute da direção PP’; Para obtenção do azimute é necessário análise de quadrante. Na aplicação das fórmulas considera-se a latitude (φ) negativa no Hemisfério Sul e a longitude (λ) negativa a oeste de Greenwich. 24 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – EXEMPLO DO PROBLEMA INDIRETO (INVERSO) Utilizou-se a planilha de cálculo do professor Eno D. Saatkamp do Setor de Geodésia – UFSM para obter o azimute da direção e a distância geodésica entre dois pontos. Dados coordenadas geodésicas de dois pontos: Ponto 1 (ESTAÇÃO): - φ:25° 26' 55,05943" S - λ :49° 13' 52,30662" W Ponto 2 (PONTO RÉ) : - φ’ : 25º26’54,1269’’ S - λ’ : 49º13’51,4372’’W Deseja-se calcular: - s : distância entre P e P’; - APP’ : azimute da direção PP’; 25 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – EXEMPLO DO PROBLEMA INDIRETO (INVERSO P1 P2 Azimutes geodésicos e distância geodésicas 26 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – EXEMPLO DO PROBLEMA DIRETO Utilizou-se o programa TranspGeod – Professor Henrique Firkowski –UFPR para realizar o transporte de coordendas (Problema Direto). Dada as coordenadas no Sistema de Referência Sirgas 2000, azimute e distância geodésica entre os pontos, calcular as coordenadas dos pontos 2: - φ:25° 26' 55,05943" S - λ :49° 13' 52,30662" W - s :37.599 m - APP’: (40° ) (14' ) (40.3768 " ) Abra o programa e adote o sistema de referência o qual deseja determinar as coordenadas 27 1.3 TRANSPORTE DE COORDENADAS GEODÉSICAS – EXEMPLO Utilizou-se o programa TranspGeod – Professor Henrique Firkowski –UFPR para realizar o transporte de coordendas (Problema Direto). Saída : Coordenadas Geodésicas do Ponto 2.Digite os dados de entrada e clique em CALCULA PD 28 2. CÁLCULO DO TRIÂNGULO GEODÉSICO Para que seja possível realizar cálculos de triângulos geodésicos é necessário desenvolver um dos problemas básicos da geodésia. Esse refere-se a redução dos ângulos medidos na superfície física da Terra (horizontais) ao elipsóide de referência. Os princípios fundamentais para as reduções de ângulos e de relacionamento entre triângulos planos e geodésicos são expressos pelo Teorema de Legendre. 29 2.1 TEOREMA DE LEGENDRE Seja um triângulo esférico ABC, de área S e lados α, β, γ cujos comprimentos em relação ao raio da esfera a qual pertence o triângulo são pequenos. Seja também um triângulo plano A', B', C', de área S', e cujos lados são do mesmo comprimento dos correspondentes do triângulo ABC. Legendre estabeleceu que, sendo α, β, γ os comprimentos dos lados de um triângulo geodésico ABC no elipsoide e o triângulo plano A'B'C' com lados de mesmo comprimento, ambos tem a mesma área. Triângulo Esférico 30 2.1 TEOREMA DE LEGENDRE Os ângulos dos triângulos esféricos ABC são iguais aos correspondentes ângulos do triângulo plano A'B'C'(acrescidos de 1/3 do excesso esférico (ε). Então : 31 2.2 EXCESSO ESFÉRICO Excesso esférico mede o quanto o triângulo esférico se distancia do triângulo plano, sendo que quanto mais curvo, maior é o excesso esférico. Em um triângulo geodésico, a soma dos ângulos internos situa-se no intervalo entre 180° a 540°; sendo que a quantidade que ultrapassa 180° chama-se excesso esférico do triângulo. 32 2.2 EXCESSO ESFÉRICO O excesso esférico é obtido através das seguintes fórmulas: Onde: R é o valor médio dor raios de curvatura das seções normais passantes pelo ponto. 33 2.3 CÁLCULO DE UM TRIÂNGULO GEODÉSICO DE LADOS CURTOS Quando se trabalha com triângulo geodésico de lados curtos pode adotar a seguinte afirmação: Sejam A,B,C os ângulos de um triângulo geodésico e A',B',C' os ângulos do triângulo plano.Estes dois conjuntos são entendidos como não afetados por erros de medidas. Na prática, isto não acontece, uma vez que os ângulos observados são afetados por erros. Assim, a diferença, não corresponde somente ao excesso esférico (ε), mas a soma deste com os erros (W) de observação. Então: onde: ε é o excesso esférico; W é o erro de fechamento. 34 Os ângulos planos correspondentes são dados por: O excesso esférico de um triângulo esférico (um triângulo geodésico pode ser considerado esférico se os lados não excederem 80 km e o raio esférico local igual a (MN)1/2) é definido como: 2.3 CÁLCULO DE UM TRIÂNGULO GEODÉSICO DE LADOS CURTOS 35 De acordo com o Teorema de Legendre: e também em vista de aproximação esférica: Portanto: Manipulando as equações: 2.3 CÁLCULO DE UM TRIÂNGULO GEODÉSICO DE LADOS CURTOS 36 2.1 TEOREMA DE LEGENDRE De acordo com o Teorema de Legendre: e também em vista de aproximação esférica: Portanto: Manipulando as equações: 37 2.4 EXEMPLO DE CÁLCULO DO TRIÂNGULO GEODÉSICO Os triângulos geodésicos são triângulos esféricos cuja soma dos ângulos internos excedem 180°. São triângulos cujos lados são arcos situados na superfície do geóide. Para a resolução do triângulo geodésico utiliza-se o teorema de Legendre que transforma o triângulo esférico num triângulo plano. Para a solução do triângulo geodésico, devem ser conhecidos os três ângulos medidos em campo, um lado e a latitude média dos vértices. 38 2.4 EXEMPLO DE CÁLCULO DO TRIÂNGULO GEODÉSICO Programa disponível na : http://www.amiranet.com.br/downloads/index/page:1 Programa : 15 - Cálculo do triângulo geodésico DADOS: DAC: 30423,00 Latitude Média: 26⁰ 19’ 38.951’’ http://www.amiranet.com.br/downloads/index/page:1 http://www.amiranet.com.br/download/15-calculo-do-triangulo-geodesico-21 39 2.4 EXEMPLO DE CÁLCULO DO TRIÂNGULO GEODÉSICO Dados de Entrada Distância entre o ponto A e C Latitude Média dos pontos Ângulos de um triângulo esférico medidos D a d o s d e S a íd a Excesso Esférico Erro de observação (W) Ângulos do triângulo plano compensados Distância entre os pontos 40 3. DETERMINAÇÃO ALTIMÉTRICAS DE PRECISÃO A altimetria de precisão refere-se a determinação da altitude utilizada na geodésia. Segundo Pereira (2009), adaptado de Gemael (1999), a altitude, propriedade de um ponto, pode ser compreendida como a distância, contada ao longo de uma linha, usualmente linha de campo da gravidade real ou normal desde uma determinada superfície de referência até o ponto. 41 3. DETERMINAÇÃO ALTIMÉTRICAS DE PRECISÃO As superfícies adotadas como referência: o elipsóide de revolução e o Geóide. Segundo Zanetti (2007), na Geodésia trabalha-se com três superfícies de referência: - a superfície física da Terra onde são realizadas as operações geodésicas; - a superfície do modelo geométrico, ou superfície de referência(elipsóide de revolução),onde são efetuados os cálculos; - o Geóide, que é o geope que mais se aproxima do “nível médio dos mares”. 42 3.1 ALTITUDE ORTOMÉTRICA E ELIPSOIDAL As altitudes mais comuns utilizadas na geodésia são: Altitude Ortométrica (H) e a Altitude Elispoidal (h) Fonte: Zanetti (2007) 43 3.1 ALTITUDE ORTOMÉTRICA E ELIPSOIDAL Altitude ortométrica (H) : é a distância contada sobre a vertical, desse ponto ao Geóide e pode ser obtida por nivelamento geométrico associado a gravimetria. Fonte: Zanetti (2007) Altitude elipsoidal ou geométrica h: é a distância de um ponto na superfície terrestre ao elipsóide, contada sobre a normal. Sua determinação usual é obtida com o uso de receptores do sistema de posicionamento global (GPS). 44 3.2 ONDULAÇÃO GEOIDAL A separação entre o Geóide e o Elipsóide contada pela normal é denominada de ondulação geoidal (Ng), isso é a diferença entre a altitude ortométrica e a elipsoidal, para sua determinação tem-se a seguinte aproximação: Fonte: Zanetti (2007) N=Ng 45 3.2 ONDULAÇÃO GEOIDAL Segundo IBGE (2012), com o uso cada vez maior do GPS para o posicionamento principalmente na obtenção de altitudes, agregado às novas informações geodésicas e modelos disponíveis recentemente, identificou-se a necessidade de atualização do modelo de ondulações geoidais, possibilitando aos usuários de GPS converter as altitudes geométricas (referidas ao elipsóide) em ortométricas (referidas ao nível médio do mar) com uma melhor confiabilidade. 46 3.2 ONDULAÇÃO GEOIDAL É com este objetivo que o MAPGEO2010, assim como os modelos anteriores (MAPGEO92 , MAPGEO2004), foi concebido e produzido conjuntamente pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), através da Coordenação de Geodésia (CGED), e pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – EPUSP. O modelo MAPGEO2010 foi calculado com uma resolução de 5’ de arco, e o Sistema de Interterpolação de Ondulações Geoidais foi atualizado. Através deste sistema, os usuários podem obter a ondulação geoidal em um ponto ou conjunto de pontos, cujas coordenadas refiram-se tanto a SIRGAS2000 quanto a SAD69. 47 3.2 ONDULAÇÃO GEOIDAL Para converter a altitude elipsoidal (h), obtida através de GPS, em altitude ortométrica (H), utiliza-se a equação: onde: ❖ Ng é a altura (ou ondulação) geoidal fornecida pelo programa, dentro da convenção que considera o geóide acima do elipsóide se a altura geoidal tiver valor positivo e abaixo em caso contrário. ❖ H altitude ortométrica. ❖ h altitude elipsoidal. 48 3.2 ONDULAÇÃO GEOIDAL - EXEMPLO Para obter a ondulação geoidal de um ponto com o MAPGEO2010 é necessário saber as coordenadas geodésicas do ponto. DADOS DE ENTRADA DADOS DE SAÍDA 49 3.3 REDE ALTIMÉTRICA BRASILEIRA Para que seja possível determinar a altitude ortométrica de pontos na superfície terrestre é necessário empregar método de nivelamento e partir de pontos denominados de RN (Referência de Nível). As RRNN (plural de RN) são marcas características de metal (latão ou bronze) cravadas nos pilares erguidos nos extremos das seções e pontos notáveis dos percursos de linhas geodésicas. Elas são cravadas em obras de artes, monumentos, estações ferroviárias, etc. ou em pilares de concreto para nivelamento. 50 3.3 REDE ALTIMÉTRICA BRASILEIRA É possível obter as informações sobre as RRNN do IBGE através do site da instituição. Deve-se conhecer o nome da RN e sua posição para a localização no mapa disponível na internet, sendo que as informações foram organizadas com base nas folhas da Carta Internacional do Mundo ao Milionésimo. Informações obtidas no site do IBGE da RN 2053-D 51 3.3 REDE ALTIMÉTRICA BRASILEIRA As RRNN fazem parte de uma rede denominada de Rede Altimétrica de Alta Precisão (RAAP) do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB). Em 13 de Outubro de 1945, a Seção de Nivelamento (SNi) iniciou os trabalhos de Nivelamento Geométrico de Alta Precisão, dando partida ao estabelecimento da Rede Altimétrica do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB). Efetuaram operação de nivelamento geométrico, um procedimento de campo demorado e delicado, em virtude da precisão com que devem ser determinadas as altitudes e estabelecer a RAAP. Atualmente, grande parte das altitudes da RAAP refere-se ao Datum de Imbituba, isto é, ao nível médio do mar no Porto de Imbituba (SC) entre 1949 e 1957. A pequena porção da RAAP existente no Amapá não pôde ser conectada ao Datum de Imbituba, levando à utilização do nível médio no Porto de Santana entre 1957 e 1958. 52 3.3 REDE ALTIMÉTRICA BRASILEIRA Rede Altimétrica de Alta Precisão (RAAP) do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB). 53 3.3 REDE ALTIMÉTRICA BRASILEIRA Para transportar as altitudes sucessivamente de um ponto a outro, emprega-se métodos de nivelamento. O método mais preciso para essa determinação é o Nivelamento Geométrico. Esse método realiza a medida da diferença de nível entre pontos do terreno por intermédio de leituras correspondentes a visadas horizontais, obtidas com um nível de precisão em miras colocadas verticalmente nos referidos pontos. Pouco difere do realizado em Topografia, apenas o instrumental é mais aperfeiçoado e são tomados cuidados especiais levando em conta correções que o topógrafo não considera. Fonte: Zanetti (2007)
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