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1 NOÇÕES DE TOPOGRAFIA 1 Sumário NOSSA HISTÓRIA ...................................................................................................... 3 História da Topografia ................................................................................................. 4 Definições e divisões................................................................................................... 5 Erro de esfericidade .................................................................................................... 8 Principais trabalhos e áreas que explora .................................................................... 9 Topografia como uma representação geométrica ..................................................... 10 Ponto ..................................................................................................................... 11 Alinhamento ou linha ............................................................................................. 11 Polígonos ............................................................................................................... 11 SISTEMAS DE COORDENADAS ............................................................................. 12 Sistemas De Coordenadas Cartesianas ................................................................... 12 Sistemas De Coordenadas Esféricas ........................................................................ 14 SUPERFÍCIES DE REFERÊNCIA ............................................................................ 15 Modelo esférico ..................................................................................................... 15 Modelo Elipsoidal ...................................................................................................... 16 Modelo Geoidal ......................................................................................................... 17 Modelo Plano ............................................................................................................ 18 CLASSIFICAÇÃO DOS ERROS DE OBSERVAÇÃO ............................................... 21 Erros Grosseiros .................................................................................................... 21 Erros Sistemáticos ................................................................................................. 22 Erros Acidentais Ou Aleatórios .............................................................................. 22 Peculiaridade Dos Erros Acidentais ...................................................................... 22 Precisão E Acurácia .................................................................................................. 23 MATEMÁTICA BÁSICA APLICADA .......................................................................... 24 Geometria plana .................................................................................................... 24 Triângulos .............................................................................................................. 24 Circunferência e Círculo ........................................................................................ 25 2 Polígonos com 4 lados .......................................................................................... 25 Trigonometria ........................................................................................................ 26 EQUIPAMENTOS TOPOGRÁFICOS E SUAS APLICAÇÕES .................................. 31 Estação total ............................................................................................................. 31 CONCEITO DE ALTIMETRIA ................................................................................... 34 Representação do relevo .......................................................................................... 34 Pontos cotados ......................................................................................................... 34 Curvas de nível ......................................................................................................... 35 Perfil .......................................................................................................................... 36 Seção transversal ..................................................................................................... 36 Modelagem numérica do terreno .............................................................................. 37 Vetorização altimétrica .............................................................................................. 37 Graduação colorimétrica altimétrica .......................................................................... 38 Distâncias verticais ................................................................................................... 38 Cota ou cota relativa ................................................................................................. 38 Altitude ou cota absoluta ........................................................................................... 39 Marégrafo ou Mareógrafo .......................................................................................... 40 Diferença de Nível ..................................................................................................... 41 Nivelamento topográfico............................................................................................ 42 Instrumentos utilizados no nivelamento topográfico .................................................. 42 Métodos de nivelamentos topográficos ..................................................................... 43 Barométrico ........................................................................................................... 43 Por satélites ........................................................................................................... 43 Trigonométrico ....................................................................................................... 44 Nivelamento Geométrico ....................................................................................... 44 Nível de mangueira ou vasos comunicantes ......................................................... 44 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 45 3 NOSSA HISTÓRIA A nossa história inicia com a realização do sonho de um grupo de empresários, em atender à crescente demanda de alunos para cursos de Graduação e Pós-Graduação. Com isso foi criado a nossa instituição, como entidade oferecendo serviços educacionais em nível superior. A instituição tem por objetivo formar diplomados nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação contínua. Além de promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicação ou outras normas de comunicação. A nossa missão é oferecer qualidade em conhecimento e cultura de forma confiável e eficiente para que o aluno tenha oportunidade de construir uma base profissional e ética. Dessa forma, conquistando o espaço de uma das instituições modelo no país na oferta de cursos, primando sempre pela inovação tecnológica, excelência no atendimento e valor do serviço oferecido. 4 História da Topografia O homem passou por diversos processos evolutivos de sobrevivência durante a história, desde suas formas primárias até as configurações atuais de sociedade. Os primeiros povos da pré-história eram os nômades que não possuíam residência fixa e sobreviviam da caça, pesca e extração vegetal. Com o passar do tempo, houve a necessidade doser humano mudar os hábitos de sobrevivência, pois os alimentos, que até então somente explorava, estavam ficando escassos, passando a ter sua residência fixa e tornando-se uma espécie sedentária. Aprendeu a cultivar seu próprio alimento e criar animais, surgindo então, a agricultura e pecuária, consequentemente, formando sociedades mais complexas, como vilas e cidades. Após a criação de uma sociedade mais organizada, o ser humano necessitou especializar- se e demarcar seus domínios para uso em suas atividades agrícolas e moradias. A partir daí, o homem passou a usar a Topografia, sem mesmo saber que a havia descoberto. Para as atividades de demarcações de terras para plantios e construção de residências eram necessários alguns instrumentos que auxiliassem nesse trabalho, daí o surgimento dos primeiros instrumentos topográficos, embora que rudimentares. Os primeiros povos a criarem e utilizarem os instrumentos topográficos foram os egípcios e mesopotâmicos, depois chineses, hebreus, gregos e romanos. Não se sabe exatamente o ano em que começou, mas acredita-se que a Topografia já era usada antes de 3200 a.c. tendo sido empregada no antigo império egípcio Os instrumentos, nessa época, eram bastantes rudimentares e tinham baixa exatidão e precisão em se comparando com os instrumentos atuais, porém considerando-se sua época esses povos chegavam a resultados espantosos. Os egípcios, como exemplo, ao fazerem a construção da pirâmide de Quéops, que durou 30 anos para ser erguida, a construíram com as medidas de 230,25 m, 230,45 m, 230,39 m e 230,35 m, respectivamente, paras as suas bases norte, sul, leste e oeste. Eles erraram apenas 20 centímetros entres as bases (Figura 1). 5 Figura 1 – Medições das bases da pirâmide de Quéops e sua orientação. Em se tratando de ângulos, o erro correspondente aos 4 ângulos da base da pirâmide é de apenas 6´35’’. Outra consideração importante é que as quatro arestas da pirâmide de Quéops apontam para os pontos colaterais NE, SE, SO, e NO, incluindo também as outras pirâmides de Gizé. Com o passar das gerações e do tempo, os instrumentos e métodos evoluíram tecnicamente e eletronicamente, tornando as interfaces e seus manejos mais amigáveis, dispondo de mais recursos para o operador, controlando mais o erro e, consequentemente, dando resultados com maiores exatidões e precisões. Definições e divisões A palavra Topografia é originada do idioma grego Topos Graphen. Após a tradução para a língua portuguesa têm-se Topos significando lugar ou região e Graphen equivalente a descrição, ou seja, descrição de um lugar. Atualmente existem diversas definições sobre o significado da Topografia. Véras Júnior (2003) define como a ciência que tem por objetivo conhecer, descrever e representar graficamente sobre uma superfície plana, partes da superfície terrestre, desconsiderando a curvatura do planeta Terra. Doubek (1989) afirma que a Topografia tem por objetivo o estudo dos instrumentos e métodos utilizados para obter a representação gráfica de uma porção do terreno sobre uma superfície plana. Espartel (1987) por sua vez diz que a Topografia tem por finalidade determinar o contorno, dimensão e posição relativa de uma porção limitada da superfície terrestre, sem levar em conta a curvatura resultante da esfericidade terrestre. Analisando essas definições, podemos entender que a Topografia é uma ciência que estuda, projeta, representa, mensura e executa uma parte limitada da superfície terrestre não levando em conta a curvatura da Terra, até onde o erro de esfericidade poderá ser 6 desprezível, e considerando os perímetros, dimensões, localização geográfica e posição (orientação) e objetos de interesse que estejam dentro desta porção. A Geodésia, ciência que estuda a Terra como um todo ou parcialmente, é dividida em três ramos: Geodésia Física, Geodésia Geométrica e Geodésia por satélites. A Topografia é um ramo da Geodésia Geométrica, sendo que essas duas ciências estudam, em muitas vezes, os mesmos métodos, utilizando os mesmos instrumentos para determinar porções da superfície terrestre. Entretanto, a Topografia estuda apenas uma porção limitada da superfície terrestre, enquanto que a Geodésia admite uma maior dimensão estudando porções maiores que à limitada para a Topografia, ou seja, até mesmo a toda a Terra. É importante salientar que, quando deixamos de desconsiderar a curvatura da Terra, não trabalhamos mais com os planos topográficos (dimensões planimétricas, altimétricas, posição, orientação e coordenadas locais), significando que não estamos mais trabalhando coma Topografia. O uso de GNSS (GPS, GLONASS, etc) e DATUNS geodésicos evidenciam a utilização da Geodésia, confundida por muitos autores. O limite geométrico da porção que delimita a Topografia com a Geodésia varia de autor para autor, em função do erro admissível e se é economicamente viável para a Topografia. Então, se é possível utilizar o plano topográfico sem gerar erros consideráveis estamos usando a Topografia, onde essa porção é limitada por um plano de raio com 20 km. A Topografia é dividida em dois ramos: Topologia e Topometria. A Topologia é definida por Véras Júnior (2003) como a parte da Topografia que se preocupa com as formas exteriores da superfície da Terra e as leis que regem o seu modelado. Já a Topometria é um ramo da Topografia que tem como objetivo as medições de elementos característicos de uma determinada área. Esse ramo divide-se em: Planimetria, Altimetria e Planialtimetria (Figura 2). Figura 2 – Divisão e subdivisões da Topografia. 7 A Planimetria é a parte da Topografia que estuda o terreno levando em consideração somente dimensões e coordenadas planimétricas. Nesse caso não se tem ideia do relevo do terreno em questão, estudando-se apenas suas distâncias e ângulos horizontais, localização geográfica e posição (orientação). A Altimetria é a parte da Topografia que estuda o terreno levando em consideração somente dimensões e coordenadas altimétricas. Nesse caso se tem ideia do relevo do terreno em questão, estudando-se apenas suas distâncias e ângulos verticais. A Planialtimetria é a parte da Topografia que estuda o terreno levando em consideração as dimensões e coordenadas planimétricas e altimétricas. Nesse caso se tem ideia do relevo do terreno em questão, estudando-se suas distâncias horizontais e verticais, ângulos horizontais e verticais, localização geográfica e posição (orientação). A Figura 3 abaixo demonstra uma pirâmide sendo representada planimetricamente, altimetricamente e planialtimetricamente. Figura 3 – Pirâmide no espaço (A) sendo representada planimétrica (B), altimétrica (C) e planialtimétricamente (D). 8 Erro de esfericidade Os trabalhos topográficos como levantamentos e locações são realizados sobre a superfície curva da Terra, porém os dados coletados são projetados sobre uma superfície plana, o plano topográfico. Por causa disso, ocorre um erro chamado de erro de esfericidade (Figura 4). Figura 4 – Representação da distância horizontal (plano topográfico) e da distância curva (superfície da Terra). Na Topografia, o profissional, deve avaliar, qual deve ser o limite da área a ser trabalhada para avaliar a desconsideração do erro, pois quanto mais distante da origem do plano topográfico, maior será esse erro. Abaixo segue a tabela 1 com os valores das coordenadas geográficas, distância na superfície terrestre, também chamada de distância curva (DC), distância horizontal no plano topográfico (DH) e o erro correspondente à diferença entre DC e DH (Tabela 1). Porém, é sabido, que o fator econômico pesa na hora da escolha em utilizar a Topografia ou Geodésia, então deve ser algo a se considerar. Tabela 1 – Distância da curvatura da Terra, distância horizontal e erro de esfericidade para 1º e 1’ dascoordenadas geográficas. 9 Principais trabalhos e áreas que explora O objetivo principal da Topografia é a representação planialtimétrica de uma determinada superfície terrestre, em escala adequada, seguindo as normas locais, regionais ou nacionais. Os principais trabalhos da Topografia são o levantamento topográfico e a locação topográfica. O levantamento topográfico, de uma forma geral, consiste em recolher todos os dados e características importantes que há no terreno numa determinada área, para posterior representação fiel através de desenho em papel ou ambiente gráfico, em escala adequada e com orientação, todos detalhes naturais e artificiais que foram levantados (Figura 5). Figura 5- Representação do levantamento topográfico de dois imóveis. A locação topográfica é o processo inverso ao levantamento topográfico. Também se divide em planimétrica, altimétrica e planialtimétrica. Antes de toda locação topográfica deve ser realizado um levantamento topográfico. Após o levantamento topográfico, o topógrafo ou engenheiro irá ao escritório realizar o projeto, criando as mudanças futuras necessárias no terreno, para a implantação de obras na área. É importante salientar que todos os dados e valores característicos importantes do projeto deverão ser implantados fielmente no terreno de acordo com a escala utilizada. A locação topográfica é mais cara e trabalhosa em relação ao levantamento topográfico (Figura 6). Figura 6- Representação da planta de dois imóveis levantados anteriormente, alterados e depois locado de acordo com seu projeto. 10 Como exemplo, temos na Figura 6 uma planta com dois imóveis levantados anteriormente (Figura 5). A partir do projeto ocorreu a locação topográfica do papel para o campo, sendo implementadas no terreno as dimensões de uma casa. Poderiam também derrubar ou inserir novas casas, postes, piscinas, ou seja, uma infinidade de coisas que poderiam ser alteradas no papel e executadas no terreno. Após a realização do trabalho de levantamento topográfico e/ou locação topográfica deve-se anexar ao projeto/trabalho o memorial descritivo. Memorial descritivo é um documento anexo ao trabalho que informa todas as características de uma propriedade ou área. Esse memorial indica os principais marcos, coordenadas, estradas principais que limitam a propriedade, etc. É utilizado para descrever, em forma de texto, a poligonal que limita a propriedade de uma maneira que se entenda e compreenda suas características e o que foi realizado, sem a necessidade de se verificar graficamente ou em tabelas. A Topografia pode ser utilizada em diversas áreas, como exemplo, desde a Agronomia, Cartografia, Engenharia Agrícola, Engenharia de Agrimensura, Engenharia Ambiental, Engenharia Civil, Engenharia Florestal, Engenharia Mecânica, Zootecnia, Engenharia de Pesca e até mesmo na Medicina. Neste último caso é a representação do corpo humano, de seus órgãos ou partes destes, através de imagens, não sendo o seu detalhamento objetivo deste livro. Topografia como uma representação geométrica A Topografia baseia-se em Geometria aplicada, onde imaginamse figuras geométricas regulares ou irregulares geoespacializadas. Quando um levantamento topográfico é realizado, coletam-se todos os dados e características do terreno em forma de figuras geométricas com suas dimensões, perímetros e posições (orientações) e localizações geográficas. As figuras geométricas básicas são compostas de ponto, linha e polígono (Figura 7). 11 Figura 7 – Ponto topográfico, alinhamento topográfico e poligonal Ponto O ponto é a menor unidade numa figura geométrica. Em Topografia são representados pelos pontos topográficos. Os pontos topográficos em um levantamento topográfico ou locação topográfica podem ser materializados por piquete, estaca, prego, parafuso ou tinta. Alinhamento ou linha A linha é uma figura geométrica formada pela união de vários pontos numa mesma reta. Em Topografia, essa linha formadora dos lados de uma poligonal é chamada de alinhamento topográfico. Esse alinhamento topográfico é formado por dois pontos topográficos. Em um triângulo com vértices A, B e C, temos três alinhamentos numa mesma direção (AB, BC, e CA), e podemos ter mais três em outra direção (AC, CB e BA). Em um retângulo, temos quatro alinhamentos em cada direção, e assim, por diante. A união de dois ou mais alinhamentos formam as poligonais. Dois alinhamentos poderão formar uma poligonal aberta. Três em diante, poderão formar poligonais abertas ou fechadas (planos). Polígonos Polígonos são usados para definir tanto as poligonais topográficas quanto as do terreno ou da propriedade. As primeiras são construídas como meio auxiliar para se obter as segundas. As poligonais topográficas podem ser abertas ou fechadas, podendo aparecer conjuntamente num mesmo levantamento topográfico. As fechadas sempre possibilitam os cálculos dos erros angular e linear. As lineares também podem possibilitar os cálculos de tais erros, porém são necessários os valores das coordenadas dos pontos inicial e final deste tipo de poligonal. 12 SISTEMAS DE COORDENADAS Um dos principais objetivos da Topografia é a determinação de coordenadas relativas de pontos. Para tanto, é necessário que estas sejam expressas em um sistema de coordenadas. São utilizados basicamente dois tipos de sistemas para definição unívoca da posição tridimensional de pontos: sistemas de coordenadas cartesianas e sistemas de coordenadas esféricas. Sistemas De Coordenadas Cartesianas Quando se posiciona um ponto nada mais está se fazendo do que atribuindo coordenadas ao mesmo. Estas coordenadas por sua vez deverão estar referenciadas a um sistema de coordenadas. Existem diversos sistemas de coordenadas, alguns amplamente empregados em disciplinas como geometria e trigonometria, por exemplo. Estes sistemas normalmente representam um ponto no espaço bidimensional ou tridimensional. No espaço bidimensional, um sistema bastante utilizado é o sistema de coordenadas retangulares ou cartesiano. Este é um sistema de eixos ortogonais no plano, constituído de duas retas orientadas X e Y, perpendiculares entre si (figura 8). A origem deste sistema é o cruzamento dos eixos X e Y. Figura 8 - Sistema de coordenadas cartesianas. Um ponto é definido neste sistema através de uma coordenada denominada abscissa (coordenada X) e outra denominada ordenada (coordenada Y). Um dos símbolos P(x,y) ou P=(x,y) são utilizados para denominar um ponto P com abscissa x e ordenada y. Na figura 9 13 é apresentado um sistema de coordenadas, cujas coordenadas da origem são O (0,0). Nele estão representados os pontos A(10,10), B(15,25) e C(20,-15). Figura 9 - Representação de pontos no sistema de coordenadas cartesianas. Um sistema de coordenadas cartesianas retangulares no espaço tridimensional é caracterizado por um conjunto de três retas (X, Y, Z) denominadas de eixos coordenados, mutuamente perpendiculares, as quais se interceptam em um único ponto, denominado de origem. A posição de um ponto neste sistema de coordenadas é definida pelas coordenadas cartesianas retangulares (x,y,z) de acordo com a figura 10. Figura 10 – Sistema de coordenadas cartesianas, dextrógiro e levógiro. 14 Conforme a posição da direção positiva dos eixos, um sistema de coordenadas cartesianas pode ser dextrógiro ou levógiro (GEMAEL, 1981, não paginado). Um sistema dextrógiro é aquele onde um observador situado no semi-eixo OZ vê o semi-eixo OX coincidir com o semi-eixo OY através de um giro de 90° no sentido anti-horário. Um sistema levógiro é aquele em que o semi-eixo OX coincide com o semi-eixo OY através de um giro de 90° no sentido horário (figura 10). Sistemas De Coordenadas Esféricas Um ponto do espaço tridimensional pode ser determinado de formaunívoca, conforme a figura 11, pelo afastamento r entre a origem do sistema e o ponto R considerado, pelo ângulo β formado entre o segmento OR e a projeção ortogonal deste sobre o plano xy e pelo ângulo α que a projeção do segmento OR sobre o plano xy forma com o semi-eixo OX. As coordenadas esféricas de um ponto R são dadas por (r, α, β). A figura 11 ilustra este sistema de coordenadas. Supõe-se o sistema de coordenadas esféricas sobreposto a um sistema de coordenadas cartesianas (TORGE, 1980, p.16). Assim, o ponto R, determinado pelo terno cartesiano (x, y, z) pode ser expresso pelas coordenadas esféricas (r, α, β), sendo o relacionamento entre os dois sistemas obtido pelo vetor posicional: Figura 11 – Sistema de coordenadas esféricas. 15 SUPERFÍCIES DE REFERÊNCIA Devido às irregularidades da superfície terrestre, utilizam-se modelos para a sua representação, mais simples, regulares e geométricos e que mais se aproximam da forma real para efetuar os cálculos. Cada um destes modelos tem a sua aplicação, e quanto mais complexa a figura empregada para a representação da Terra, mais complexos serão os cálculos sobre esta superfície. Modelo esférico Em diversas aplicações a Terra pode ser considerada uma esfera, como no caso da Astronomia. Um ponto pode ser localizado sobre esta esfera através de sua latitude e longitude. Tratando-se de Astronomia, estas coordenadas são denominadas de latitude e longitude astronômicas. A figura 12 ilustra estas coordenadas. Latitude Astronômica (Φ): é o arco de meridiano contado desde o equador até o ponto considerado, sendo, por convenção, positiva no hemisfério Norte e negativa no hemisfério Sul. Longitude Astronômica (Λ): é o arco de equador contado desde o meridiano de origem (Greenwich) até o meridiano do ponto considerado. Por convenção a longitude varia de 0º a +180º no sentido leste de Greenwich e de 0º a -180º por oeste de Greenwich. Figura 12 – Terra esférica - coordenadas astronômicas. 16 Modelo Elipsoidal A Geodésia adota como modelo o elipsóide de revolução (figura 13). O elipsóide de revolução ou biaxial é a figura geométrica gerada pela rotação de uma semi-elipse (geratriz) em torno de um de seus eixos (eixo de revolução); se este eixo for o menor tem-se um elipsóide achatado. Mais de 70 diferentes elipsóides de revolução são utilizados em trabalhos de Geodésia no mundo. Um elipsóide de revolução fica definido por meio de dois parâmetros, os semi-eixos a (maior) e b (menor). Em Geodésia é tradicional considerar como parâmetros o semi-eixo maior a e o achatamento f, expresso pela equação (1.2). a: semi-eixo maior da elipse b: semi-eixo menor da elipse Figura 13 - Elipsóide de revolução. As coordenadas geodésicas elipsóidicas de um ponto sobre o elipsóide ficam assim definidas (figura 14): Latitude Geodésica ( φ ): ângulo que a normal forma com sua projeção no plano do equador, sendo positiva para o Norte e negativa para o Sul. Longitude Geodésica ( λ ): ângulo diedro formado pelo meridiano geodésico de Greenwich (origem) e do ponto P, sendo positivo para Leste e negativo para Oeste. A normal é uma reta ortogonal ao elipsóide que passa pelo ponto P na superfície física. 17 Figura 14 - Coordenadas Elipsóidicas. No Brasil, o atual Sistema Geodésico Brasileiro (SIRGAS2000 - SIstema de Referência Geocêntrico para as AméricaS) adota o elipsóide de revolução GRS80 (Global Reference System 1980), cujos semi-eixo maior e achatamento são: a = 6.378.137,000 m f = 1/298,257222101 Modelo Geoidal O modelo geoidal é o que mais se aproxima da forma da Terra. É definido teoricamente como sendo o nível médio dos mares em repouso, prolongado através dos continentes. Não é uma superfície regular e é de difícil tratamento matemático. Na figura 15 são representados de forma esquemática a superfície física da Terra, o elipsóide e o geóide. Figura 15 - Superfície física da Terra, elipsóide e geóide. O geóide é uma superfície equipotencial do campo da gravidade ou superfície de nível, sendo utilizado como referência para as altitudes ortométricas (distância contada sobre a 18 vertical, do geóide até a superfície física) no ponto considerado. As linhas de força ou linhas verticais (em inglês “plumb line”) são perpendiculares a essas superfícies equipotenciais e materializadas, por exemplo, pelo fio de prumo de um teodolito nivelado, no ponto considerado. A reta tangente à linha de força em um ponto (em inglês “direction of plumb line”) simboliza a direção do vetor gravidade neste ponto, e também é chamada de vertical. A figura 16 ilustra este conceito. Figura 16 - Vertical. Modelo Plano Considera a porção da Terra em estudo com sendo plana. É a simplificação utilizada pela Topografia. Esta aproximação é válida dentro de certos limites e facilita bastante os cálculos topográficos. Face aos erros decorrentes destas simplificações, este plano tem suas dimensões limitadas. Tem-se adotado como limite para este plano na prática a dimensão de 20 a 30 km. A NRB 13133 (Execução de Levantamento Topográfico) admite um plano com até aproximadamente 80 km. Segundo a NBR 13133, as características do sistema de projeção utilizado em Topografia são: as projetantes são ortogonais à superfície de projeção, significando estar o centro de projeção localizado no infinito. 19 a superfície de projeção é um plano normal a vertical do lugar no ponto da superfície terrestre considerado como origem do levantamento, sendo seu referencial altimetrico o referido datum vertical brasileiro. as deformações máximas inerentes à desconsideração da curvatura terrestre e a refração atmosférica têm as seguintes aproximadas: Δl (mm) = - 0,001 l3 (km) Δh (mm) = +78,1 l2 (km) Δh´(mm) = +67 l2 (km) o plano de projeção tem a sua dimensão máxima limitada a 80 km, a partir da origem, de maneira que o erro relativo, decorrente da desconsideração da curvatura terrestre, não ultrapasse 1:35000 nesta dimensão e 1:15000 nas imediações da extremidade desta dimensão. a localização planimétrica dos pontos, medidos no terreno e projetados no plano de projeção, se dá por intermédio de um sistema de coordenadas cartesianas, cuja origem coincide com a do levantamento topográfico; o eixo das ordenadas é a referência azimutal, que, dependendo das particularidades do levantamento, pode estar orientado para o norte geográfico, para o norte magnético ou para uma direção notável do terreno, julgada como importante. Uma vez que a Topografia busca representar um conjunto de pontos no plano é necessário estabelecer um sistema de coordenadas cartesianas para a representação dos mesmos. Este sistema pode ser caracterizado da seguinte forma: Eixo Z: materializado pela vertical do lugar (linha materializada pelo fio de prumo); Eixo Y: definido pela meridiana (linha norte-sul magnética ou verdadeira); Eixo X: sistema dextrógiro (formando 90º na direção leste). 20 A figura 17 ilustra este plano. Figura 17 - Plano em Topografia. Em alguns casos, o eixo Y pode ser definido por uma direção notável do terreno, como o alinhamento de uma rua, por exemplo (figura 18). Figura 18 - Eixos definidos por uma direção notável. 21 CLASSIFICAÇÃO DOS ERROS DE OBSERVAÇÃO Para representar a superfície da Terra são efetuadas medidas de grandezas como direções, distâncias e desníveis. Estas observações inevitavelmente estarão afetadas por erros. As fontes de erro poderão ser: • Condições ambientais: causados pelas variações das condições ambientais, como vento, temperatura, etc. Exemplo: variação do comprimento de uma trena com a variação da temperatura. • Instrumentais: causados por problemas como a imperfeição na construção de equipamento ou ajuste do mesmo. Amaior parte dos erros instrumentais pode ser reduzida adotando técnicas de verificação/retificação, calibração e classificação, além de técnicas particulares de observação. • Pessoais: causados por falhas humanas, como falta de atenção ao executar uma medição, cansaço, etc. Os erros, causados por estes três elementos apresentados anteriormente, poderão ser classificados em: • Erros grosseiros • Erros sistemáticos • Erros aleatórios Erros Grosseiros Causados por engano na medição, leitura errada nos instrumentos, identificação de alvo, etc., normalmente relacionados com a desatenção do observador ou uma falha no equipamento. Cabe ao observador cercar-se de cuidados para evitar a sua ocorrência ou detectar a sua presença. A repetição de leituras é uma forma de evitar erros grosseiros. Alguns exemplos de erros grosseiros: • anotar 196 ao invés de 169; • engano na contagem de lances durante a medição de uma distância com trena. 22 Erros Sistemáticos São aqueles erros cuja magnitude e sinal algébrico podem ser determinados, seguindo leis matemáticas ou físicas. Pelo fato de serem produzidos por causas conhecidas podem ser evitados através de técnicas particulares de observação ou mesmo eliminados mediante a aplicação de fórmulas específicas. São erros que se acumulam ao longo do trabalho. Exemplo de erros sistemáticos, que podem ser corrigidos através de fórmulas específicas: • efeito da temperatura e pressão na medição de distâncias com medidor eletrônico de distância; • correção do efeito de dilatação de uma trena em função da temperatura. Um exemplo clássico apresentado na literatura, referente a diferentes formas de eliminar e ou minimizar erros sistemáticos é o posicionamento do nível a igual distância entre as miras durante o nivelamento geométrico pelo método das visadas iguais, o que proporciona a minimização do efeito da curvatura terrestre no nivelamento e falta de paralelismo entre a linha de visada e eixo do nível tubular. Erros Acidentais Ou Aleatórios São aqueles que permanecem após os erros anteriores terem sido eliminados. São erros que não seguem nenhum tipo de lei e ora ocorrem num sentido ora noutro, tendendo a se neutralizar quando o número de observações é grande. De acordo com GEMAEL (1991, p.63), quando o tamanho de uma amostra é elevado, os erros acidentais apresentam uma distribuição de freqüência que muito se aproxima da distribuição normal. Peculiaridade Dos Erros Acidentais • Erros pequenos ocorrem mais freqüentemente do que os grandes, sendo mais prováveis; • Erros positivos e negativos do mesmo tamanho acontecem com igual freqüência, ou são igualmente prováveis; • A média dos resíduos é aproximadamente nula; • Aumentando o número de observações, aumenta a probabilidade de se chegar próximo ao valor real. Exemplo de erros acidentais: 23 • Inclinação da baliza na hora de realizar a medida; • Erro de pontaria na leitura de direções horizontais. Precisão E Acurácia A precisão está ligada a repetibilidade de medidas sucessivas feitas em condições semelhantes, estando vinculada somente a efeitos aleatórios. A acurácia expressa o grau de aderência das observações em relação ao seu valor verdadeiro, estando vinculada a efeitos aleatórios e sistemáticos. A figura 19 ilustra estes conceitos. Figura 19 - Precisão e acurácia. O seguinte exemplo pode ajudar a compreender a diferença entre eles: um jogador de futebol está treinando cobranças de pênalti. Ele chuta a bola 10 vezes e nas 10 vezes acerta a trave do lado direito do goleiro. Este jogador foi extremamente preciso. Seus resultados não apresentaram nenhuma variação em torno do valor que se repetiu 10 vezes. Em compensação sua acurácia foi nula. Ele não conseguiu acertar o gol, “verdadeiro valor”, nenhuma vez. 24 MATEMÁTICA BÁSICA APLICADA Na área de topografia, usa-se muito a parte da matemática relacionada a geometria plana, analítica e a trigonometria, para as transformações de leituras de ângulos e distâncias realizadas em campo em coordenadas planas e cálculo de áreas. Geometria plana A geometria plana, é a parte da matemática que estuda a figura geométrica bidimencionais, ou seja, figuras que podem ser observadas em um plano. Entre elas estão: o triângulo, a circunferência, o quadrado, o retângulo e outros poligonos. Triângulos É qualquer polígono que possiu três lados. Os principais elementos de um triângulo são: os lados, os vértices e os ângulos internos. A soma interna dos ângulos de qualquer triângulo é sempre 180º. O cálculo da área do triângulo qualquer, quando não se sabe a altura do trinângulo é: Também pode ser calculado em função de um ângulo e dois lados. 25 Quando o triângulo possui lados com o ângulo de 90º, é chamado de triângulo retângulo e usa-se a seguinte fórmula: Circunferência e Círculo A circunferência é o conjunto dos pontos de um plano cuja distância a um ponto dado desse plano é fixa. O ponto dado é chamado de centro e a distância fixa é o raio da circunferência. A área e do comprimento da circunferência são dadas pelas seguintes fórmulas: Polígonos com 4 lados Polígonos são figuras fechadas formadas por segmentos de reta, sendo caracterizados pelos seguintes elementos: ângulos, vértices, diagonais e lados. 26 Trigonometria A Trigonometria, é o estudo da matemática responsável pela relação existente entre os lados e os ângulos de um triângulo. Nos triângulos retângulos (possuem um ângulo de 90º), as relações constituem os chamados ângulos notáveis, 30º, 45º e 60º, que possuem valores constantes representados pelas relações seno, cosseno e tangente. No teorema de Pitágoras “o quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos”. 27 Lei dos Senos: “Num triângulo qualquer a razão entre cada lado e o seno do ângulo oposto é constante”. Lei dos Cossenos: “Num triângulo qualquer, o quadrado da medida de um lado é igual à soma dos quadrados das medidas dos outros dois, menos o dobro do produto das medidas dos dois lados pelo cosseno do ângulo que eles formam”. 28 Geometria Analítica Cálculo da distância entre dois pontos no plano cartesiano: Radiano: É o arco cujo comprimento é igual a medida do raio da circunferência que o contêm. A abreviação é Rad. Sistema circular. 29 Grau: Dividindo uma circunferência em 360° partes iguais, cada uma dessas partes é um arco de 1°. Sistema Sexagesimal. O grau é dividido em minutos e segundos. 1 hora = 60 minutos = 60′ 1 minuto = 60 segundos = 60′′ 1 hora = 3600 segundos = 3600′′ Tipos de Ângulos 30 31 EQUIPAMENTOS TOPOGRÁFICOS E SUAS APLICAÇÕES Estação total O equipamento moderno mais utilizado nos levantamentos planimétricos é a estação total. Ela também é utilizada na altimetria em nivelamentos trigonométricos, mas é na área de locação, transporte de coordenadas e levantamentos de áreas patrimoniais que ela mais se destaca (ver fi guras abaixo). Figura 20: Estação total vista de frente, teclados de comandos e display de visualização 32 Figura 21: Estação total vista de costa. Repare na seta indicando a posição do nível de bolha Figura 22: Estação total vista de lado sobre tripé, luneta apontada para o horizonte. 33 A estação total usa como acessórios principais o tripé, o prisma, e o bastão para o prisma. Para ser operada terá que ser fixada ao tripé aproximadamente na altura do topógrafo, centrada em um ponto (marco topográfico ou piquete com elementos topográficos conhecidos), nivelada (ela contém duas bolhas de nível que precisam ser caladas) e, por fim, orientada em algum outro ponto conhecido, onde serázerada com o auxílio dos retículos da luneta (sistema de mira da estação) apontados para o bastão com o prisma colocado no outro ponto. Figura 23: a) Estação total vista de lado sobre tripé, luneta apontada a 45° do horizonte; e b) luneta apontada para o zênite. A estação total contém um círculo vertical e um outro horizontal, divididos em graus, minutos e segundos. Seu sistema de operação é todo automatizado. Figura 24: Prisma sobre bastão de 2,70 m de altura 34 CONCEITO DE ALTIMETRIA A Altimetria é um ramo da Topografia que estuda, de um modo geral, as distâncias verticais, entre elas, diferença de nível, cotas e altitudes, formadoras do relevo de um determinado local. Pode-se dizer que o produto final do levantamento topográfico altimétrico é uma planta/carta/mapa tridimensional, pois se considerou o relevo, enquanto na Planimetria o produto final é uma representação bidimensional. A Figura 25A, demonstra a representação planimétrica de um ponto P1 com coordenadas cartesianas (x,y), enquanto na Figura 68B, esse mesmo ponto está representado planialtimetricamente (x,y,z). Diversos conceitos são aceitos, desde os mais estritos até os mais amplos. Véras (2003) conceitua Altimetria como a parte da Topografia que estuda uma porção qualquer de terreno sobre uma superfície plana, dando ideia do relevo do solo. Figura 25- Ponto P1 e suas respectivas coordenadas cartesianas sendo representado planimetricamente (x,y) e planialtimetricamente (x,y,z) , respectivamente em A e B. Representação do relevo O relevo para ser estudado, analisado e entendido precisa ser representado de alguma forma. Em Topografia as formas mais comuns de representação do relevo são pontos cotados, curvas de nível, perfil, seção transversal, modelagem numérica do terreno, vetorização, graduação colorimétrica, entre outras. Pontos cotados São pontos espacialmente distribuídos num plano, representados graficamente, onde se têm as altitudes ou cotas, levantados em um determinado terreno (Figura 26) 35 Figura 26 – Plano cotado de um terreno. Curvas de nível As curvas se nível são linhas imaginárias de mesma cota/altitude, e equidistantes entre si, que representam o relevo um determinado local (Figura 27). Essa forma de representação do relevo será discutida em um capítulo à parte. Figura 27- Curvas de nível de um terreno. 36 Perfil Os perfis são vistas laterais que representam o relevo de um determinado local (Figura 28). Essa forma de representação do relevo será discutida em um capítulo à parte. Figura 28 – Perfil de um terreno. Seção transversal As seções transversais são formas de representação do relevo, através de vistas frontais, perpendiculares ao perfil longitudinal de um determinado local (Figura 29). Essa forma de representação do relevo será discutida em uma aula à parte. Figura 29 – Seção transversal de um terreno 37 Modelagem numérica do terreno É um modelo matemático do terreno, onde a partir de uma determinada origem (0,0,0), tem-se para cada ponto do terreno uma coordenada x, y e z, resultando numa visualização tridimensional do terreno (Figura 30). Figura 30- Modelagem numérica de um terreno. Vetorização altimétrica A vetorização é uma forma de representação de terreno, através de setas (vetorização), onde as setas apontam para os locais mais baixos, para onde o escoamento de água é direcionado (Figura 31). Figura 31- Vetorização altimétrica de um terreno. 38 Graduação colorimétrica altimétrica A graduação colorimétrica altimétrica, é uma forma de representação do relevo, produzida por programas topográficos, que indica os locais mais altos, intermediários e baixos do terreno através de cores (Figura 32). Figura 32 – Graduação colorimétrica altimétrica de um terreno. Distâncias verticais Para se chegar aos valores altimétricos para representação do relevo, é necessário que sejam conhecidas algumas distâncias verticais, tais como: cota, altitude e diferença de nível. Cota ou cota relativa É a distância vertical compreendida entre um ponto qualquer da superfície da Terra e um plano de referência qualquer (PRQ). O PRQ é um plano arbitrado com cota inicial atribuída pelo topógrafo. Na Figura 33 a estaca E0 apresenta cota negativa por estar num ponto do terreno abaixo do PRQ, enquanto as estacas E1 e E2 possuem cotas com valores positivos por estarem acima do PRQ. Chama-se de cota relativa, pois os valores de cotas em trabalhos diferentes, estão baseados em superfícies de referência diferentes, não podendo-se fazer comparações entre as alturas do terreno. É quase impossível que a cota 10 m de um determinado trabalho, esteja no mesmo nível de uma cota de 10 m em outro trabalho, com níveis de referência arbitrados (PRQ) em locais diferentes. Para isto acontecer, talvez seja a mesma probabilidade para que dois raios caiam num mesmo lugar. 39 Figura 33- Superfície do terreno com estacas 0, 1 e 2 e nível de comparação PRQ. Altitude ou cota absoluta É a distância vertical compreendida entre um ponto qualquer da superfície da Terra e o nível médio dos mares em repouso que se prolonga sob os continentes (Figura 34). O nível médio dos mares é considerado uniforme para todo um país. Na Figura 34 a estaca E0 apresenta altitude negativa por estar num ponto do terreno abaixo do NMM, enquanto as estacas E1 e E2 possuem altitudes com valores positivos por estarem acima do NMM. Altitude também é chamada de cota absoluta, pois dois pontos localizados em locais distintos, se apresentarem os mesmos valores de altitude, terão a mesma altura, pois a superfície de comparação é a mesma para os dois, ou seja, o Nível Médio dos Mares. Figura 34- Superfície do terreno com estacas 0, 1 e 2 e Nível Médio dos Mares - NMM. 40 Marégrafo ou Mareógrafo É o instrumento que registra continuamente o nível das marés (máximo, médio e mínimo) em um determinado ponto da costa, com o produto final diário, mensal ou anual, apresentado na forma de gráfico e denominado maregrama. Através dos resultados do maregrama, definese o marco altimétrico (altitude igual a zero) de uma determinada região da superfície terrestre. No Brasil, o datum vertical ou origem das altitudes está localizado na cidade portuária de Imbituba – SC. Este referencial altimétrico tem caráter oficial e foi homologado pelo IBGE após observações coletadas em marégrafo localizado na Baía de Imbituba. Este local foi escolhido pelo Conselho Nacional de Geografia, em 1959, por ser o ponto menos variável da costa brasileira. No Recife, Pernambuco, existe também um marco zero altimétrico, oficial para o município mas não para o Brasil. Esse marco altimétrico local é definido pelo nível mínimo do mares, pois em Recife, existem locais abaixo do nível médio dos mares. Para que sejam evitadas altitudes negativas, criou-se o marco zero com o nível mínimo do mar. Portanto, podem-se encontrar dois tipos de RN (Referencial de nível) no Recife. O marco zero altimétrico local encontra-se no Bairro de São José, um pouco a leste do marco zero planimétrico do estado de Pernambuco. Na Figura 35 é mostrada uma relação de cota e altitude. Observase que podem existir cotas e altitudes negativas e positivas. Em E0 temse altitude e cota negativas. Em E1 tem-se altitude e cota positivas. Em E2 tem-se altitude positiva e cota negativa. Figura 35- Cotas e altitudes das estacas 0, 1 e 2. 41 Observando-se a Figura 36 não pode ser afirmado categoricamente que as curvas de nível de Gravatá têm valores maiores que as de Triunfo, pois as cotas que aparecem as plantas são medições relativas. Também não se pode dizer que Gravatá está em nível mais alto que Aliança, pois a planta da primeira está em cota e da segunda em altitude, possuindo níveis dereferências diferentes. Com base na Figura 36 pode ser afirmado apenas que Goiana está em um nível mais baixo que Aliança, pois as curvas de nível de suas plantas expressam altitudes, baseando-se, portanto, num mesmo nível de referência ou nível de comparação. Figura 36- Curvas de nível de algumas cartas dos municípios de Aliança, Goiana, Gravatá e Triunfo, em Pernambuco. Diferença de Nível É a diferença de alturas (Figura 37), altitudes (Figura 38) ou cotas (Figura 39) entre dois pontos situados na superfície da Terra. Figura 37- Diferença de nível entre A e B através da diferença de alturas. 42 Figura 38- Diferença de nível entre A e B através da diferença de altitudes. Figura 39 - Diferença de nível entre A e B através da diferença de cotas. Nivelamento topográfico Nivelamento topográfico é uma operação utilizada para a obtenção de diferenças de nível no terreno a fim de possibilitar a determinação ou cálculo de altitudes e cotas do terreno. Para tal, são usados diversos instrumentos e metodologias realizadas em campo, objetivando-se a representação gráfica do relevo de um determinado local. Instrumentos utilizados no nivelamento topográfico Os instrumentos utilizados no nivelamento topográfico e suas exatidões estão relacionados conforme a tabela abaixo: 43 Métodos de nivelamentos topográficos Os métodos de nivelamento podem ser: barométrico, por satélites, trigonométrico e geométrico. Barométrico As medições de altitude são obtidas através do barômetro, que pode ser do tipo coluna de mercúrio ou do tipo aneróide. Seu princípio baseia-se no peso do ar aplicando uma determinada pressão no instrumento. Assim, a pressão pode ser calculada, multiplicando-se a altura da coluna de mercúrio pela densidade do mercúrio e pela aceleração da gravidade. Então, quanto mais alto o terreno, resulta uma menor pressão e, consequentemente maior altitude. Quanto mais baixo o terreno, resulta uma maior pressão e, consequentemente menor altitude. Sabendo-se que no nível do mar a atmosfera exerce pressão de 1 atm e que corresponde a 760 mmHg (milímetros de Mercúrio), segundo a experiência de Torricelli, ficou comprovado que para cada 1 mm deslocado no tubo de um barômetro ocorre variação de aproximadamente 10 m de altura no terreno com relação ao nível do mar. Portanto, quando há subida no terreno a coluna de mercúrio desce e quando se desce no terreno, a coluna de mercúrio sobe. Por exemplo, saindo do nível do mar para uma montanha, houve deslocamento na coluna de mercúrio de 760 mm Hg para 680 mm de Hg. Isto significa que a altura atingida foi de: 760 mm – 680 mm = 80 mm, donde 80 mm . 10 metros = 800 metros. Desta forma, o uso de equipamentos que se baseiam na pressão atmosférica, pode fornecer valores de altitudes do terreno, possibilitando a obtenção de nivelamentos. Por satélites Os Sistemas Globais de Navegação por Satélite, também conhecidos em inglês como GNSS (Global Navigation Satellite System), são tecnologias que permitem a localização espacial do receptor em qualquer parte da superfície terrestre, através da recepção de sinais de rádio enviados por satélites. Através do GNSS é possível a obtenção de valores de altitude para um determinado local. Esse sistema permite, em tempo real ou pós-processado, o posicionamento da antena receptora, necessitando de no mínimo quatro satélites. 44 Trigonométrico O nivelamento trigonométrico resulta da obtenção das distâncias verticais através da trigonometria. Esse nivelamento é obtido por instrumentos como teodolitos e estações totais. Nivelamento Geométrico É o método mais preciso para obtenção das diferenças de nível, altitudes e cotas. Na sua realização é usado o instrumento chamado nível de luneta e seu princípio baseia-se em visadas horizontais sucessivas nas miras verticalizadas, objetivando-se a obtenção de distâncias verticais (Figura 40). Figura 40– Nivelamento Geométrico Nível de mangueira ou vasos comunicantes Através do nível de mangueira (Figura 41) ou jogo de réguas, podem-se encontrar diferenças de nível na superfície de um local para outro. Figura 41 – Método para obtenção das diferenças de nível através do nível de mangueira. 45 REFERÊNCIAS Almeida, F. F. M. Fundamentos geológicos do relevo paulista. In: São Paulo. Instituto Geográfico e Cartográfico (ed.). Geologia do Estado de São Paulo (Boletim 41). São Paulo: IGC, 1964. cap. 2, p.167-262. ANDERSON, J.M & MIKHAIL, E.M. 1998. Surveying Theory and Practice. 7ª Edition. Ed. McGraw-Hill. USA. 1167p. BERALDO,P. & SOARES,S.M. 1995. GPS – Introdução e Aplicações Práticas. Ed. E Livraria Luana Ltda. Criciúma-SC. 148p. BORGES,A C. 1975. 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