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CENTRO UNIVERSITÁRIO – CATÓLICA DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL RELATÓRIO DE TCC DOUGLAS DALL AGNOLO ANÁLISE COMPARATIVA DE LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICO CONVENCIONAL E LEVANTAMENTO COM VANT: ESTUDO DE CASO DE UM TERRENO URBANO JOINVILLE 2019 FICHA CATALOGRÁFICA Dados internacionais de catalogação na publicação - CIP (Catalogado na fonte pela Biblioteca Centro Universitário Católica de Joinville) Carla Maria Rodrigues de Souza CRB-14 /1640 Agnolo, Douglas Dall Análise comparativa de levantamento topográfico convencional e com VANT: estudo de caso de um terreno urbano/ Douglas Dall Agnolo- Joinville:D.D.Agnolo, 2019. 74p. fig., quadros., colorida. Orientador Msc: Sosnoski, Jonatas Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) - Centro Universitário Católica de Joinville / SC, Curso de Engenharia Civil. Inclui bibliografia 1. Topografia 2. Drone 3. Vant. I. Sosnoski, Jonatas Prof. Msc. Orientador. CDD-526.89 DOUGLAS DALL AGNOLO ANÁLISE COMPARATIVA DE LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICO CONVENCIONAL E LEVANTAMENTO COM VANT: ESTUDO DE CASO DE UM TERRENO URBANO Relatório de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Civil, do Centro Universitário – Católica de Santa Catarina em Joinville, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel. Orientador: Prof. MSc.JonatasSosnoski JOINVILLE 2019 A meus pais Dario e Maria Ivanir por todo apoio, incentivo, confiança depositado no meu crescimento pessoal e profissional e a minha esposa Thayse pelo amor e compreensão nas horas de ausência. Ao meu filho Théo razão do meu viver. AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus por ter me iluminado durante toda essa caminhada, dando-me força para enfrentar as dificuldades, humildade para reconhecer e corrigir os erros, e sabedoria para agradecer as conquistas. Aos meus pais Dario e Maria Ivanir, que confiam no meu potencial e nunca mediram esforços para me oferecer o melhor estudo. Agradeço também por todo amor, apoio e incentivo dados durante toda a minha vida, permitindo o traçado de um caminho digno e correto do qual me orgulho muito. Meu agradecimento mais que especial, a minha esposa Thayse Maria Torques, grande incentivadora dos meus projetos de vida, agradeço pelo apoio, companheirismo e incentivo para conclusão da minha segunda graduação. Ao meu filho Théo que mesmo ainda muito pequeno me fez reforçar a vontade de vencer e de me tornar um exemplo de pai. A meu professor orientador Msc. Jonatas Sosnoski, por ter acreditado e confiado em mim, dando-me todo suporte e ideias construtivas. Também pela paciência, disponibilidade e incentivo no desenvolvimento de todo este trabalho. Aos amigos e colegas, que ao longo destes cinco anos de convívio me ajudaram nesta conquista, minha sincera gratidão. A todos os professores do curso de Engenharia Civil, que sempre tentaram da melhor maneira possível passar seus conhecimentos e experiências. Ao Centro Universitário – Católica de Santa Catarina em Joinville, pelo ensino, estrutura oferecida e pela oportunidade de concluir o curso de graduação em Engenharia Civil. RESUMO O levantamento topográfico possui um importante papel no ramo da construção civil, pois engloba o estudo da superfície, suas dimensões, extensão e distância, de modo a reproduzir as informações de um respectivo terreno, em razão disso, esse serviço é fundamental para coleta de dados e confecção de muitos projetos encomendados por engenheiros e arquitetos, além é claro, de pessoas físicas comuns que precisam da confirmação de seus terrenos. O presente trabalho identifica quais são os métodos de topografia utilizados, suas características, margens de erro e quais os aparelhos são necessários. Posteriormente, realizou-se uma análise comparativa entre os métodos tradicionais e modernos, ou seja, o levantamento topográfico com a utilização da estação total e GPS geodésico e o com fotogrametria aérea utilizando VANT, que são veículos aéreos não tripulados. A realização se deu através de um estudo de caso, através do levantamento topográfico de uma área urbana de 8,51 hectares na cidade de Joinville – Santa Catarina - Brasil, utilizando duas metodologias separadamente. Inicialmente avaliou-se a técnica de execução dos dois métodos e posteriormente o custo financeiro de cada uma, para que fosse possível verificar qual método é mais vantajoso ou que possui mais eficácia na sua realização, para isso, comparou-se o custo de cada operação, relacionado à mão de obra, dias ou horas para realização do serviço e necessidade de equipamentos. Sendo que, o levantamento convencional demonstrou menor performance e maior custo, fazendo que o levantamento com o VANT seja mais vantajoso em áreas extensas, desde que não possua muita vegetação ou obstáculos sobre o local. PALAVRAS-CHAVE: Levantamento topográfico. GPS. VANT. Drone. Fotogrametria. Aerolevantamento ABSTRACT The topographic survey has an important role in the construction industry, since it encompasses the study of the surface, its dimensions, extension and distance, in order to reproduce the information of a respective terrain, therefore, this service is fundamental for data collection and making many projects commissioned by engineers and architects, and of course ordinary people who need the confirmation of their land. The present work identifies the topography methods used, their characteristics, error margins and which devices are required. Subsequently, a comparative analysis was performed between traditional and modern methods, that is, the topographic survey using the total station and geodetic GPS and the aerial photogrammetry using VANT, which are unmanned aerial vehicles. The study was carried out through a case study, through a topographic survey of an urban area of 8.51 hectares in the city of Joinville - Santa Catarina - Brazil, using two methodologies separately. Initially, the technique of executing the two methods and then the financial cost of each one was evaluated, so that it was possible to verify which method is most advantageous or which has more efficiency in its accomplishment. For this, the cost of each operation , related to labor, days or hours to perform the service and equipment requirements. The conventional survey showed lower performance and higher costs, making the survey with the UAV more advantageous in large areas, as long as it does not have much vegetation or obstacles on the site. KEYWORDS: Topographic survey. GPS. VANT. Drone. Photogrammetry. Aerial survey LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Representação do resultado de um levantamento planialtimétrico. .......... 19 Figura 2 - Superfície geoidal, elipsiodal e terrestre. .................................................. 21 Figura 3 - Constelação de satélites GPS. ................................................................. 23 Figura 4 - Levantamento estático de coordenada com GPS ..................................... 25 Figura 5 - Levantamento cinemático RTK de coordenada com GPS ........................ 26 Figura 6 - Superposição longitudinal e lateral ........................................................... 28 Figura 7 - Precisão e acurácia. .................................................................................. 31 Figura 8 - Exemplos de trenas métricas .................................................................... 32 Figura 9 - Eixos e círculos de um teodolito ...............................................................33 Figura 10 - Exemplo de teodolito analógico e digital. ................................................ 34 Figura 11 - Exemplo nível óptico. .............................................................................. 35 Figura 12 - Exemplo de mira normal e com código de barras. .................................. 35 Figura 13 - Estação Total .......................................................................................... 36 Figura 14 - Prisma refletor. ........................................................................................ 37 Figura 15 - GPS de navegação ................................................................................. 38 Figura 16 - GPS geodésico e Rádio externo. ............................................................ 39 Figura 17 - VANT de asa-fixa. ................................................................................... 40 Figura 18 - VANT Multirotores. .................................................................................. 41 Figura 19 - Área de estudo ........................................................................................ 42 Figura 20 - Estação Total M3 Trimble ....................................................................... 43 Figura 22 - Tela do Trimble Access Versão. ............................................................. 45 Figura 21 - GPS Receptor Trimble RTK R4 .............................................................. 44 Figura 23 - Implantação dos pontos de apoio. .......................................................... 46 Figura 24 - Drone AnafiWork da Fabricante Parrot. .................................................. 48 Figura 25 - Aplicativo Pix4Dcapture. ......................................................................... 49 Figura 26 - Plano de voo no aplicativo Pix4Dcapture. ............................................... 50 Figura 27 - Pontos de Apoio implantados. ................................................................ 51 Figura 28 - Erros e tolerâncias da poligonal topográfica. .......................................... 54 Figura 29 - Localização das câmeras e sobreposição das imagens ......................... 55 Figura 30 - Representação do erro relacionado ao posicionamento de cada captura .................................................................................................................................. 57 Figura 31- Representação do erro relacionado aos pontos de controle .................... 58 Figura 32 - Representação em Curvas de Nível a cada 1 m ..................................... 59 Figura 33 - Mosaico de Ortoimagens ........................................................................ 60 Figura 34 - Modelo Digital de Elevação correspondente a superfície ....................... 61 Figura 35 - Representação em Curvas de Nível a cada 1 m ..................................... 62 Figura 36 - Representação tridimensional da área .................................................... 62 Figura 37 - Comparação das curvas de nível a cada 1 m ......................................... 63 Figura 38 - Vetorização por topografia convencional (a) aerolevantamento (b) ........ 63 LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Exemplos de Data. .................................................................................. 22 Quadro 2 - Classificação dos Teodolitos. .................................................................. 34 Quadro 3 - Classificação dos Níveis. ........................................................................ 36 Quadro 4 - Classificação das Estações Totais .......................................................... 37 Quadro 5 - Coordenadas dos pontos de partida da poligonal e de apoio. ................ 53 Quadro 6 - Resultados obtidos com o VANT............................................................. 56 Quadro 7 - Erro em relação a posição de captura de cada imagem ......................... 57 Quadro 8 - Avaliação do erro médio quadrático dos pontos de apoio. ...................... 59 Quadro 9 - Custos com a equipe de topografia com levantamento convencional ..... 64 Quadro 10 - Custos com a equipe de topografia com levantamento com VANT ...... 65 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANAC Agência Nacional de Aviação Civil CPU Central Processing Unit DEM Modelo Digital de Elevação DoD Departamento de Defesa EUA Estados Unidos da América GALILEO European Satellite Navigation System Gb Giga Byte GHz Giga-Hertz GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System GNSS Global Navigation Satellite System GPS Global Positioning System HD Hard Disk IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ISPRS Socity for Photogrammetry and Remote Sensing MDE Modelo Digital de Elevação NMM Nível Médio das Marés PPM Partes por milhão PPM Partes Por Milhão RAM Random Access Memory RBMC Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo RPA Remotly Piloted Aircraft RTK Real Time Kinematic SGB Sistema Geodésico Brasileiro TBC Trimble Business Center UAV Unmanned Aerial Vehicle USNO United States Naval Observatory UTM Universal Transversa de Mercator VANT Veículo Aéreo Não Tripulado VGA Video Graphics Array WGS Sistema Geodésico Global LISTA DE SÍMBOLOS m² Metro quadrado km kilometro mm/km milímetro por kilometro Dist. Distância mm milímetro m metro SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 14 1.1 PROBLEMA DE PESQUISA ........................................................................ 14 1.2 JUSTIFICATIVA............................................................................................ 15 1.3 OBJETIVOS ................................................................................................. 16 1.3.1 Objetivo Geral ............................................................................................. 16 1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 16 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 18 2.1 TOPOGRAFIA .............................................................................................. 18 2.2 GEODÉSIA ................................................................................................... 20 2.2.1 Geoide e Elipsoide ...................................................................................... 21 2.2.2 Datum Horizontal ........................................................................................ 22 2.2.3 Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) ................................. 23 2.3 FOTOGRAMETRIA ...................................................................................... 26 2.3.1 Levantamento Aerofotográmetrico ........................................................... 27 2.3.2 Fototriangulação ......................................................................................... 28 2.3.1 Resolução ................................................................................................... 29 2.4 ERROS ......................................................................................................... 29 2.4.1 Erros Grosseiros ........................................................................................ 30 2.4.2 Erros Sistemáticos ..................................................................................... 30 2.4.3 Erros Acidentais ou Aleatórios ................................................................. 30 2.4.4 Precisão e Acurácia ....................................................................................31 2.5 APARELHOS TOPOGRÁFICOS DE MEDIÇÃO .......................................... 32 2.5.1 Trena ............................................................................................................ 32 2.5.2 Teodolito ..................................................................................................... 33 2.5.3 Níveis ........................................................................................................... 34 2.5.4 Aparelho Estação Total .............................................................................. 36 2.5.5 Receptores GPS.......................................................................................... 37 2.5.6 Veículos Aéreos não Tripulados (VANTS) ................................................ 39 3 METODOLOGIA DA PESQUISA ................................................................. 42 3.1 ÁREA DE ESTUDO ...................................................................................... 42 3.2 LEVANTAMNTO TOPOGRÁFICO COM MÉTODO CONVENCIONAL ........ 43 3.2.1 Estação Total .............................................................................................. 43 3.2.2 GPS RTK ...................................................................................................... 44 3.2.3 Softwares .................................................................................................... 44 3.2.4 Planejamento e Métodos ............................................................................ 45 3.3 LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICOCOM RPA ............................................ 48 3.3.1 RPA (Drone) ................................................................................................ 48 3.3.2 Softwares .................................................................................................... 49 3.3.3 Plano do voo ............................................................................................... 49 3.3.4 Pontos de apoio ou controle ..................................................................... 50 3.3.5 Processamento dos dados ........................................................................ 51 3.4 APRESENTAÇÃO E REPRESENTAÇÃO GRÁFICA ................................... 52 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................. 53 4.1 GEORREFERENCIAMENTO ....................................................................... 53 4.2 LEVANTAMENTO TRADICIONAL COM ESTAÇÃO TOTAL E GPS RTK ... 54 4.3 LEVANTAMENTO COM VANT .................................................................... 55 4.3.1 Resultados obtidos .................................................................................... 55 4.3.2 Posição estimada de captura de imagens ................................................ 56 4.3.3 Avaliação dos pontos de apoio ................................................................. 57 4.4 ANÁLISE TÉCNICA DOS RESULTADOS .................................................... 59 4.4.1 Planta planialtimétrica ................................................................................ 59 4.4.2 Produtos Fotogramétricos ......................................................................... 60 4.4.3 Comparação entre os métodos ................................................................. 62 4.5 ANÁLISE ECONÔMICA DOS RESULTADOS ............................................. 64 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 67 REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 69 ANEXOS ................................................................................................................... 73 14 1 INTRODUÇÃO Neste capítulo estão apresentados o problema de pesquisa e sua justificativa, bem como os objetivos do trabalho. 1.1 PROBLEMA DE PESQUISA Para maior parte das atividades no ramo da construção civil é fundamental o prévio levantamento topográfico do local onde se implantará qualquer obra de engenharia, arquitetura ou agronomia (ESPARTEL, 1982). Para levantamento das informações topográficas de um terreno, existem diferentes metodologias, podendo ser diretas com a Topografia e Geodésia, e indiretas como a Fotogrametria e o Sensoriamento Remoto (NICHETTI, 2016). Nos métodos diretos, a topografia tem como finalidade, mapear uma pequena parte da superfície terrestre, não levando em consideração as deformações sofridas pela esfericidade do globo terrestre (BRANDALIZE, 2000). Já a Geodésia é uma ciência que estuda o contorno e as dimensões da Terra, o arranjo de pontos sobre a superfície e modelagem do campo de gravidade (ESPARTEL, 1982). Nos métodos indiretos, a fotogrametria, que, segundo Vetorazzi (1996) é a arte e ciência de se obter imagens e informações sobre uma área, objeto ou fenômeno, sem a necessidade de se ter contato com o objeto. Para levantamentos topográficos através da utilização dos métodos diretos e indiretos, os equipamentos mais conhecidos são a Estação Total e o Global Positioning System (GPS) com a tecnologia Real Time Kinematic (RTK), que são inquestionáveis quanto a sua acurácia, entretanto demandam equipes de operadores e prazos extensos para realização e conclusão do serviço. Deste modo, com o desenvolvimento de novas tecnologias e a necessidade de otimização dos serviços de topografia, para realização em menor tempo e menos recursos, surgiram ferramentas que vieram para auxiliar nas atividades de topografia, como por exemplo, os Veículos Não Tripulados (VANT’s), comumente chamados de Drone. O Global Navigation Satellite System (GNSS) é um sistema de posicionamento por satélites que permite que o usuário, em qualquer local da superfície terrestre, tenha a sua disposição no mínimo quatro satélites para serem rastreados (MONICO, 2008), uma vez que, conhecendo as coordenadas dos 15 satélites que estão no espaço, é possível estabelecer a localização do receptor que está na superfície terrestre. O autor ainda ressalta que apesar da maior constelação em atividade ser o GPS, os receptores GNSS abrangem também o sistema GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) da Rússia e GALILEO (European Satellite Navigation System) da Europa. Uma aplicação que vem tendo grande impacto recentemente é o levantamento cinemático preciso em tempo real (GPS RTK) que proporciona exatidão centimétrica, ou seja, os pontos são coletados simultaneamente e após o processamento, os dados podem ser utilizados para mapeamentos e projetos de engenharia. Já a aerofotogrametria utilizando VANT na aquisição de aeroimagens, é adequada para projetos de engenharia onde utilizam-se informações da superfície terrestre, com elevada resolução espacial e relacionada a coleta de informações freqüentes. Como monitoramento de impactos ambientais, na agricultura de precisão, no deslocamento de terra, mapeamento de minas a céu aberto, cadastro urbano e rural, mapeamento de pequenas áreas em projetos de engenharia e no sensoriamento remoto. (EISENBEISS, 2009). Segundo Gonçalves et.al. (2015, p1), a utilização do método VANT começa a fazer parte integrante da atividade de obtenção de dados de informações geoespacial, quer como complemento aos métodos clássicos de topografia ou através da sua substituição, devido ao rigor e eficiência que podem proporcionar. Baseado nisso, pretende-se analisar técnica e economicamente os dois tipos de levantamentos topográficos através do VANT e da topografia convencional, utilizando estação total e GPS RTK. 1.2 JUSTIFICATIVA Tendo em vista que o país apresenta uma vasta área de extensão territorial constituída por diferentes aspectos físicos, assim como uma grande variedadede vegetação e relevo, a realização dos projetos topográficos se apresenta como uma atividade de suma importância para o mapeamento das regiões e nas obras civis. Um dos grandes desafios dos serviços de agrimensura é o levantamento de feições em áreas onde existem limitações de acesso, devido a impedimentos físicos 16 ou restrições ambientais, como à abertura de acessos, que dificultam a presença de uma equipe de agrimensores no local. Para isto, faz-se necessária a utilização de alguns métodos que possibilitem sua realização de modo rápido e eficaz. Segundo Jeronymo e Pereira (2015, p. 15), certas obras têm ritmo muito acentuado e em parte das vezes torna-se inviável a constante verificação pela equipe de topógrafos. Diante disso, o potencial do uso do VANT se mostra como alternativa as ações que antes dependiam de aeronaves tripuladas, e hoje essa tecnologia tem a vantagem de um menor custo operacional, além de apresentar uma maior rapidez na aquisição dos dados. (DIAS, 2014) Neste contexto, este trabalho justifica-se pela necessidade observada em abordar novas tecnologias e verificar a qualidade dos levantamentos topográficos, a viabilidade técnica e econômica através de dois métodos diferentes: topografia com estação total e GPS RTK e aerofotogrametria usando VANT para uma área definida. Para o desenvolvimento dos estudos definiu-se uma área de 85.115,00 m² (8,51 ha) localizada na Rua Carlos Guilherme Jerke em Joinville, Santa Catarina, mediante a utilização de um quadricóptero do modelo ANAFI da Parrot. 1.3 OBJETIVOS Os objetivos da pesquisa estão classificados em geral e específicos, e são apresentados abaixo. 1.3.1 Objetivo Geral Analisar comparativamente a viabilidade técnica e econômica do método de execução de levantamento topográfico através de estação total e um GPS RTK e do método utilizando VANT, para um terreno urbano. 1.3.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos desta pesquisa são: Elaborar pesquisa bibliográfica sobre levantamentos topográficos na engenharia civil; 17 Definir área de estudo para executar os levantamentos topográficos, o convencional (estação total, GPS e RTK) e utilizando o VANT; Analisar tecnicamente o levantamento topográfico utilizando estação total e GPS RTK referente a área em estudo; Analisar tecnicamente o levantamento topográfico utilizando VANT referente a área em estudo; Compilar dados obtidos através dos levantamentos topográficos propostos; Comparar técnica e economicamente os resultados obtidos. 18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nesse capítulo estão brevemente introduzidas considerações gerais sobre topografia, geodésia e geoprocessamento, normas de levantamento e fotogrametria, apresentando suas definições, aplicações na engenharia civil e demais itens particulares relacionados a cada um dos temas. 2.1 TOPOGRAFIA Com a necessidade do homem produzir o próprio alimento através da agricultura, vem à tona a necessidade do reconhecimento dos acidentes do relevo e principalmente dos limites entre as propriedades agrícolas. Desta forma surgiram os primeiros procedimentos para demarcação de áreas. (TULER, 2014). Ainda segundo o autor, a prática desses métodos de medição e representação, foi repassada para os gregos pelos mesopotâmios a aproximadamente 3.500 a.C., que denominaram de topografia. A palavra TOPOGRAFIA é de origem grega, onde "topos" indica "lugar" e "graphen", significa "descrever". Portanto, é a descrição exata e minuciosa de um lugar. Logo, podemos definir classicamente a TOPOGRAFIA como sendo a ciência que estuda a representação detalhada de uma superfície terrestre, representada através de uma Projeção Ortogonal Cotada, denominada Superfície Topográfica. Isto equivale dizer que, não só os limites desta superfície, bem como todas as suas particularidades naturais ou artificiais, serão projetados sobre um plano considerado horizontal, sem levar em conta a curvatura resultante da esfericidade terrestre (ANDRADE, 1979, p. 406). O objetivo da topografia é representar em escala adequada uma porção da superfície terrestre por meio do levantamento topográfico, o qual consiste em operações efetuadas a campo, como medição de ângulos, distâncias e desníveis, que permita representar uma porção da superfície terrestre em uma escala adequada (VEIGA, 2012). Às operações efetuadas em campo, com o objetivo de coletar dados para posteriormente representação, denomina-se e levantamento topográfico. De acordo com a NBR 13133 (ABNT, 1994, p. 3), Norma Brasileira para execução de Levantamento Topográfico, o levantamento topográfico é definido por: “Conjunto de métodos e processos que, através de medições de ângulos horizontais e verticais, de distâncias horizontais, verticais e inclinadas, com 19 instrumental adequado à exatidão pretendida, primordialmente, implanta e materializa pontos de apoio no terreno, determinando suas coordenadas topográficas. A estes pontos se relacionam os pontos de detalhe visando a sua exata representação planimétrica numa escala pré-determinada e à sua representação altimétrica por intermédio de curvas de nível, com equidistância também pré-determinada e/ou pontos cotados.” Como citou Tuler (2014), o levantamento topográfico pode ser dividido em: Levantamento topográfico planimétrico: conjunto de operações para a determinação de pontos no terreno, os quais são representados bidimensionalmente, ou seja, são projetados em um plano horizontal de referência por meio de suas coordenadas x e y; Levantamento topográfico altimétrico: conjunto de operações para a determinação de pontos no terreno, que são projetados em um plano de referência vertical ou de nível, por meio de sua coordenada z. Levantamento planialtimétrico: conjunto de métodos abrangidos pela planimétrica e altimetria, em que os pontos no terreno são representados tridimensionalmente, ou seja, são projetados em um plano horizontal de referência por meio de suas coordenadas x e y e também são projetados em um plano de referência vertical ou de nível, por meio de sua coordenada z. Um exemplo de representação de um levantamento planialtimétrico pode ser observado na Figura 1. Figura 1 - Representação do resultado de um levantamento planialtimétrico. Fonte: Veiga, 2012 20 Os objetivos dos estudos topográficos, são fundamentais no planejamento e execução de atividades, otimizando as estratégias de tomada de decisão, determinando assim o primeiro passo de uma atividade mais elaborada, onde o grau de precisão e detalhamento é requerido (DOUBECK, 1989). O uso da topografia se aplica nas mais diversas áreas e serve como base para diversos trabalhos de Engenharia, onde o conhecimento das formas e dimensões do terreno é importante. Alguns exemplos de aplicações são: Locação de obras, trabalhos de terraplenagem, planejamento urbano, projeto e execução de estradas, grandes obras de engenharia como pontes, viadutos, túneis, portos, etc., Irrigação e drenagem, projetos ambientais, monitoramento de estruturas, reflorestamento, entre outras. 2.2 GEODÉSIA A Geodésia é a ciência que estuda o contorno e as dimensões da Terra, o arranjo de pontos sobre a superfície e a modelagem do campo de gravidade. Também se usa o termo Geodésia, em Matemática, para a medição e o cálculo acima de superfícies curvas usando métodos análogos aos usados na superfície curva da Terra (MARINHO, 2012). A Geodésia é uma ciência que estuda a superfície da Terra para conhecer a sua forma quanto ao contorno e ao relevo e sua orientação, levando em consideração a curvatura da Terra. McCormac (2007) comenta que a Terra não é uma esfera perfeita e sim é achatada nos pólos e seu semi-eixo polar é aproximadamente 21 km menor que seu semi-eixo equatorial. A superfície terrestre é aproximadamente naforma de um elipsoide, ou também chamada de esferoide. Ainda cita que o geoide é definido como uma figura hipotética que representa a forma elipsóidica da Terra, sendo que o geoide é uma superfície que pode variar até 100 metros do elipsoide. Segundo TULER(2014), os objetivos da Topografia e Geodésia como ciência são similares, pois ambas referem-se a representações de porções sobre a superfície da Terra. No entanto, a Topografia estuda de forma mais particular, ou seja, de limita-se a representar dimensões reduzidas de áreas, que geralmente de uma obra de engenharia de pequeno porte. Já a Geodésia estuda de forma mais geral,procurando referenciar o levantamento de pontos localmente, em um referencial global. 2.2.1 Geoide e Elipsoide Segundo McCormac (2007) o que representa a forma elipsóidica da Terra, mas com sua superfície representa como o nível médio dos mares (NMM). Também segundo superfície terrestre sofre tectônicos, erosão e etc.) e a ação do homem, portanto, não é possível definir uma forma sistemática da Terra. Para poder simplificar os cálculos de coordenadas da superfície terrestre foram adotadas algumas superfícies matemáticas simples, para tanto, utilizou uma figura geométrica chamada elipse, que ao girar em torno do seu seixo menor forma um volume, o elipsoide elipsoide é uma superfície curva que se apro Assim o elipsoide é a superfície de referência utilizada nos cálculos que fornecem subsídios para elaboração de uma representação cartográfica. Partes do geoide, de um Figura 2. Figura 2 - geral,procurando referenciar o levantamento de pontos localmente, em um ac (2007) o geoide é definido como uma figura hipotética que representa a forma elipsóidica da Terra, mas com sua superfície representa como o nível médio dos mares (NMM). Também segundo BORGES superfície terrestre sofre frequentes alterações devido à natureza etc.) e a ação do homem, portanto, não é possível definir uma forma sistemática da Terra. Para poder simplificar os cálculos de coordenadas da superfície terrestre umas superfícies matemáticas simples, para tanto, utilizou uma figura geométrica chamada elipse, que ao girar em torno do seu seixo menor elipsoide de revolução. Segundo McCormac (2007), um é uma superfície curva que se aproxima da forma e dimensões da Terra. é a superfície de referência utilizada nos cálculos que fornecem subsídios para elaboração de uma representação cartográfica. , de um elipsoide e da superfície da Terra são mostradas na - Superfície geoidal, elipsiodal e terrestre. Fonte: Veiga, 2012 21 geral,procurando referenciar o levantamento de pontos localmente, em um é definido como uma figura hipotética que representa a forma elipsóidica da Terra, mas com sua superfície representa BORGES (2002), a alterações devido à natureza (movimentos etc.) e a ação do homem, portanto, não é possível definir uma Para poder simplificar os cálculos de coordenadas da superfície terrestre umas superfícies matemáticas simples, para tanto, utilizou-se uma figura geométrica chamada elipse, que ao girar em torno do seu seixo menor ac (2007), um xima da forma e dimensões da Terra. é a superfície de referência utilizada nos cálculos que fornecem Terra são mostradas na 22 2.2.2 Datum Horizontal Para que ocorra uma boa representação, cada país ou região acabou adotando um elipsoide de referência diferente e que melhor se ajusta as suas dimensões. Ao utilizar um elipsoide numa determinada posição, cria-se uma nova superfície, ou seja, um novo Datum. O Elipsoide internacional usado para representar a superfície terrestre para levantamentos topográficos com GPS é conhecido como WGS 84 (Sistema Geodésico Global). Segundo McCormac (2007), para definição de uma Datum é necessário conter três elementos: Forma e tamanho do elipsoide. Posição do elipsoide relativo ao geoide, que pode ser Topocêntrico (vértice na superfície terrestre que serve para a amarração do elipsoide ao geoide) ou Geocêntrico (amarrado ao centro de massa da terra). Parâmetros para conversão para o Datum Internacional WGS-84. No Quadro 01 é possível observar alguns exemplos de data que foram utilizados no Brasil. No Brasil o referencial planimétrico ou Datum horizontal oficial no Brasil é o SIRGAS-2000 (Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas de 2000), até 2014 o Datum utilizado era o SAD-69 (South American Datumof 1969). Quadro 1 - Exemplos de Data. Datum Tipo Raio Equatorial semi-eixo maior a Raio Equatorial semi-eixomenor b ∆X ∆Y ∆Z Córrego Alegre Topocêntrico 6378388 6356912,00000 -205,57 +168,77 -4,12 SAD69/1996 Topocêntrico 6378160 6356774,71920 -66,87 +4,37 -38,52 SAD69/2005 Topocêntrico 6378160 6356774,71920 67,35 +3,88 -38,22 WGS84(G1150) Geocêntrico 6378137 6356752,31425 0,00 0,00 0,00 SIRGAS2000 Geocêntrico 6378137 6356752,31414 0,00 0,00 0,00 Astro Chuá Topocêntrico 6378388 6356912,00000 -143,87 243,37 -33,52 Fonte: Veiga, 2012 23 2.2.3 Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) Conforme BARBIAN (2013), os sistemas de navegação por satélite são sistemas capazes de estabelecer o posicionamento geoespacial de um objeto na superfície da Terra através do uso de satélites artificiais que orbitam ao redor do planeta. Esses satélites trabalham com faixa de deslocamento, com trajeto definido e controlado por bases de controle e monitoramento. Por exemplo, inserido no GNNS, está o Sistema de Posicionamento Global (GPS), que foi desenvolvida pelo Departamento de Defesa (DoD) dos Estados Unidos da América (EUA) na década de 70 com o objetivo de oferecer a posição instantânea, bem como a velocidade e o horário de um ponto qualquer sobre a superfície terrestre ou bem próxima dela num referencial tridimensional (TIMBÓ, 2000). Na Figura 3 representa-se uma constelação de satélites sobre a Terra. Figura 3 - Constelação de satélites GPS. Fonte: Vetorazzi, 1996 Segundo dados da United States Naval Observatory (USNO), atualmente a constelação GPS contém 33 satélites ativos), uma vez que conhecendo as coordenadas dos satélites é possível estabelecer a localização do receptor que se localiza na superfície terrestre. Segundo MONICO (2008),ressalta-se que apesar da maior constelação em atividade ser GPS, os receptores GNSS abrangem também o 24 sistema GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) da Rússia e GALILEO (European Satellite Navigation System) da Comunidade Europa e o COMPASS ou BIDOU em desenvolvimento na China. O GPS é uma revolução na navegação, ele é uma tecnologia que determina a localização do usuário em qualquer ponto do mundo, 24 horas por dia, em quaisquer condições de tempo. Projetado inicialmente para fins militares, logo o sistema tornou-se disponível para uso civil em aviação, levantamentos marítimos e para o mercado geral de recreação ao ar livre. Hoje em dia, milhões de pessoas utilizam essa tecnologia para diversas atividades com para caçar, pescar, passear, voar e navegar. O sistema foi concebido para que a constelação de satélites (Figura 03) exista no mínimo quatro satélites visíveis acima do horizonte em qualquer ponto da superfície e em qualquer altura. Através do receptor instalado no equipamento, começará a calcular sua posição através de uma triangulação, quando o equipamento estiver recebendo sinal de mais de quatro satélites, normalmente entre cinco e doze, o mesmo selecionará continuamente os melhores para a determinação do seu posicionamento. ROCHA (2004). Quanto aos métodos de posicionamento e determinação da coordenada que o receptor se localiza, dependerá do objeto e exatidão que se deseja. Segundo HOFFMANN (2001), as principais técnicas de levantamento com observações por GPS são: posicionamento estático e cinemático. 2.2.3.1 LEVANTAMENTO POR POSICIONAMENTO ESTÁTICONesse procedimento um receptor é colocado em um ponto cujas coordenadas são conhecidas e determinadas, também chamado de base, e outro receptor é colocado sobre um ponto cuja coordenada é desconhecia e desejada (McCormac, 2013). Segundo GONÇALVES (2012), os receptores devem ser instalados em um ponto conhecido e outro no ponto a coordenar por um período de trinta minutos a uma hora. As coordenadas dos pontos de referência devem estar referenciadas a um Datum conhecido, como visto no item 2.2.2 no Brasil é utilizado o SIRGAS 2000. Essa técnica de observação permite obter a posição do ponto com alto grau de acurácia, podendo chegar a precisão centimétrica ou milimétrica, dependendo do comprimento entre a base e o receptor. sistema de levantamento por posicionamento estático Figura 4 - Levantamento estático de coorden O posicionamento estático é passível de ser executado com apenas um receptor, desde que o usuário disponha de dados de uma ou mais estações do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) homologados pelo Geografia e Estatística (IBGE 2.2.3.1 LEVANTAMENTO POR POSICIONAMENTO Uma aplicação de grande impacto recentemente é o levantamento cinemático preciso em tempo real (RTK) que proporciona exatidão levantamentos. Costa et al. (2008) afirma que para a realização de um levantamento RTK é necessário um receptor instalado em uma estação com coordenadas conhecidas, denominado de estação de referência ou base RTK, um (rover), e um rádio de comun RTK ao receptor móvel (rover e o receptor móvel, desempenha um papel fundamental para o sucesso do levantamento RTK, tendo em vistas que as correções base e rover devem ser realizadas em tempo levantamento cinemático com a tecnologia RTK utilizando dois receptores de GPS. comprimento entre a base e o receptor. A Figura 4 demonstra o funcionamento do sistema de levantamento por posicionamento estático. Levantamento estático de coordenada com GPS Fonte: Neto, 2006 O posicionamento estático é passível de ser executado com apenas um receptor, desde que o usuário disponha de dados de uma ou mais estações do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) homologados pelo Instituto Brasileiro de IBGE). POR POSICIONAMENTO CINEMÁTICO (RTK) grande impacto recentemente é o levantamento cinemático preciso em tempo real (RTK) que proporciona exatidão centimétrica nos et al. (2008) afirma que para a realização de um levantamento RTK é necessário um receptor instalado em uma estação com coordenadas conhecidas, denominado de estação de referência ou base RTK, um ), e um rádio de comunicação para enviar os dados da estação rover). O link de comunicação entre a estação de referência receptor móvel, desempenha um papel fundamental para o sucesso do tendo em vistas que as correções da posição (dist devem ser realizadas em tempo real. Na Figura 5, exemplifica um levantamento cinemático com a tecnologia RTK utilizando dois receptores de GPS. 25 A Figura 4 demonstra o funcionamento do ada com GPS O posicionamento estático é passível de ser executado com apenas um receptor, desde que o usuário disponha de dados de uma ou mais estações do Instituto Brasileiro de (RTK) grande impacto recentemente é o levantamento cinemático centimétrica nos et al. (2008) afirma que para a realização de um levantamento RTK é necessário um receptor instalado em uma estação com coordenadas receptor móvel estação de referência de comunicação entre a estação de referência receptor móvel, desempenha um papel fundamental para o sucesso do da posição (distância) entre igura 5, exemplifica um levantamento cinemático com a tecnologia RTK utilizando dois receptores de GPS. 26 Figura 5 - Levantamento cinemático RTK de coordenada com GPS Fonte: Neto, 2006 Para obter-se melhores resultados nesse método, a antena do GPS da base deve ser montada preferencialmente em um local aberto, ou seja, longe de prédios e vegetações altas. Com esse cuidado, evita-se a perda do sinal, captura de maior quantidade de satélites e efeitos de multicaminhamento de sinal. É ideal que a antena com o rádio seja montada o mais alto possível para maximizar a área de cobertura do sinal. 2.3 FOTOGRAMETRIA Segundo Coelho e Brito (2007), a palavra fotogrametria, cuja origem dos radicais vêm do grego: photon [luz], graphos [escrita] e metron [medições], que significa medições executadas através de fotografias. Já segundo a Internacional Socity for Photogrammetryand Remote Sensing (ISPRS), a fotogrametria é definida como sendo a arte, ciência e tecnologia de obtenção de informações confiáveis sobre os objetos físicos e o meio ambiente através de processos de gravação, medição e interpretação de imagens fotográficas. Com o avanço tecnológico a evolução ocorreu ao longo dos anos passando da fotogrametria analógica para analítica e na modernidade passou para digital. Na década de 1960 surgiu à fotogrametria analógica, na mesma época da invenção dos estereoscópios, que foi o responsável por grande parte dos mapeamentos topográficos. O advento dos microcomputadores, a fotogrametria 27 analítica se desenvolveu consideravelmente, pois possibilitou o aumento da velocidade nas etapas de ajustamento de observações. A fotogrametria Digital deu-se início nos anos oitenta, mas teve sua grande ascensão na próxima década, onde os computadores já possuíam uma capacidade maior de processamento dos dados das análises de imagens digitais. A imagem digital pode ser adquirida de duas maneiras, por digitalização de filmes analógicos ou diretamente de uma câmera digital. Com o desenvolvimento da aviação e tecnologia, a fotogrametria ganhou destaque no mapeamento de áreas. Atualmente a técnica da aerofotogrametria é a mais utilizada para o mapeamento de áreas com grande dimensão, principalmente no mapeamento sistemático. Isso ocorre principalmente em razão de apresentar produtos precisos a custos relativamente baixos (ALMEIDA, 2014). 2.3.1 Levantamento Aerofotogramétrico A Fotogrametria Aérea (Aerofotogrametria) é uma subdivisão da Fotogrametria, onde as fotografias da área a ser levantada são tomadas por uma câmera de precisão montada em uma aeronave (TOMMASELLI, 2004). A técnica aerofotogramétrica é aplicada nas atividades de mapeamento para cartografia, planejamento e desenvolvimento urbano, monitoramento de obras civis, na área agronômica e florestal, com a finalidade de determinar a posição dos objetos, a forma e dimensões contidas na fotografia. Segundo Paredes (1987), para um levantamento fotogramétrico completo, deve ser feita uma cuidadosa programação do voo fotogramétrico, que tem por objetivo a obtenção da cobertura aerofotogramétrica da área do terreno, cujo levantamento topográfico será realizado por meio de fotogrametria. A cobertura aerofotogramétrica é um conjunto de fotografias aéreas verticais tecnicamente tiradas a partir de uma aeronave, de forma a assegurar uma correta e completa representação de toda a área do terreno a ser estudado (PAREDES, 1987). Para Coelho e Brito (2007), duas imagens adjacentes devem ter um recobrimento mínimo (área de superposição) nominal de 60%, também chamado de recobrimento longitudinal e duas faixas de voo devem possuir, pelo menos, um recobrimento lateral (transversal) de 30% de modo a garantir a operacionalidade do 28 método, conforme Figura 6. No caso de uma cobertura aerofotogramétrica cuja finalidade é a obtenção de parâmetros planialtimétricos, a taxa de recobrimento deve ser de pelo menos 75%. Figura 6 - Superposição longitudinal e lateral Fonte: Tommaselli (2004) 2.3.2 Fototriangulação Segundo Lugnani (1987), a fototriangulação é um método de determinação de coordenada de pontos de interesse no espaço objeto, sendo necessário conhecer a relação geométrica entre as fotografias adjacentes, o controlede campo mediante pontos de apoio e o conjunto de valores aproximados de parâmetros de orientação das fotogrametrias. Os pontos de apoio são objetos ou alvos identificáveis no terreno que irão aparecer nas imagens aéreas (fotografias), ou seja, pontos de referência com coordenada geográfica processada com GPS geodésico que são utilizados nos processamentos das imagens para aumentar a qualidade dos produtos fotogramétricos, pois fazem a relação entre o sistema de coordenadas das imagens com o sistema de coordenada do terreno. Coelho (2007) destaca que o planejamento da fototriangulação deve iniciar na cobertura fotogramétrica, pois é necessário conhecer o número de pontos de campo, realizar um voo apoiado, entre outros fatores que modificam os procedimentos futuros, pois é necessário confiar que os dados para a triangulação foram obtidos com qualidade. Coelho (2007) também afirma que, a obtenção de coordenadas de todos os pontos do levantamento aerofotogramétrico estão vinculados através da interpolação 29 de apenas alguns pontos obtidos em campo, por esse motivo, o método de fototriangulação caracteriza um importante passo nas técnicas fotogramétricas. 2.3.1 Resolução Um parâmetro fundamental nos aerolevantamentos é o Ground Sample Distance (GSD), que em tradução literal significa: Distância de Amostra do Solo. Segundo Silva Neto (2015) o GSD é um conceito relacionado à resolução espacial do levantamento aerofotogramétrico digital, que representa o tamanho do pixel de uma imagem em unidades de terreno. A definição do GSD está atrelada a nitidez desejada para o mapeamento e é uma das variáveis mais importantes a serem definidas. Essa relação está em função da altura do voo e a distância focal da câmera instalada no drone. O tamanho do GSD de um levantamento é inversamente proporcional ao nível detalhamento atingido, porém GSDs menores irão exigir maior quantidade de imagens, maior tempo de voo e maior a capacidade de processamento, para mapear uma área de mesma dimensão, do que um GSO maior, segundo Silva Neto (2015). 2.4 ERROS Para qualquer levantamento topográfico de uma área qualquer na superfície terrestre, esta suscetível a erros. Segundo VEIGA (2012) as fontes de erros poderão ser: Condições ambientais: causados pelas variações das condições ambientais, como vento, temperatura, etc. Exemplo: dilatação no comprimento de uma trena metálica com a variação da temperatura. Instrumentais: causados por problemas como a imperfeição na fabricação do equipamento ou no ajuste do mesmo. A maior parte dos erros instrumentais pode ser reduzida adotando técnicas de verificação, calibração e classificação. Pessoais: causados por falhas humanas, como falta de atenção ao executar uma medição, cansaço, etc. 30 Segundo o mesmo autor, os erros causados por estes três elementos apresentados anteriormente, poderão ser classificados em: Erros grosseiros Erros sistemáticos Erros aleatórios 2.4.1 Erros Grosseiros Podem ser causados por um equívoco na medição, leitura errada nos instrumentos, identificação de alvo, etc., normalmente está relacionado a desatenção do operador ou uma falha no equipamento de medição. Como exemplo de erros grosseiros pode-se registrar o número 169 ao invés de 196 ou contar de maneira errada os lances da medição de uma distância com uma trena. Para evitar esses tipos de erros o operador deve cerca-se de cuidados para evitar a sua ocorrência ou ficar atento para detectar sua presença. Uma forma de evitar erros grosseiros e realizar repetições de leituras das medições. 2.4.2 Erros Sistemáticos São erros cuja magnitude e sinais algébricos podem ser determinados, seguindo leis matemáticas ou físicas. São erros produzidos por causas conhecidas e que se acumulam ao longo das medições e podem ser eliminados mediante a aplicação de formulas específicas. Exemplo de erros sistemáticos, que podem ser corrigidos através de fórmulas específicas, como a correção do efeito da temperatura e pressão na medição de distância através da estação total ou correção do efeito da dilatação de uma trena em função da temperatura. 2.4.3 Erros Acidentais ou Aleatórios De acordo com GEMAEL (1991, p.63), quando o tamanho de uma amostra de medição é elevado, os erros acidentais apresentam uma distribuição de freqüência 31 que aproxima-se da distribuição normal. Ou seja, são aqueles erros que acabam permanecendo quando os erros grosseiros e sistemáticos já foram eliminados. Como exemplo de erros acidentais, identifica-se a inclinação da baliza na hora de realizar a medição ou o erro de pontaria na leitura da direção horizontal. 2.4.4 Precisão e Acurácia Segundo AMORIM (2004), o termo precisão é o grau de refinamento com o qual uma grandeza é medida. Ou seja, a capacidade de um instrumento de medição fornecer a mesma leitura quando repetidamente medir a mesma quantidade sob as mesmas condições prescritas (condições ambientais, operador e etc.) sem considerar a coincidência ou discrepância entre os resultados e o valor verdadeiro. Precisão implica em proximidade entre medidas sucessivas. Já acurácia, segundo VEIGA (2012), também é chamado de exatidão, expressa o grau de aderência das observações em relação ao seu valor verdadeiro, estando vinculada a efeitos aleatórios e sistemáticos. A Figura 6 ilustra estes conceitos. Figura 7 - Precisão e acurácia. Fonte: Veiga, 2012 O seguinte exemplo pode ajudar a compreender a diferença entre eles: um atirador treinando tiro ao alvo. No primeiro exemplo da Figura 07 ele foi muito preciso, mas não teve uma boa acurácia, ou seja, os tiros firam muito próximos um dos outros mais ficaram longe do centro do alvo. Já no segundo exemplo, o atirador foi preciso e acurado, pois atingiu vários tiros dentro do alvo. E por fim, no terceiro exemplo o atirador não foi nem preciso e nem acurado, pois os tiros ficaram dispersos longe do alvo central. 2.5 APARELHOS TOPOGRÁFICOS DE MEDIÇÃO Na topografia e g levantamento topográfico determinação geométrica é obtida a partir destas duas informações. Nos itens seguir, serão demonstrados alguns instrumentos ou utilizados para obter essas duas grandezas citadas acima. 2.5.1 Trena A trena é um dos instrumentos mais comum para medição e é composto por uma fita métrica metálica, fibra de vidro, plástico ou de pano. Geralmente para facilitar o transporte é possível fazer medições de comprimento, largura, altura ou profundidade de um objeto ou área. Seu corpo possui graduações em metros, centímetros e milímetros, e alguns ainda apresentam graduaçõe Figura 8 é possível verificar dois exemplos de trena Figura dor não foi nem preciso e nem acurado, pois os tiros ficaram dispersos longe do alvo central. APARELHOS TOPOGRÁFICOS DE MEDIÇÃO Na topografia e geodésia os parâmetros base para qualquer tipo de levantamento topográfico são a partir dos ângulos e das distâncias. Qualquer determinação geométrica é obtida a partir destas duas informações. Nos itens seguir, serão demonstrados alguns instrumentos ou aparelhos topográficos mais utilizados para obter essas duas grandezas citadas acima. é um dos instrumentos mais comum para medição e é composto por uma fita métrica metálica, fibra de vidro, plástico ou de pano. Geralmente para facilitar o transporte é possível fazer medições de comprimento, largura, altura um objeto ou área. Seu corpo possui graduações em metros, centímetros e milímetros, e alguns ainda apresentam graduações em polegadas. Na é possível verificar dois exemplos de trenas métricas. Figura 8 - Exemplos de trenas métricas Fonte: Veiga, 2012 32 dor não foi nem preciso e nem acurado, pois os tiros ficaram eodésia os parâmetros base para qualquer tipo de distâncias. Qualquer determinação geométrica éobtida a partir destas duas informações. Nos itens a aparelhos topográficos mais é um dos instrumentos mais comum para medição e é composto por uma fita métrica metálica, fibra de vidro, plástico ou de pano. Geralmente é retrátil, para facilitar o transporte é possível fazer medições de comprimento, largura, altura um objeto ou área. Seu corpo possui graduações em metros, s em polegadas. Na 33 2.5.2Teodolito Os são instrumentos de precisão óptico que são utilizados na topografia para determinar ângulos verticais e horizontais e prolongar linhas retas. O equipamento possuí dois principais eixos (vertical e horizontal) que são equipados com círculos graduados que podem ser lidos através de lentes de aumento. O limbo horizontal permite o travamento em qualquer posição, realizando leitura de graus, minutos e segundos (sistema analógico). A representação dos eixos pode ser verificada na Figura 8. Figura 9 - Eixos e círculos de um teodolito Fonte: Wikipédia, 2019 Durante as últimas décadas, com o avanço da eletrônica surgiram o teodolito eletrônico, cuja função é fornecer os ângulos diretamente em uma tela de visualização, ou seja, sem a necessidade de microscópios que era preciso utilizar no teodolito analógico. Para realização das distâncias até os pontos, utilizava-se uma trena convencional ou um distanciômetro que era acoplado sobre o teodolito e fazia uma leitura da distância até o ponto desejado. Um exemplo de teodolito analógico e eletrônico respectivamente são apresentados na Figura 10. 34 Figura 10 - Exemplo de teodolito analógico e digital. Fonte: Wikipédia, 2019 Quanto à precisão a NBR 13.133 (ABNT, 1994, p.6) classifica os teodolitos segundo o desvio padrão de uma direção observada em duas posições da luneta, conforme Quadro 2 Quadro 2 - Classificação dos Teodolitos. Classes de Teodolitos Desvio padrão Precisão Angular 1 – Precisão baixa ≤ ± 30” 2 – Precisão média ≤ ± 07” 3 – Precisão alta ≤ ± 02” Fonte: (NBR 13.33/94 – ABNT) 2.5.3 Níveis Os níveis são equipamentos utilizados somente para determinação de diferença de altura entre dois pontos, também chamado de desnível, através de visadas horizontais com utilização de miras. Apresenta-se na Figura 11 um nível óptico. As principais partes de um nível são: Luneta; Nível de bolha; 35 Sistemas de compensação (para equipamentos automáticos); Dispositivos de calagem. Figura 11 - Exemplo nível óptico. Fonte: Wikipédia, 2019 Quando ao funcionamento, os níveis podem ser classificados como ópticos ou digitais, sendo que no primeiro a leitura é feita pelo operador e a segunda faz-se de forma automática empregando miras com códigos de barras conforme verifica-se na Figura 12. Figura 12 - Exemplo de mira normal e com código de barras. Fonte: Wikipédia, 2019 Os níveis são classificados conforme o desvio padrão apresentados na Quadro3. Quadro Classes de Níveis 1 – Precisão baixa 2 – Precisão média 3 – Precisão alta 5 – Precisão muito alta 2.5.4 Aparelho Estação Total Atualmente a Estação Total realizar medições como ângulos lineares de forma eletrônica, além de haver um sistema de armazenamento das informações obtidas em campo transferir os dados armazenados nos equipamentos para computadores pessoais ou cartões de memória e posteriormente importar em algum topografia e processar os dados e pontos. Na Estação Total. As estações totais são classificadas de acordo com o apresentados no Quadro4. Quadro 3 - Classificação dos Níveis. Classes de Níveis Desvio padrão Precisão baixa > ± 10 mm/km Precisão média ≤ ± 10 mm/km Precisão alta ≤ ± 3 mm/km Precisão muito alta ≤ ± 1 mm/km Fonte: (NBR 13.33/94 – ABNT) Aparelho Estação Total stação Total é o principal aparelho utilizado e é capaz de realizar medições como ângulos verticais e horizontais, assim como de forma eletrônica, além de haver um sistema de armazenamento das informações obtidas em campo e executar alguns cálculos em campo transferir os dados armazenados nos equipamentos para computadores pessoais ou cartões de memória e posteriormente importar em algum software específico para topografia e processar os dados e pontos. Na Figura 13apresenta-se um exempl Figura 13 - Estação Total Fonte: Wikipedia, 2019 As estações totais são classificadas de acordo com o 36 o principal aparelho utilizado e é capaz de is e horizontais, assim como de distâncias de forma eletrônica, além de haver um sistema de armazenamento das em campo. É possível transferir os dados armazenados nos equipamentos para computadores pessoais ou específico para um exemplo de desvio padrão 37 Quadro 4 - Classificação das Estações Totais Classes de Estações Totais Desvio padrão Precisão Angular Desvio Padrão Precisão linear 1 – Precisão baixa ≤ ± 30” ± (5 mm + 10 ppm x Dist) 2 – Precisão média ≤ ± 07” ± (5 mm + 5 ppm x Dist.) 3 – Precisão alta ≤ ± 02” ± (3 mm + 3 ppm x Dist.) Fonte: (NBR 13.33/94 – ABNT) Para realização das medições a estação total utiliza de um prisma refletor (Figura 14) que é acoplado em um bastão metálico. Colocando este prisma sobre o ponto onde se deseja medir, a Estação total emite um feixe de laser que reflete no prisma e retorna ao equipamento. Através do tempo de resposta e do ângulo que a luneta está posicionada, a estação total calcula o ângulo e a distância do objeto medido. Figura 14 - Prisma refletor. Fonte: Wikipedia, 2019 Alguns instrumentos mais modernos possuem a habilidade de fazer leitura diretamente no objeto desejado, outros ainda, são robotizados permitindo que o operador controle a estação total a distância via controle remoto. 2.5.5 Receptores GPS Os receptores são aparelhos que fazem o rastreio de sinal de satélites, sendo que, com apenas quatro satélites já possibilita a determinação da posição fixa tridimensional, porém deseja-se uma quantidade maior de satélites seja rastreada simultaneamente para melhor acurácia da coordenada. 38 Na atualidade os equipamentos de GPS voltados à mensuração, são comercializados diversos modelos de receptores e para mais as diversas aplicações, sendo que, existem os receptores de posicionamento ou navegação e receptores de aplicações geodésicas. 2.5.5.1 Receptor GPS para navegação O GPS de navegação são receptores que não exigem muita precisão nem exatidão na determinação da sua posição, por isso possui menor custo. Ele é um aparelho normalmente destinado para navegação sobre a terra ou no mar, para atividades como esporte e lazer, onde o usuário tem apenas uma noção do ponto onde esta localizado ou o seu deslocamento. Geralmente os modelos possuem um mapa na tela para melhor interatividade com o usuário. O GPS de navegação, também conhecido como GPS de mão, possui um erro de 3 a 15 metros em suas coordenadas e não registra os dados do rastreamento para posteriores processamentos, refinamento ou análise dos dados. Os sinais coletados são usados instantaneamente para o cálculo das coordenadas, em tempo real, no local em que o receptor localiza-se. Não ocorre ajustes ou controle de erros sistemáticos inerentes ao sistema, além de receber apenas uma frequência de sinal dos satélites (código C/A). A Figura 15 demonstra um receptor de navegação. Figura 15 - GPS de navegação Fonte: Garmin, 2019 39 2.5.5.2 Receptor GPS geodésico São aparelhos de dupla frequência L1 e L2 e os receptores apresentam uma maior acurácia e confiabilidade (NETO, 2006). A precisão nominal dos receptores geodésicos é da ordem de 1 a 3mm + 0,5 partes por milhão (ppm) independente do comprimento da linha de base. Na Figura 16 demonstra um receptor geodésico com um emissor de sinal rádio acoplado no tripé utilizado para levantamentos topográficos.Figura 16 - GPS geodésico e Rádio externo. Fonte: Wikipédia, 2019 2.5.6 Veículos Aéreos não Tripulados (VANTS) Segundo Vidal (2013 apud. Venturini, 2015, p. 27), um VANT ou no inglês Unmanned Aerial Vehicle (UAV) é uma nomenclatura genérica para identificar aeronaves, que poderão ter várias dimensões e características distintas, e que podem voar sem um piloto a bordo. Já conforme Dias et al. (2015, p. 30), o VANT também é conhecido como drone, que significa zangão em inglês, e trata-se de aeronaves controladas remotamente que se constituem como ferramentas bastante conhecidas no exterior, especialmente por órgãos governamentais e militares. No Brasil, como observa Figueira et al. (2015, p. 214), existem outras expressões utilizadas para designar esse tipo de aeronave, que são pilotados remotamente, com contato visual ou não, caracterizando-se como Remotly Piloted Aircraft (RPA), VANT’s, vulgarmente denominados drones. Ainda segundo o autor, estes equipamentos têm sido usados amplamente, nas quais são embarcados 40 sensores de altitude, câmeras digitais,câmeras infravermelho termal e sistema de GPS. Os dados coletados durante o voo podem ser transmitidos por tecnologia sem fio ou então são armazenados em gravadores a bordo (JENSEN, 2009). Conforme Souza (2015, p. 14), de maneira geral, o uso do VANT se limita em áreas consideradas reduzidas para serem mapeadas com o uso de aeronaves tradicionais, porém extensas demais para serem mapeadas por métodos topográficos. Desse modo, conforme Gonçalves et al. (2016, p.4), a recente disponibilização e utilização dos UAS aliada com o desenvolvimento e facilidade de uso de Software Fotogramétrico baseado em algoritmos e correlação densa, abre as portas para o uso intensivo desta geotecnologia na monitorização topográfica das superfícies. No entanto, ressalta-se que esta tecnologia está sendo recentemente usada no Brasil para fins de mapeamento, embora utilizada para outros fins, como de ordem ambiental e de ordem jornalística, atividades em que a obtenção de medidas precisas não é um objetivo fundamental (DIAS et al., 2014, p. 30). 2.5.6.1 Tipos de VANT’s Os Segundo MONTEIRO (2017), VANT’s podem ser divididos em duas categorias baseadas em seu mecanismo de voo, que são: Drones de Asa-Fixa: são mais similares a aviões, por serem dotados de asas, as quais o tornam capazes de realizar voos com velocidades elevadas, com maiores tempos de duração. Não necessariamente precisam de uma pista de pouso e decolagem, pois são capazes de realizar de maneira programada e automática, mas são inadequados para operações em locais pequenos e em operações de inspeção/vigilância representado na Figura 17. Figura 17 - VANT de asa-fixa. Fonte: Sensefly, 2019 41 Multirotores: Capazes de pairar em uma posição fixa e de voar em qualquer direção, sendo, com isso, capazes de realizar manobras de forma mais rápida e com maior eficiência se comparado ao UAV de asa-fixa. Possuem ainda a vantagem de poderem decolar verticalmente, não sendo necessária a utilização de uma rampa ou pista de decolagem representada na Figura 18. Figura 18 - VANT Multirotores. Fonte: DJI, 2019 42 3 METODOLOGIA DA PESQUISA O método de pesquisa aplicado para o desenvolvimento deste trabalho trata- se um estudo de caso, tendo como objetivo efetuar levantamento topográfico de maneira convencional através do uso de estação total e GPS RTK, e para efetuar o comparativo técnico e econômico dos resultados obtidos para a mesma área porém com levantamento utilizando-se RPA e GPS RTK. 3.1 ÁREA DE ESTUDO Definiu-se uma área localizada no bairro Vila Nova na cidade de Joinville em Santa Catarina. A propriedade possui aproximadamente 85.115,00 m² (5,51 ha), confrontando ao norte com as ruas Márcio Luckow, rua Carlos Guilherme Jerke, rua Haroldo Carlos Miers e algumas propriedades particulares, ao leste confronta com uma área particular, ao oeste com um condomínio de prédios residenciais e ao Sul confrontando com rio do Motucas. A área escolhida, apresentada na Figura 19 é uma antiga plantação de arroz e que atualmente tem potencial para ampliação do bairro e implantação de loteamento residencial. Para caracterizar a localização, o imóvel possui a seguinte coordenada geográfica: N=7089723,3414 e E=708733,6093. Figura 19 - Área de estudo Fonte: Google maps, 2019 43 3.2 LEVANTAMNTO TOPOGRÁFICO COM MÉTODO CONVENCIONAL Os equipamentos utilizados para a coleta de dados em campo foram GPS Receptor Trimble RTK R4 e Estação Total M3 Trimble. Estes equipamentos permitem a coleta dos dados em meio digital, bem como sua transferência direta para um microcomputador. Esta característica evita a intervenção ou manipulação destes dados de forma analógica, preservando-se assim a total integridade física e fidelidade dos mesmos. 3.2.1 Estação Total Para a execução deste trabalho utilizou-se uma Estação Total eletrônica da marca Trimble, modelo M3, ilustrada na Figura 20. Este modelo tem as seguintes especificações técnicas: Quanto à precisão: Precisão angular de 2”; Precisão linear de 2mm + 2ppm; Quanto ao alcance de medição 5.000m com 1 prisma; 300m sem primas; Quanto às características físicas: À prova d’água (IP66) Amplo display de tela cristal líquido sensível ao toque; Teclado alfanumérico expandido; Prumo a laser Figura 20 - Estação Total M3 Trimble Fonte: Santiagoecintra, 2019 44 3.2.2 GPS RTK Utilizou-se o GPS Receptor Trimble RTK R4, para o levantamento de campo e pode ser verificado na Figura 21. Este modelo tem as seguintes especificações técnicas: Quanto ao receptor e rádio: Receptor GNSS L1/L2 e L2C (GPS e GLONASS). Sistema de rádiocom 220 canais. Quanto à características físicas: Antena, memória e bateria integrados com tecnologia Bluetooth para conexão com o coletor de dados e com o PC. Totalmente a prova d´água e poeira (IP67). Precisão: Para levantamento GNSS estático 3mm + 0,1 ppm na horizontal Para levantamento GNSS estático 3,5mm + 0,4 ppm na vertical Para levantamento cinemático RTK 8 mm + 1 ppm na horizontal Para levantamento cinemático RTK 15 mm + 1 ppm na vertical Fonte: Santiagoecintra, 2019 3.2.3 Softwares Como são equipamentos do mesmo fabricante, tanto na estação total como no GPS, o software utilizado foi o Trimble Access (Figura 21). Figura 21 - GPS Receptor Trimble RTK R4 45 Figura 22 - Tela do Trimble Access Versão. Fonte: Santiagoecintra, 2019 Para realização da coleta dos dados em campo, o software possibilitou armazenar as informações necessárias para posterior cálculo e processamento das coordenadas dos pontos. Quanto aos softwares utilizados no escritório para processamento dos dados foram Trimble Business Center (TBC) versão 2.96 para processamento de dados dos pontos de controle e pontos de base do levantamento, Sistema Topograph SE versão 4.03 para cálculo da poligonal e irradiações com a estação total e desenho prévio do levantamento planialtimétrico e por fim, o AutoCAD versão 2016 da AutoDesk para o desenho da planta topográfica. 3.2.4 Planejamento e Métodos A realização desse estudo iniciou-se com a visita até o imóvel para vistoria. Após esta etapa, procede-se com a implantação dos pontos de apoio, que serão usados para o georreferenciamento e pontos iniciais do levantamento topográfico com a estação total. O ponto de apoio pode ser observado na Figura 23. 46 Figura 23 - Implantação dos pontos de apoio. Fonte: o Autor, 2019 Então, instalou-se o equipamento GPS RTK Trimble sobre os pontos de apoio para início do rastreio GNSS, ou seja, o georreferenciamento dos pontosimplantados. Após levantamento dos dados com GPS, o processamento realizou-se em função da Estação SCAQ (Araquari-SC) da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do IBGE, esses dois pontos foram definidos como pontos de referência para o levantamento dos dados. Para o levantamento topográfico definiu-se dois métodos de coleta de dados: levantamento geodésico com GPS RTK e levantamento topográfico através de poligonação com estação total. Como a área possuía pouca vegetação optou-se, na maior parte, em efetuar o levantamento com o sistema cinemático, excluindo a área próxima ao rio Motucas, pois possuía alguma vegetação e fez-se o levantamento com a estação total. O levantamento topográfico dos pontos iniciou-se instalando o GPS RTK no ponto de base, e efetuando a configuração, como nome da obra, local, Datum, altura do equipamento entre outros. Após isso, fez-se configuração do bastão com o rover, também incluindo as informações da altura do bastão em relação ao solo. Então, seguiu-se o levantamento para coletar informações espaciais dos elementos planimétricos, compostos basicamente pelos alinhamentos de divisas entre propriedades, malha do sistema viário local, alinhamentos prediais, testadas de lotes, postes, sistemas de drenagem, sistemas de esgoto, sistemas de distribuição de água, cursos hídricos, vegetação, taludes, vertentes e rios. 47 As informações altimétricas do terreno natural eram obtidas a partir da malha de pontos com elevação, coletados sistematicamente de acordo com as características e feições físicas do terreno, ou seja, pontos representativos da superfície do terreno. Com base nestes pontos, e para cada projeto ou serviço técnico prestado, definiu-se a interpolação dos pontos a fim de criar as superfícies físicas do terreno e curvas de nível. Com relação ao levantamento com a estação total, iniciou-se com a instalação, nivelamento e configuração do aparelho sobre o ponto onde o GPS estava instalado determinou-se a leitura da ré em outro ponto de coordenada conhecida. Após esse procedimento, realizou-se a leitura do ponto da vante e também o levantamento de pontos irradiados, alguns desses procedimentos foram repetidos até concluir o levantamento com a estação total. Após finalizar o levantamento planialtimétrico do imóvel, os equipamentos (Estação Total TrimbleM3 e GPS Trimble R4 RTK), tiveram seus arquivos de projetos descarregados e organizados em hierarquias de pastas, sistematizadas para cada projeto. Em seguida, após os dados brutos dos levantamentos serem organizados, efetuou-se o processamento dos dados em softwares específicos para topografia como Topograph98SEe o TBC. O processamento dos dados os arquivos de pontos foram importados na plataforma AutoCAD2016. No ambiente do software de desenho eram iniciados os projetos baseados em arquivos templates. Os templates são capazes de salvar configurações padronizadas de grafia e visualização de objetos entidades do AutoCAD, como estilos de pontos, superfícies, platôs de terraplenagem, alinhamentos, perfis, estradas, redes de saneamento e etiquetas descritivas para cada um destes elementos. Com base na sequência de etapas descritas acima deu-se prosseguimento às atividades de desenho para produção da peça técnica do levantamento topográfico planialtimétrico cadastral. Nesta etapa importaram-se os pontos do respectivo levantamento, vetorizando os elementos planimétricos que constituem a base cartográfica e realizado a interpolação à superfície natural do terreno. Então, realizam-se as curvas de nível de metro em metro, planta de localização, quadro de áreas, informações do terreno, situação com grades de coordenadas Universal Transversa de Mercator (UTM) e demais informações cartográficas como Datum utilizados, fuso UTM, meridiano central, nortes de quadricula, geográfico e 48 magnético, convergência meridiana, legendas e escalas. 3.3 LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICOCOM RPA 3.3.1 RPA (Drone) O RPA utilizado no aerolevantamento foi o ANAFI WORK, Ilustrado na Figura 24. É uma ferramenta compacta, e possui uma câmera 4k HDR / 21 MP com orientação vertical de 180° (gimbal), permitindo capturar imagens de áreas inacessíveis. O Drone consegue operar por uma hora e quarenta minutos com 4 baterias, onde cada voo pode durar até vinte e cinco minutos. Figura 24 - Drone AnafiWork da Fabricante Parrot. Fonte: Parrot, 2018 Características e especificações técnicas: Câmera fotográfica de 21 MP e vídeo 4K Gimbal 180° Resiste a ventos de até 50 km/h 4 baterias Carregador múltiplo de até 5 baterias Portabilidade com 320g Entrada de cartão de memória Sistemas de posicionamento por satélite: GPS E GLONASS Lente: Abertura: f / 2.4 49 Distância focal (equivalente no formato 35mm): 23-69mm (foto), 26-78mm (vídeo) Velocidade do obturador: obturador eletrônico de 1 a 1 / 10000s Faixa de ISO: 100-3200 3.3.2 Softwares Os sistemas para controle do RPA e capturas das imagens ocorreram pelo aplicativo de celular Pix4Dcapture, sendo possível sua visualização na Figura 25. Figura 25 - Aplicativo Pix4Dcapture. Fonte: Pix4D, 2019 Para o processamento das imagens utilizou-se o sistema Agisoft Metashape e Global Mapper 19. 3.3.3 Plano do voo Para mapear a área de estudo foram sobrevoados cerca de 151.536 m² (15,15 ha) e um polígono de 246 m x 652 m aproximadamente. O plano de voo foi elaborado com o apoio do aplicativo Pix4Dcapture, pois é o software que melhor apresentou compatibilidade com RPA utilizado para captura das imagens durante a missão de voo e com o dispositivo Android utilizado para o pareamento e controle da aeronave. 50 Para o levantamento, o voo foi planejado com uma sobreposição lateral e longitudinal (overlap) de 80%, com a câmera posicionada em 90°, a uma altitude de 141 metros, um GSD de 3,87 cm/pixel e um voo de 9min:00s, conforme a Figura 26. Figura 26 - Plano de voo no aplicativo Pix4Dcapture. Fonte: Pix4D, 2019 3.3.4 Pontos de apoio ou controle Os pontos de apoio foram demarcados comum piquete de madeira cravado no solo e fazendo um “x”com cal sobre o mesmo, como mostra a Figura 22. Os pontos de controle registram os pontos que depois serão identificáveis nas fotos realizadas pelo RPA e são importantes para fazer a correção entre o sistema de coordenadas da imagem com o do terreno através do software de processamento. Planejou-se a distribuição dos pontos de apoio em função do plano de voo, e foram posicionados em sua maioria dentro da propriedade, conforme Figura 27. Antes de realizar o voo, os pontos de controle foram georrefenciados com o equipamento de GPS, assim obteve-se a coordenada de cada ponto implantado na área. 51 Figura 27 - Pontos de Apoio implantados. Fonte: Google Earth, 2019 3.3.5 Processamento dos dados As fotos do voo foram processadas no software de processamento digital de imagens chamado Agisoft Metashape, utilizando computador com o processador um CPU Intel Core i3-2330M 2,2GHz, com 4Gb de memória RAM, VGA Intel 3000 e HD de 500Gb de capacidade. O objetivo desta etapa efetivou a geração dos produtos fotogramétricos, modelo tridimensional da superfície, modelo digital de elevação, o mosaico de orotoimagens e o mapa de curvas de nível. A sequência dos passos executados para o processamento das imagens foi a seguinte: I. Importação das imagens para o software II. Inspeção das falhas e remoção de imagens III. Calibração os parâmetros da câmera IV. Alinhamento das fotos V. Conversão da referência das fotos para Datum SIRGAS 2000 VI. Importação das coordenadas georreferenciadas dos pontos de apoio VII. Filtrar as fotos que capturaram dos pontos de apoio VIII. Referenciar as fotos para os pontos de apoio IX. Alinhamento das fotos X. Geração da malhadensa de pontos (Dense Cloud) XI. Classificação dos pontos 52 XII. Geração do modelo digital de elevação (DEM) XIII. Geração do ortomosaico XIV. Exportação dos resultados com pontos de apoio XV. Geração dos relatórios com pontos de apoio 3.4 APRESENTAÇÃO E REPRESENTAÇÃO GRÁFICA Para esta pesquisa os produtos cartográficos relacionados a cada metodologia apresentada neste capítulo, são demonstrados nos Anexos 1 e 2 que reúne os seguintes elementos: Escala 1:1500 planta com a representação do imóvel através do levantamento topográfico convencional e curvas de nível a cada 1 metro. Escala 1:1500 planta do mosaico de ortoimagens com a marcação dos pontos de apoio e curvas de nível a cada 1 metro. 53 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A apresentação dos resultados obtidos pelo desenvolvimento desta pesquisa está organizada nas seguintes etapas: georreferenciamento, resultados através do levantamento tradicional e com o VANT, análise técnica e econômica. 4.1 GEORREFERENCIAMENTO Para o georreferenciamento foram necessárias quatro horaspara realizar as seguintes etapas: instalação do equipamento GPS sobre o primeiro ponto, que serviu como base do rastreio GPS, confecção dos pontos da poligonal topográfica e os pontos de apoio para o levantamento com drone, rastreio GPS de todos os pontos e a demarcação com cal em forma de “X”. Com os resultados do georreferenciamento realizado na área de estudo com o GPS RTK, obtiveram-se as coordenadas dos pontos de partida para a poligonal do levantamento topográfico com estação total e os pontos de apoio para o levantamento com o VANT, conforme Quadro 5. As coordenadas UTM estão em Datum SIRGAS 2000 zona 22S, ajustados através da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) - SCAQ, estes dados possuem uma precisão de 0,003m na horizontal e 0,013m na vertical, obtidos através do processamento da linha base (Anexo 3). Quadro 5 - Coordenadas dos pontos de partida da poligonal e de apoio. PONTO N (m) E (m) Z (m) APLICAÇÃO P1 7.089.723,3414 708.733,6093 12,693 Poligonal e Apoio VANT P0 7.089.766,4396 708.707,4569 12,611 Poligonal X1 7.089.752,8024 708.784,7803 12,503 Apoio VANT X2 7.089.737,0025 708.784,7134 12,611 Apoio VANT X3 7.089.741,7469 708.853,0800 11,737 Apoio VANT X4 7.089.550,8160 708.874,5752 11,468 Apoio VANT X5 7.089.330,6409 708.802,0604 11,406 Apoio VANT X6 7.089.577,6851 708.682,4563 13,663 Apoio VANT Fonte: O Autor, 2019 54 4.2 LEVANTAMENTO TRADICIONAL COM ESTAÇÃO TOTAL E GPS RTK O levantamento com a estação total iniciou-se com um técnico que operou o equipamento e dois auxiliares para aquisição dos pontos planialtimétricos com o bastão do prisma. A poligonal de apoio do levantamento é constituída de sete pontos, demarcados em campo com piquetes de madeira e um prego no centro, de forma a permitir a instalar a estação total e efetuar a leitura das irradiações do terreno. Com a estação total foram cadastrados 331 pontos de irradiações, principalmente para levantamento de fundo de valas, crista e pé de taludes, limite de mato e o rio Motucas, para tanto, foram necessárias oito horas de levantamento para esta etapa. A poligonal de apoio foi do tipo fechada e após o processamento no software Topograph98SE da cardeneta de campo, a mesma apresentou os seguintes erros e tolerâncias conforme Figura 28. Figura 28 - Erros e tolerâncias da poligonal topográfica. Fonte: O Autor, 2019 Com esse resultado a poligonal não apresentou erros superiores as tolerâncias do equipamento e descritas na norma NBR 13.333 da ABNT. Com relação ao levantamento cinemático como GPS, foram cadastrados 567 pontos de irradiação. Com esse equipamento foram levantadas as ruas, pontos de cota do terreno, taludes, muros e postes. Por se tratar de um terreno relativamente plano, procurou-se fazer seções de aproximadamente 20 metros para o levantamento de cotas e que posteriormente possibilite a confecção da planta 55 topográfica planialtimétrica com curvas de nível de metro em metro. Esta etapa foram necessárias 12 horas de levantamento com o GPS RTK. 4.3 LEVANTAMENTO COM VANT O resultado do processamento será apresentado de acordo com o relatório gerado pelo software de processamento das imagens Agisoft Metashape. 4.3.1 Resultados obtidos Foram importadas 126 fotografias feitas pelo VANT e gerou um produto cartográfico com um GDS = 4,11 cm/pix a uma altura média real de 167 metros, uma diferença de 26 metros dos planos originais, cobrindo uma área de aproximadamente 41,7ha ao invés de 15,15ha planejados. Estas diferenças eram esperadas e consideradas nos planos de voo através dos fatores internos do próprio aplicativo de planejamento Pix4Dcapture. A Figura 29 trata-se da representação das áreas contempladas pela sobreposição de imagens em relação ao ponto de captura das mesmas. Figura 29 - Localização das câmeras e sobreposição das imagens Fonte: O Autor, 2019 56 Através da análise do mapa de cores, é possível denotar que toda área definida para o mapeamento teve sobreposição de pelo menos 9 imagens, valor considerado adequado para geração dos produtos fotogramétricos e que atende o critério definido como sendo 80% de sobreposição lateral e longitudinal.Os pontos pretos tratam-se da posição da captura das imagens aéreas. Estas informações são obtidas através do processamento das capturas, que também gerou uma nuvem de pontos esparsa com 82.351pontos, projetos 481.977 vezes com erro de apontamento de 0,860pix. Estas informações estão resumidas no Quadro 6. Quadro 6 – Resultados obtidos com o VANT Fonte: O Autor, 2019 4.3.2 Posição estimada de captura de imagens Através da posição estimada da captura de imagens é possível estimar qual seria a incerteza do mapeamento caso não fossem aplicados pontos de apoio e controle em campo, e o referenciamento ocorresse apenas baseado no GPS embarcado no VANT, que atribui em cada captura suas coordenadas. Os resultados obtidos com esta consideração estão representados no Quadro 7. Obtidos através do cálculo da média do erro medido entre a coordenada de captura de cada imagem, registrada pelo GPS embarcado no VANT, e a estimativa desta mesma coordenada através do modelo numérico, ajustado com o uso dos pontos apoio georreferenciados. Imagens Alinhadas 126 Altura de voo estimada 167 m GDS final 4,11 cm/pix Área de Cobertura 0,417 km² = 41,7 ha Posição de câmera 126 Nuvem Esparsa 82.351 Projeção 481.977 Erro de projeção 0,86 pix 57 Quadro 7 – Erro em relação a posição de captura de cada imagem E erro (m) N erro (m) E N Erro (m) Z erro (m) Erro Total (m) 1,75119 6,92526 3,80526 7,14324 8,09357 Fonte: O Autor, 2019 Em analise a Figura 30, que representa em cada ponto de captura o erro dos eixos E e N por uma elipse, sendo a excentricidade da elipse indicativo da magnitude do erro representada o eixo Z através da coloração elipse. Figura 30 - Representação do erro relacionado ao posicionamento de cada captura Fonte: O Autor, 2019 4.3.3 Avaliação dos pontos de apoio Os pontos de apoio, tomados como principal indicador de qualidade do levantamento com o drone, mediante o cálculo da discrepância da coordenada estimada pelos processos de aerotriangulação executados pelo software e a 58 coordenada adquirida em campo pelo processo de georreferenciamento, ao indicar o erro médio quadrático referente às várias observações.As elipses dos pontos de controles na Figura 31 têm a mesma representação quando a sua excentricidade e cor apresentados na Figura 28. Figura 31– Representação do erro relacionado aos pontos de controle Fonte: O Autor, 2019 Para este mapeamento o resultado obtido foi igual a 17,86cm, que comparado como valor do GSD final, não é considerado um bom valor,uma vez que parte deste erro advém da componente relacionada ao eixo vertical 12,85 cm, e quando consideramos apenas o erro de projeção no plano E-N o erro observado é de 12,40 cm, ficando acima da resolução espacial obtida GSD=4,11cm, Quadro 8. Quadro 8 – Avaliação do erro PONTO E erro [cm] P1 8,79273 X1 2,50824 X2 2,36088 X3 -11,7417 X4 -21,6623 X5 6,34025 X6 12,9387 Total 12,4028 4.4 ANÁLISE TÉCNICA DOS RESULTADOS 4.4.1 Planta planialtimétric Após o processamento dos pontos topográfico com a estação total e GPS RTK, realizou das curvas de nível sobre o imóvel, sendo que a encontrada foi de 9,0m e a mais alta foi de 13,0m. Na Figura 3 curvas de nível de metro em metro. Figura 32 – Representação em Curvas de Nível a cada 1 m Avaliação do erro médio quadrático dos pontos de apoio. N erro (cm) Z erro (cm) Erro Total 6,57934 1,71863 11,1155 3,85572 -5,12981 6,89005 4,19962 -3,45256 5,92712 0,58329 -10,8348 15,9875 -7,05749 25,8809 34,4802 -6,63843 -14,682 17,3156 -1,69728 10,6095 16,8182 12,4028 12,8537 17,8619 Fonte: O Autor, 2019 LISE TÉCNICA DOS RESULTADOS planialtimétrica Após o processamento dos pontos georreferenciados do levantamento topográfico com a estação total e GPS RTK, realizou-se a interpolação e geração das curvas de nível sobre o imóvel, sendo que a cota da curva mais baixa encontrada foi de 9,0m e a mais alta foi de 13,0m. Na Figura 32, representa curvas de nível de metro em metro. Representação em Curvas de Nível a cada 1 m Fonte: O Autor, 2019 59 médio quadrático dos pontos de apoio. Erro (pix) 0,831 (31) 0,775 (35) 0,796 (39) 1,088 (29) 0,916 (23) 1,293 (33) 0,791 (23) 0,945 do levantamento se a interpolação e geração cota da curva mais baixa , representa-se as Representação em Curvas de Nível a cada 1 m 60 4.4.2 Produtos Fotogramétricos O principal produto fotogramétrico extraído pelo processamento é o mosaico de ortoimagens, Figura 33, com GSD = 5.04 cm/pix, georreferenciado em coordenadas UTM, Zona 22 S no Datum SIRGAS 2000. Figura 33 - Mosaico de Ortoimagens Fonte: O Autor, 2019 O Modelo Digital de Elevação (MDE), Figura 33, foi gerado através da nuvem densa de pontos, com classificação. Portanto, descreve a superfície exposta as capturas das imagens, sendo reconstruídos 37 pontos/m² mapeando, a resolução do produto fotogramétrico foi igual e 16,5 cm/pix. Nesse modelo de representação georreferenciado em coordenadas UTM, Zona 22 S no Datum SIERGAS 2000, a altimetria do terreno é representada por uma escala de cores, variando de pixel a 61 pixel, onde cores mais quentes representam área com maiores altitudes, e cores mais frias áreas mais baixas. Figura 34–Modelo Digital de Elevação correspondente a superfície Fonte: O Autor, 2019 Na cartografia e na topografia, uma das formas mais difundidas e simplificadas de representação de elevação é a representação por curvas de nível, para tanto com os resultados obtidos com o modelo digital de elevação apresentado, foi possível gerar o seguinte mapa com a representação da altimetria do terreno em curvas de nível conforme demonstrado na Figura 34, sendo que, a cota da curva mais baixa encontrada foi de 9,0m e a mais alta foi de 25,0m. Sendo que esta última, correu por causa de uma má qualificação do software sobre os pontos das copas das árvores. Sobre o terreno natural a maior cota foi de 13,0m, a mesma, é encontrada pelo método convencional apresentado no item 4.4.1. Figura 35 - Representação em Curvas de Nível a cada 1 m Na Figura 36 está a representação tridimensional mapeado, produto fotogramétrico que pode ter diversas aplicações tanto na arquitetura quanto no planejamento urbano, viário entre outras aplicações, este modelo possuí resolução de 5,5 cm/p Figura 36 4.4.3 Comparação entre os métodos A relação dos dados altimétricos adquiridos pelo método utilizando a estação total e o método com o VANT é apresentado na Figura 36. Representação em Curvas de Nível a cada 1 m Fonte: O Autor, 2019 está a representação tridimensional texturizada do terreno produto fotogramétrico que pode ter diversas aplicações tanto na arquitetura quanto no planejamento urbano, viário entre outras aplicações, este possuí resolução de 5,5 cm/pix. 36 –Representação tridimensional da área Fonte: O Autor, 2019 4.4.3 Comparação entre os métodos os dados altimétricos adquiridos pelo método utilizando a estação método com o VANT é apresentado na Figura 36. 62 Representação em Curvas de Nível a cada 1 m urizada do terreno produto fotogramétrico que pode ter diversas aplicações tanto na arquitetura quanto no planejamento urbano, viário entre outras aplicações, este os dados altimétricos adquiridos pelo método utilizando a estação 63 Figura 37 – Comparação das curvas de nível a cada 1 m Fonte: O Autor, 2019 É possível observar que o processamento dos dados obtidos com os dois métodos empregados a campo, revela uma diferença no traçado das curvas de nível em alguns pontos. Isso ocorreu, pois foi feito uma classificação automática pelo software dos pontos do aerolevantamento e não de forma manual. O sistema não conseguiu identificar as árvores próximas ao rio Motucas e acabou considerando como terreno natural erroneamente. Quanto à criação dos produtos topográficos, existe uma diferença entre os métodos, devido ao fato que no levantamento convencional o desenho é feito utilizando os pontos irradiados Figura 38(a), e o aerolevantamento, é realizado pela vetorização das feições diretamente do ortofoto, conforme Figura 38(b). Figura 38 – Vetorização por topografia convencional (a) aerolevantamento (b) Fonte: O Autor, 2019 64 4.5 ANÁLISE ECONÔMICA DOS RESULTADOS Para a composição e comparação dos custos, realizou-se uma pesquisa junto a algumas empresas de topografia para determinar o valor por hora dos profissionais de uma equipe de topografia. Da mesma maneira, quanto ao aluguel de equipamentos e veículo foram verificados junto a fornecedores. Nos Quadros 9 e 10, evidencia-se o tempo médio gasto nas atividades, assim como o custo que envolve os dois métodos. Quadro 9 – Custos com a equipe de topografia com levantamento convencional 1. MÃO DE OBRA UNID. QUANT. FUNCIONARIOS CUSTO (R$) ALOCAÇÃO POR FUNCIONARIO (h) PREÇO (R$) 1.1 Campo Coordenador hora 1 R$ 22,73 3 R$ 68,18 Técnico hora 1 R$14,20 24 R$ 340,91 Aux. De Topógrafo hora 2 R$ 7,39 24 R$ 354,55 1.2 Escritório Coordenador hora 1 R$ 22,73 3 R$ 68,18 Cadista/calculista hora 1 R$ 8,52 12 R$ 102,27 SOMA R$ 934,09 ENCARGOS SOCIAIS 80% R$ 747,27 SOMA 01 R$ 1.681,36 2. LOCOMOÇÃO UNID. QUANT. CUSTO (R$) DIÁRIAS PREÇO (R$) 2.1 Coordenador de campo Veículo (Hatch Compacto) dia 1 R$ 23,69 1 R$ 23,69 Combustível (Km/dia / km/l) L 1,76 R$ 4,00 1 R$ 7,04 2.2 Equipe de Campo Veículo (Hatch Compacto) dia 1 R$ 23,69 3 R$ 71,07 Combustível (Km/dia / km/l) L 1,76 R$ 4,00 3 R$ 21,12 SOMA 02 R$ 122,92 3. EQUIPAMENTOS UNID. QUANT. CUSTO (R$) ALOCAÇÃO VALOR (R$) 3.1 GPS (Geodésico L1/L2) dia 1 R$204,55 2 R$ 409,09 3.2Software dia 1 R$ 22,73 1,5 R$ 34,09 3.3 Estação Total dia 1 R$ 65,91 1 R$ 65,91 SOMA 03 R$ 509,09 SUBTOTAL = 1+2+3 R$2.313,37 4. BDI (35%) R$ 809,68 5. VALOR TOTAL DO SERVIÇO R$ 3.123,06 Fonte: O Autor, 2019 65 Quadro 10 – Custos com a equipe de topografia com levantamento com VANT 1. MÃO DE OBRA UNID. QUANT. FUNCINÁRIOS CUSTO (R$) ALOCAÇÃO POR FUNCIONARIO (h) PREÇO (R$) 1.1 Campo Coordenador hora 1 R$ 22,73 3 R$ 68,18 Técnico hora 1 R$ 14,20 8 R$ 113,64 Aux. De Topógrafo hora1 R$ 7,39 8 R$ 59,09 1.2 Escritório Coordenador hora 1 R$ 22,73 3 R$ 68,18 Cadista/calculista hora 1 R$ 8,52 20 R$ 170,45 SOMA R$ 479,55 ENCARGOS SOCIAIS 80% R$ 383,64 SOMA 01 R$ 863,18 2. LOCOMOÇÃO UNID. QUANT. CUSTO (R$) DIÁRIAS PREÇO (R$) 2.1 Coordenador de campo Veículo (Hatch Compacto ) dia 1 R$ 23,69 1 R$ 23,69 Combustível (Km/dia / km/l) L 1,76 R$ 4,00 1 R$ 7,04 2.2 Equipe de Campo Veículo (Hatch Compacto ) dia 1 R$ 23,69 1 R$ 23,69 Combustível (Km/dia / km/l) L 1,76 R$ 4,00 1 R$ 7,04 SOMA 02 R$ 61,46 3. EQUIPAMENTOS UNID. QUANT. CUSTO (R$) ALOCAÇÃO VALOR (R$) 3.1 GPS (Geodésico L1/L2) dia 1 R$204,55 1 R$ 204,55 3.2 Software dia 1 R$22,73 2,5 R$ 56,82 3.3 VANT (Drone) dia 1 R$ 65,91 1 R$ 65,91 SOMA 03 R$ 327,27 SUBTOTAL = 1+2+3 R$ 1.251,91 4. BDI (35%) R$ 438,17 5. VALOR TOTAL DO SERVIÇO R$ 1.690,08 Fonte: O Autor, 2019 Cabe ressaltar que o tempo de atividade de campo pode sofrer alteração significativa caso a equipe de campo não tenha experiência em levantamento topográfico ou manuseio dos equipamentos. Constatou-se ainda que, o tempo de processamento das imagens do VANT é diretamente proporcional a capacidade operacional do computador utilizado. Nesse aspecto, o levantamento aerofotogramétrico apresenta a possibilidade de melhorara execução com a utilização de hardware com maior desempenho. Neste estudo de caso, não utilizou-se um computador de alto rendimento para a necessidade de 66 processamento que envolve os aerolevantamentos. Sendo assim, não influenciou no resultado do processamento, mas no seu tempo de execução. 67 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Para levantamento das informações topográficas de um terreno, existem diferentes metodologias. O objetivo deste trabalho consistiu em analisar e comparar técnica e economicamente um levantamento elaborado por dois métodos diferentes. Dessa análise, constatou-se que os aerolevantamentos executados por VANT podem ser utilizados para projetos e levantamento topográficos, que geralmente são realizados mediante topografia convencional. Os métodos de levantamento podem ser aplicados de forma independente ou conjunta, para tanto, depende da produtividade e precisão requerida por cada projeto. O levantamento com estação total e GPS RTK apresentou uma acurácia posicional melhor, quando comparada com a fotogrametria, entretanto, o uso do método escolhido depende dos pré-requisitos que o projeto pretende solucionar. No estudo de caso apresentado, os resultados obtidos evidenciam que, em termos de acurácia, poder-se-ia utilizar ambos os métodos. Constatou-se que alguns elementos não são possíveis cadastrar com a aplicação do RPA, como por exemplo: profundidade de valas e rios, objetos sob algum obstáculo (árvores e edificações) e etc. Desta maneira, é importante a complementação de informações com outras metodologias. Quando se analisa a quantidade de dados e produtos gerados pela fotogrametria, é nítido, que a mesma proporciona um melhor detalhamento do terreno em muito menos tempo, principalmente, quando deseja-se mapear áreas mais amplas. Em contra partida, o processamento dos dados é muito mais morosa se comparado ao levantamento convencional. Verificou-se que, em termos de custos operacionais, o aerolevantamento com VANT, apresentou um menor custo, por razão da necessidade de número reduzido de colaborares em campo, também resultou em melhor performance na coleta dos dados, consequentemente, menos gasto com deslocamento da equipe. Deste modo, é possível concluir que a fotogrametria com VANTS é uma alternativa com melhor desempenho e menos oneroso para levantamento topográfico de áreas extensas, a depender dos critérios de tolerância requeridos em projeto, e o refinamento necessário dos dados, de modo que não possua muita vegetação ou obstáculos sobre o local. 68 Como sugestão de trabalhos futuros, uma análise comparativa de cálculo de volume de terraplenagem entre levantamento topográfico convencional e levantamento com drone. 69 REFERÊNCIAS ______. NBR 13133: Execução de levantamento topográfico. Rio de Janeiro, 1994. ALMEIDA, Igor de C. Estudo sobre o uso de veículos aéreo não tripulado (VANT) para mapeamento aéreo com fins de elaboração de projetos viários. Universidade Católica de Pernambuco. Recife, 2014. AMORIM, G, P. Confiabilidade de Rede GPS de Referência Cadastral Municipal, Estudo de Caso: Rede do Município de Vitório (ES). 149p. 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