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Prof. Irineu da Silva EESC-USP Curso de Geomática Aula UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 2 As Distâncias na Mensuração Tipos de distâncias Existem várias distâncias a serem consideradas na Mensuração. São elas: - distância inclinada; - distância horizontal; - distância esférica; - distância plana. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 3 Distância Inclinada e Distância Horizontal Sejam dois pontos P e Q sobre o terreno, conforme indicado a seguir. s’ = distância inclinada entre P e Q; s = distância horizontal entre P e Q; β = ângulo de altura da direção PQ. θ = ângulo zenital da direção PQ s = s’cos b ou s =s’sen q 27.05.2013 Irineu da Silva Page 4 Distância Esférica Considerando a curvatura da Terra e adotando a esfera como a superfície de referência, tem-se a seguinte situação: R0 = raio médio da esfera terrestre; HP = altitude do ponto P; HQ = altitude do ponto Q; sP = distância esférica ao nível de P; sQ = distância esférica ao nível de Q; s0 = distância esférica ao nível do mar (H=0) 27.05.2013 Irineu da Silva Page 5 Distância Esférica As superfícies são esferas concêntricas e permitem obter as seguintes relações: s R s R H s R H o o P o P Q o Q Para um ponto P de altitude H, tem-se: o o p o o po P s R H s R HR s .1. o p P o R H s s 1 27.05.2013 Irineu da Silva Page 6 Distância Esférica Para os cálculos práticos pode-se operar com valores em ppm, adotando-se uma altitude média para a região de cálculo. Nesse caso, a redução ao nível do mar pode ser dada por: ppm HR H d o 610.Re As reduções podem também ser efetuadas aplicando-se um fator de escala denominado Fator de Escala Altimétrico (Kalt), conforme indicado abaixo. HR H K o alt 1 27.05.2013 Irineu da Silva Page 7 Sistemas de Projeção Cartográfica 27.05.2013 Irineu da Silva Page 8 Sistemas de Projeção Cartográfica As coordenadas planas da superfície terrestre são obtidas a partir do uso de um sistema de projeção, através do qual se estabelece uma relação pontual e unívoca entre a superfície de referencia, esférica, e a superfície do desenho, plana. Trata-se, portanto, de obter as coordenadas planas x, y a partir de um ponto de coordenadas (, ) da superfície esférica. Na literatura distinguem-se os seguintes tipos de projeções cartográficas: - Projeção conforme, que são aquelas que conservam os ângulos; - Projeção equivalente, que são aquelas que conservam as superfícies; - Projeções que não conservam nem os ângulos e nem as superfícies mas que possuem outras características importantes. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 9 Sistemas de Projeção Cartográfica É importante salientar que não existe nenhuma projeção cartográfica que mantenha os comprimentos. Sendo a esfera e o elipsóide duas superfícies esféricas, torna-se impossível estabelecer uma representação plana delas sem causar algum tipo de deformação linear. Geralmente os países preferem adotar as Projeções Conforme para a determinação das suas bases cartográficas. As Projeções Equivalentes são mais interessantes para o estabelecimento de cartas com escala reduzida (Atlas Geográfico). 27.05.2013 Irineu da Silva Page 10 Principais Projeções Cartográficas Cilíndricas, Cônicas e Azimutais 27.05.2013 Irineu da Silva Page 11 Principais Projeções Cartográficas 27.05.2013 Irineu da Silva Page 12 Projeções Cilíndricas 27.05.2013 Irineu da Silva Page 13 Projeções Cilíndricas As Projeções Cilíndricas podem ser - Projeção Cilíndrica Normal: o eixo do cilindro coincide com o eixo de rotação da Terra e o cilindro é tangente à superfície esférica ao longo do equador. - Projeção Cilíndrica Transversa: o eixo do cilindro coincide com o plano do equador e o cilindro é tangente a superfície esférica ao longo do meridiano. Exemplo, Projeção TM. - Projeção Cilíndrica Obliqua: o eixo do cilindro é obliquo em relação ao eixo de rotação da Terra e o cilindro é tangente a superfície esférica ao longo de um grande arco de círculo qualquer. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 14 Projeções Cilíndricas Entre as Projeções Cilíndricas mais importantes vale a pena citar a Projeção de Mercator 27.05.2013 Irineu da Silva Page 15 Projeções Cilíndricas Como curiosidade, apresenta-se a seguir uma imagem de uma Projeção Cilíndrica Equivalente. Neste caso a Cilíndrica Equivalente de Lambert. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 16 Projeções Cônicas Em uma projeção cônica, a superfície esférica é projetada sobre um cone tangente, o qual é posteriormente desenvolvido para se obter a carta plana. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 17 Projeções Cônicas A projeção cônica mais conhecida é a Projeção Cônica Conforme de Lambert. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 18 Projeções Azimutais - Projeção Gnômica: o centro de projeção é o eixo da Terra. Essa projeção não é conforme e nem equivalente. - Projeção Estereográfica: o centro de projeção é o pólo oposto ao plano de tangência. Ela é uma projeção conforme. - Projeção Ortográfica: o centro de projeção está no infinito. Essa projeção não é conforme e nem equivalente. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 19 Exemplos de Cartas com Projeção Azimutal Azimutal Gnômica 27.05.2013 Irineu da Silva Page 20 Exemplos de Cartas com Projeção Azimutal Azimutal Esterográfica 27.05.2013 Irineu da Silva Page 21 Exemplos de Cartas com Projeção Azimutal Azimutal Ortográfica 27.05.2013 Irineu da Silva Page 22 A Projeção UTM A projeção UTM, originada a partir da Projeção Conforme de Gauss, foi usada pela primeira vez, em larga escala, pelo Serviço de Cartografia do Exército Americano (US Army Map Service - AMS), durante a Segunda Guerra Mundial. A sua principal vantagem é que ela permite representar grandes áreas da superfície terrestre, sobre um plano, com poucas deformações e com apenas um grupo de fórmulas. A projeção UTM é representada sobre um sistema de coordenadas retangulares, o que a torna bastante útil para ser aplicada na Mensuração. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 23 Características da Projeção UTM A projeção UTM é uma projeção cilíndrica conforme que pode ser visualizada como um cilindro secante à superfície de referência, orientado de forma que o eixo do cilindro esteja no plano do equador. O cilindro secante possui um diâmetro menor do que o diâmetro da superfície de referência, criando, assim,duas linhas de interseção entre o cilindro e a superfície de referencia. A área de projeção compreende apenas uma parcela da superfície de referência. Essa área é denominada fuso ou zona. Cada fuso é representado pelo número do fuso ou pela longitude do seu meridiano central. As coordenadas na direção horizontal são denominadas Este e representadas pela letra E. As coordenadas na direção vertical são denominadas Norte e representadas pela letra N. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 24 Características da Projeção UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 25 Características da Projeção UTM As principais características da projeção UTM são as seguintes: a) Amplitude dos fusos: 6; b) Latitude da origem: 0 (equador); c) Longitude da origem: a longitude do meridiano central do fuso; d) Falso Norte (translação Norte): 10.000.000 m para o hemisfério Sul; e) Falso Este (translação este): 500.000 m; f) Fator de escala no meridiano central: 0,9996; g) Numeração das zonas: as zonas são numeradas de 1 a 60, a partir do antemeridiano de Greenwich, para leste. Assim, zona 1 - de 180 W a 174 W zona 60 - de 174 E a 180 E; h) Limites das latitudes: 80 N e 80 S; i) Os meridianos de longitude e os paralelos de latitude interceptam-se em ângulos retos na projeção; 27.05.2013 Irineu da Silva Page 26 Características da Projeção UTM j) A linha do equador e a linha do meridiano central de cada fuso são representadas por linhas retas na projeção. Os demais meridianos são representados por linhas côncavas em relação ao meridiano central e os paralelos são representados por linhas côncavas em relação ao polo mais próximor. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 27 Características da Projeção UTM k) O espaçamento entre os meridianos aumenta a medida que eles se afastam do meridiano central. Para manter a proporcionalidade da projeção conforme, a escala na direção Norte-Sul também é distorcida acarretando, assim, a existência de uma escala diferente para cada ponto situado sobre o mesmo lado do meridiano. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 28 Determinação do Meridiano Central da Projeção UTM O meridiano central é determinado considerando-se que a sua variação ocorre de 6 em 6. O primeiro meridiano central possui longitude igual a 177 e o último possui longitude igual a 3. Os meridianos centrais possuem, portanto, valores iguais a: 3, 9, 15, 21, ..........., 45, 51, 57, e assim por diante. Para conhecer o valor da longitude do meridiano central de um ponto de longitude conhecida, basta situá-lo no fuso. A relação fuso/meridiano central é dada pelas fórmulas: 6 183 CMFuso MC = 183 - 6 . Fuso 27.05.2013 Irineu da Silva Page 29 Os Fusos da Projeção UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 30 Os Fusos da Projeção UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 31 Os Fusos da Projeção UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 32 Transformação de Coordenadas Geodésicas em UTM Para a transformação de coordenadas, tanto para o problema direto como para o problema inverso, existem fórmulas cujas deduções podem ser encontradas em obras especializadas. Para os propósitos deste curso, serão apresentadas a seguir as fórmulas relativas a transformação de coordenadas geodésicas para coordenadas UTM. As coordenadas retangulares E, N da Projeção UTM podem ser calculadas pelas seguintes fórmulas: 5 3 6 42 )()(' )()()(' BpVpIVE ApIIIpIIIN Onde, 27.05.2013 Irineu da Silva Page 33 Transformação de Coordenadas Geodésicas em UTM N = N’ - Para o Hemisfério Norte N = 10.000.000 – N’ - para o Hemisfério Sul E = 500.000 + E’- para pontos situados a leste do meridiano central MC E = 500.000 – E’- para pontos situados a oeste do meridiano central MC (I) = koS ]6 3072 35 4) 1024 45 256 15 ( 2) 1024 45 32 3 8 3 () 256 5 64 3 4 1 1[( 664 642642 senesenee seneeeeeeaS 2 10"1cos )( 8 0 2 ksensenN II 16 0 44222 34 10)cos'4cos'9tan5( 24 cos"1 )( kee senNsen III 4 0 10"1cos)( ksenNIV 12 0 222 33 10)cos'tan1( 6 cos"1 )( ke Nsen V 27.05.2013 Irineu da Silva Page 34 Transformação de Coordenadas Geodésicas em UTM "0001,0 p MC 24 0 322242 56 6 6 10)'330cos'270tantan5861( 720 cos"1 ksenee senNsen pA 20 0 222242 55 5 5 10)'58cos'14tantan185( 120 cos"1 ksenee Nsen pB 27.05.2013 Irineu da Silva Page 35 Transformação de Coordenadas Geodésicas em UTM Exemplo: Calcular as coordenadas UTM do ponto indicado abaixo: Elipsóide WGS84 Lat = 22° 35‘’45,148‘‘ Long = 47° 22‘’15,125‘‘ h = 850,000m E = 256.263,185 N = 7.499.277,318 h = 850,000 27.05.2013 Irineu da Silva Page 36 A Convergência Meridiana Os ângulos medidos no elipsóide estão referidos ao Norte Geográfico (NG), cuja representação, na projeção UTM, é dada por uma linha curva, côncava em relação ao meridiano central. As quadrículas UTM, por outro lado, formam um sistema de coordenadas retangular, com a direção Y (NQ) na direção Norte-Sul. As duas linhas formam, portanto, um ângulo variável para cada ponto, denominado convergência meridiana. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 37 A Convergência Meridiana A convergência meridiana, no hemisfério sul, é positiva para os pontos situados a Oeste do meridiano central e negativa, para os ponto situados a Leste do meridiano central. Um cálculo aproximado do valor da convergência meridiana pode ser dado pela seguinte fórmula indicada a seguir. C senOnde, C = Convergência Meridiana = Diferença de longitude entre a longitude do ponto considerado e a longitude do meridiano central (Long Pt – Long MC) = Latitude do ponto considerado 27.05.2013 Irineu da Silva Page 38 A Convergência Meridiana Exemplo: Considerando os valores anteriores, calcular o valor da convergência meridiana C sen Elipsóide WGS84 Lat = 22° 35‘’45,148‘‘ Long = 47° 22‘’15,125‘‘ C = 0° 54‘ 39.44‘‘ 27.05.2013 Irineu da Silva Page 39 Redução à Corda ou Redução Angular Uma linha unindo dois pontos na superfície de referência esférica é representada no plano (na projeção) como uma linha curva (arco). Para as dimensões dos trabalhos topográficos, entretanto, a curvatura dessa linha é muito pequena e, em muitos casos, pode ser desconsiderada, aceitando-se a corda que une os dois pontos como a referência para calcular a distância eo azimute entre eles. O ângulo formado pela corda e pela tangente à curva é denominado ângulo de redução à corda ou ângulo de redução angular, e é representado pela letra grega , conforme indicado a seguir. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 40 Redução à Corda ou Redução Angular O valor máximo de , para uma linha de 10 Km é da ordem de 7”. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 41 O Fator de Escala Para se obter a distância plana entre dois pontos A e B, é necessário, inicialmente, corrigir a distância medida na superfície topográfica, em relação aos fatores meteorológicos e erros instrumentais, em seguida reduzi-la ao elipsóide de referência e, finalmente, reduzi-la à superfície plana. Para a redução da superfície de referência à superfície plana, utiliza-se um fator de escala, representado pela letra kUTM. A distância plana é obtida multiplicando-se a distância esférica (sobre o elipsóide de referência) pelo fator de escala kUTM. 0sks UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 42 O Fator de Escala Para evitar que as deformações tornem-se exageradas nas bordas dos fusos, adotou-se, para a projeção UTM, um fator de escala k0 = 0,9996, para os pontos situados sobre o meridiano central. A partir do meridiano central o fator de escala cresce para Oeste e para Leste até atingir o valor k=1,000, nas vizinhanças de E=320.000,00 m e E=680.000,00, continuando a crescer até o valor kUTM=1,0010, nas bordas dos fuso, no equador. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 43 O Fator de Escala R E kk 2 02 1. 2 0UTM onde, kUTM = fator de escala k0 = 0,9996 (fator de escala no MC) E’ = ordenada entre o meridiano central e o ponto considerado (500.000 – Ept) Ro = Raio médio de curvatura 27.05.2013 Irineu da Silva Page 44 O Fator de Escala R E kk 2 02 1. 2 0UTM Exemplo: Calcular o fator de escala UTM (KUTM) para o ponto dos exemplos anteriores. E = 256.263,185 N = 7.499.277,318 h = 850,000 Raio da Terra para o local = 6.362.780m (adotado) KUTM = 1.000333406 Kalt = 0.999866428 KT = 1.00019979 HR H K o alt 1 27.05.2013 Irineu da Silva Page 45 O Fator de Escala Para aplicar o fator de escala para a correção da distância entre dois pontos, pode-se usar o valor do fator de escala médio, se a distância for pequena, ou uma média ponderada entre os pontos extremos e o ponto médio, se a distância for grande. Por exemplo, Para distâncias inferiores a 15 km propõe-se adotar Par distâncias maiores do que 15 km propõe-se adotar 2 kBkAk UTM 6 kB4kAk meioUTM K 27.05.2013 Irineu da Silva Page 46 O Fator de Escala Exemplo: Dadas as coordenadas planas UTM de dois pontos, calcular a distância topográfica entre esses dois pontos. NA = 6.953.623,380 m NB = 6.954.016,624 m EA = 601.613,787 m EB = 602.002,535 m = 27° 32’ 14.483485” S = 27° 32’ 01.599853” S = 43° 58’ 15.310008” W = 43° 58’ 01.258185” W H = 870,000 27.05.2013 Irineu da Silva Page 47 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 1. Cálculo do fator de escala altimétrico 2. Cálculo do fator de escala UTM Para o Pt A Para o Pt B = 0,99972843 KUTM (médio)= 0,99972794 3. Cálculo do KT KT = KUTM x Kalt = 0,99959133 99986335.01 HR H K o alt 99972745,0 2 1. 2 0 R E kk 2 0 UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 48 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 4. Cálculo da distância plana AB mEENNs ABABAB 961,552)()( 22 5. Cálculo da distância elipsoidal AB (s0) m K ss UTM 111,5530 6. Cálculo da distância topográfica AB ou m K ss T 187,553 m K ss Alt 187,5530 27.05.2013 Irineu da Silva Page 49 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 7. Cálculo da Convergência Meridiana "92.32'2800 sencA 8. Cálculo do azimute plano AB 9. Cálculo do azimute geodésico AB "14'40440 AB AB AB NN EE Arctg "41'11440)( AABABgeo c 27.05.2013 Irineu da Silva Page 50 Ângulos a serem considerados na Projeção UTM Quando se trabalha com coordenadas UTM é necessário considerar vários tipos de elementos angulares. Os principais elementos são: - azimute plano ou azimute da quadrícula (UTM); - azimute geodésico projetado (proj); - azimute geodésico (geod); - convergência meridiana (c); - redução à corda (). 27.05.2013 Irineu da Silva Page 51 Ângulos a serem considerados na Projeção UTM O azimute plano ou azimute da quadrícula é o ângulo, na projeção, entre o Norte da quadrícula UTM e a linha reta que une os dois pontos a serem considerados. UTM = Arctg ΔE/ΔN O azimute geodésico projetado é o ângulo, na projeção, entre o Norte da quadrícula e a tangente ao arco representativo da distância projetada entre os dois pontos a serem considerados. proj = UTM + O azimute geodésico é o ângulo, na projeção, entre o meridiano que passa pelo ponto inicial e a tangente ao arco representativo da distância projetada entre os dois pontos considerados geod = UTM ±c ± 27.05.2013 Irineu da Silva Page 52 Ângulos a serem considerados na Projeção UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 53 Ângulos a serem considerados na Projeção UTM 27.05.2013 Irineu da Silva Page 54 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). A transformação das coordenadas UTM para coordenadas locais consiste em realizar uma rotação e a aplicação de um fator de escala. A rotação é feita em função da convergência meridiana e o fator de escala adotado deve ser o fator de escala da projeção UTM, corrigido para considerar a altitude média do local (kTotal). Para aplicar a transformação, inicialmente, deve-se escolher um ponto de coordenadas conhecidas como origem da rotação. Em seguida, calcula-se a convergência meridiana e o fator de escala total desse ponto, que serão adotados como ângulo de rotação e fator de escala da transformação. 27.05.2013 Irineu da Silva Page 55 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). O procedimento completo de cálculo é o seguinte: 1) escolher o ponto para origem do sistema (P0); 2) calcular a convergência meridianae o fator de escala desse ponto: 3) corrigir o fator de escala UTM considerando a altitude média da região; 4) calcular o UTM dos alinhamentos Po - Pi e corrigir com o valor da convergência meridiana; 5) calcular as projeções X YP P P Po i o ie de cada alinhamento, considerando o fator de escala total (KT=KUTMxKalt); 6) calcular as coordenadas transformadas para cada ponto Pi 27.05.2013 Irineu da Silva Page 56 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). ΔN ΔE arctg UTM senc . cUTMGeod geod T PP PP sen k s X o io . geod T PP PP k s Y o io cos. X X XP P P Pi o o i Y Y YP P P Pi o o i 27.05.2013 Irineu da Silva Page 57 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). Exemplo: Dadas as coordenadas planas UTM de dois pontos, determinar as suas coordenadas retangulares no sistema topográfico local. NA = 6.953.623,380 m NB = 6.954.016,624 m EA = 601.613,787 m EB = 602.002,535 m = 27° 32’ 14.483485” S = 27° 32’ 01.599853” S = 43° 58’ 15.310008” W = 43° 58’ 01.258185” W H = 870,000 Raio Médio R0 da Terra no local = 6.365.883,810 m 27.05.2013 Irineu da Silva Page 58 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 1. Cálculo da Convergência Meridiana 2. Cálculo do fator de escala altimétrico 3. Cálculo do fator de escala UTM Para o Pt A Para o Pt B = 0,99972843 KUTM (médio)= 0,99972794 99986335.01 HR H K o alt 99972745,0 2 1. 2 0 R E kk 2 0 UTM "92.32'2800 sencA 27.05.2013 Irineu da Silva Page 59 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 4. Cálculo do KT KT = KUTM x Kalt = 0,99959133 5. Origem adotada para o Pt A XA = 5.000,000 YA = 10.000,000 6. Cálculo da distância plana AB 961,552)()( 22 ABABAB EENNs 27.05.2013 Irineu da Silva Page 60 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 7. Cálculo da distância elipsoidal AB (s0) 111,5530 UTMK s s 8. Cálculo da distância topográfica AB ou 9. Cálculo do azimute plano AB 10. Cálculo do azimute geodésico AB 187,553 TK s s "14'40440 AB AB AB NN EE Arctg "41'11440)( AABABgeo c 187,5530 AltK s s 27.05.2013 Irineu da Silva Page 61 Transformação de Coordenadas UTM (E, N) em Coordenadas Planas Local (X, Y). 11. Cálculo das projeções 12. Cálculo das coordenadas (X,Y) do Pt B 621,396cos. 626,385. geoAB geoAB sY sensX 626,385.5 626,385 000,000.5 B AB A ABAB X X mX XXX 621,396.10 621,396 000,000.10 B AB A ABAB Y Y mY YYY
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