Instrumentos Topográficos

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FACULDADES INTEGRADAS PITAGORAS DE MONTES CLAROS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
INSTRUMENTOS TOPOGRÁFICOS
ANDRÉ ALVES TEIXEIRA
DÉBORA ANTUNES GERMANO
FRANK HUBERT ARAUJO BRAGA
MARIA EDUARDA SILVA ANDRANDE
MAYRA COSTA SOUZA
ORLANDO DE SOUZA SANTANA JÚNIOR
THAMIRES ARAÚJO PINHO
MONTES CLAROS – 2014
ANDRÉ ALVES TEIXEIRA
DÉBORA ANTUNES GERMANO
MARIA EDUARDA SILVA ANDRANDE
FRANK HUBERT ARAUJO BRAGA
MAYRA COSTA SOUZA
ORLANDO DE SOUZA SANTANA JÚNIOR
THAMIRES ARAÚJO PINHO
INSTRUMENTOS TOPOGRÁFICOS
 Atividade Avaliativa apresentada ao curso de Engenharia Civil das Faculdades Integradas Pitágoras de Montes Claros, como requisito parcial da 1ª Atividade Avaliativa da disciplina Topografia, sob orientação do professor Melquiades. 
 
MONTES CLAROS – 2014
1. ESTAÇÃO TOTAL
1.1 História
 Estação Total ou Taqueômetro é um instrumento eletrônico utilizado na medida de ângulos e distâncias. A evolução dos instrumentos de medida de ângulos e distâncias trouxe como consequência o surgimento deste novo instrumento, que pode ser explicado como a junção do teodolito eletrônico digital com o distanciômetro eletrônico, montados num só bloco.
 Uma Estação Total é constituída por um teodolito com um distanciômetro e um coletor de dados acoplados, podendo dessa maneira medir e gravar ângulos e distâncias ao mesmo tempo. As Estações Totais eletrônicas atuais possuem um distanciômetro óptico-eletrônico (EDM) e um dispositivo de varredura de ângulos eletrônico. As escalas codificadas dos círculos horizontal e vertical são varridas eletronicamente e, em seguida, os ângulos e as distâncias são exibidos em um visor digital.
1.2 Funcionamento
 A medição feita por teodolitos e estações totais é feitas a partir de pontos de referência espalhados pela cidade, chamados de marcos topográficos. Muitas vezes nem percebemos, mas os marcos topográficos estão espalhados pelas cidades. Qualquer medição precisa de um ponto de referência. Se ele não existir, terá de ser criado, com base em outro. O equipamento de medição seja a estação total ou teodolito começa uma medição alinhada perfeitamente sobre o marco topográfico. A partir dele serão feitas as medições de tamanhos de terrenos, medidas de divisas, áreas de terrenos, medidas de altura com precisões milimétricas, e muitas outras funções.
 A Estação Total mede coordenadas polares, as quais são transformadas em coordenadas planas cartesianas baseadas em um sistema ortogonal. Essa transformação pode ser realizada pelo próprio instrumento ou posteriormente no escritório. 
 A estação total associada ao prisma refletor é capaz de medir distâncias de 500 a 20.000 metros, dependendo da quantidade de prismas utilizados para a reflexão do sinal e das condições atmosféricas.
  As medidas obtidas no levantamento, distância horizontal, diferença de cota e as coordenadas são calculadas automaticamente e todas as medições e informações adicionais podem ser registradas em uma caderneta de campo, coletor de dados através de cartão de memória ou ainda através de computadores portáteis.
 As estações totais são usadas em qualquer tipo de levantamento topográfico ou geodésico. Alguns modelos de estação total são robotizados e é o operador quem segura o prisma refletor e controla a máquina via controle remoto, a partir do ponto observado.
 
 Estação Total Prisma Refletor
1.3 Aplicações
 
 Esse tipo de equipamento é usado principalmente em trabalhos de monitoramento de obras, medição de deformações e deslocamentos de terras. Outras funções que demandam a medição de precisão dos teodolitos e estação total são, por exemplo, orçamento de traçados de estradas, linhas de transmissão de energia, redes de distribuição de água e gás. Mesmo em campos de obra, em casos em que é necessário um alinhamento com perfeição milimétrica, possível usar a estação total para medir a precisão com a qual os blocos de concreto ou peças pré-moldadas estão sendo encaixadas. Sempre que o Estado precisar fazer um investimento em infra estrutura que exija saber a medida de comprimento para licitação, certamente será necessário um trabalhador da agrimensura, e este certamente estará munido de uma estação total ou de um teodolito óptico mecânico.
2. GPS
2.1 História
 Em 1973 iniciou-se o desenvolvimento do Global Positioning System (GPS) , projetado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América (EUA) para oferecer a posição instantânea, bem como a velocidade e o horário de um ponto qualquer sobre a superfície terrestre ou bem próxima a ela num referencial tridimensional.
 O sistema GPS entrou em operação em 1991 e em 1993 a constelação dos satélites utilizados pelo sistema foi concluída. Este sistema representado foi projetado de forma que em qualquer lugar do mundo e a qualquer momento existam pelo menos quatro satélites acima do plano horizontal do observador.
 Desde o lançamento dos primeiros receptores GPS no mercado, tem havido um crescente número de aplicações nos levantamentos topográficos, cartográficos e de navegação, face às vantagens oferecidas pelo sistema quanto à precisão, rapidez, versatilidade e economia. Com o desenvolvimento da navegação espacial adjunto ao surgimento do Sistema de Posicionamento Global (GPS), vem se observando um grande interesse científico na criação de bancos de dados georreferenciados com extrema precisão, pois o sistema é uma grande ferramenta para estudos geodésicos, devido a sua precisão, além de permitir em tempo real o posicionamento em 3D.
2.2 Funcionamento
 O GPS consiste de três segmentos principais: espacial, controle e de usuário.Os satélites que compõem o segmento espacial do sistema GPS orbitam ao redor da Terra distribuídos em seis órbitas distintas, a uma altitude de 20.200 Km, distribuídos em seis planos orbitais com uma inclinação de 55° em relação ao equador, e com um período de revolução de 12 horas siderais. Isso vem acarretar uma repetição na configuração dos satélites com uma repetição de quatro minutos mais cedo diariamente em um mesmo local. Essa configuração garante que, no mínimo, quatro satélites GPS sejam visíveis em qualquer local da superfície terrestre ou acima dela, a qualquer hora do dia.
2.3 Aplicação
 O GPS é um sistema multipropósitos, que permite aos usuários determinar suas posições expressa em latitude, longitude e altura geométrica ou elipsoidal em função das coordenadas cartesianas X, Y e Z em relação ao centro de massa da Terra. A categoria dos usuários pode ser dividida em civil e militar, sendo que para o uso civil existe restrição quanto à precisão.
 Os militares americanos fazem uso dos receptores GPS para estimar suas posições e deslocamentos quando realizam manobras de combate e de treinamento. Como exemplos podem ser citados a Guerra do Golfo e, mais recentemente, a Guerra do Afeganistão, onde os receptores GPS foram usados para o deslocamento de tropas e na navegação de mísseis até o alvo inimigo.
 
 Entre suas aplicações se encontram nos segmentos: navegação para aviões, carros, naviios e outros meios de transporte, posicionamento de objetos e dados no espaço, caminhamentos, movimentos de placas tectônicas, esportes radicais, na correção geométrica de aerofotos e imagens de satélite.
3. NÍVEL
3.1 História
 
 O conceito das observações relacionadas com a linha do horizonte que permitiu uma relação de altitudes entre pontos desnivelados, através da leiturade réguas graduadas, impulsionou igualmente a aparição dos instrumentos denominados de “níveis ópticos”.
 Estes instrumentos munidos de bolhas de nível que garantem de forma eficaz a sua posição horizontal foram inicialmente concebidos por fabricantes ingleses Suíços e alemães dos quais se destacam as casas Baker, Cook Troughton & Simms, Hilger & Watts, Wild, Kern e Zeiss, entre outras.
 O nível é um aparelho topográfico munido de uma luneta astronómica, nivelas esféricas e/ou tóricas e ainda parafusos nivelantes da base. Este tipo de elementos é também comum aos taqueómetros e estações totais. No entanto, o nível tem uma particularidade que o torna especialmente apto à medição de desníveis. Com ele é fácil materializar com rigor uma visada horizontal.
 Atualmente, os níveis poderão ser óticos ou digitais. Existem dois tipos de níveis óticos: níveis bloco e níveis de horizontalização automática. No caso do nível bloco, a
horizontalização da luneta é efetuada com auxílio de uma nivela tórica colocada no montante da luneta. 
3.2 Funcionamento
 Antes de realizar um nivelamento geométrico é fundamental garantir que são respeitadas todas as condições que levam ao correto funcionamento do método. Em termos de material, como foi visto no ponto anterior, necessitamos de um tripé, de um nível e de uma ou duas miras (réguas graduadas).
A preparação para as observações com nível desenrola-se em quatro etapas:
1. Colocar o tripé no local desejado:
Ao realizar esta operação dever-se-á assegurar que a base fica numa posição aproximadamente horizontal. Os pés deverão, sempre que o terreno o permita, ser fixados ao solo, pressionando com o pé sobre o dispositivo apropriado. Teoricamente, este ponto (estação) pode ser qualquer um, normalmente o que permite melhor visibilidade dos pontos a observar. Veremos mais adiante que existem algumas condicionantes que limitam a escolha deste ponto.
2. Apertar o nível sobre a base do tripé:
Posicionar o nível no centro da base fixando-o a esta, sem forçar demasiado, por intermédio do parafuso que pode ser acedido pela parte inferior da base.
3. Calar a(s) nivela(s):
Por norma, os níveis possuem uma nivela esférica, a qual deve ser calada apenas no momento em que se coloca o nível no tripé. Por ser um tipo de nivela de baixa resolução, esta não mais se desretificará durante o trabalho nessa estação (até porque a nivela esférica horizontaliza o plano ao qual se associa). Se se tratar de um nível bloco então sempre que se faz uma observação é necessário calar a nivela tórica, normalmente por intermédio de um parafuso de inclinação. Recorde-se que a nivela tórica apenas horizontaliza o eixo ao qual se associa, neste caso o eixo ótico, não havendo garantia de manutenção da horizontalidade ao rodar o nível para visar outro ponto. No caso de um nível de horizontalização automática, mais nenhum cuidado especial será necessário.
4. Realizar as observações sobre a mira:
Depois de ultrapassadas as etapas anteriores, pode-se começar a efetuar as leituras sobre a mira, devendo, antes de tudo, focarem a imagem e os fios do retículo usando os parafusos apropriados. No caso do nivelamento geométrico, a distância entre a estação e o ponto visado é dada pela Equação:
dh K L L
 A determinação do desnível (H) entre dois pontos A e B é feita colocando o nível num ponto próximo de A e de B e visando, nos dois pontos, uma mira graduada, vertical. Fazem-se as leituras do fio médio do retículo (LA e LB). O desnível surge como a diferença entre as duas leituras. Quando um trabalho de nivelamento pode ser realizado recorrendo à utilização de uma única estação, é designado por nivelamento geométrico simples. 
Nivelamento geométrico simples (perfil).
Nivelamento geométrico simples (perspectiva).
3.3 Aplicação
 Os níveis substituem as mangueiras de níveis e os fios de prumo, que eram métodos antigos que demandava mais tempo da mão de obra, hoje o servente leva algum tempo até aprender a fazer as medições, mas depois não quer voltar ao fio de prumo. Estes níveis são ágeis nas marcações promovendo economia de tempo.
Nível digital é utilizado para medição e registro automático de distâncias horizontais e verticais ou diferenças de níveis, por isso não mede ângulos. É usado essencialmente em nivelamentos convencionais e na construção civil.
4.TEODOLITO
4.1 História
 O matemático inglês Leonard Digges (1515-1559) é considerado o inventor do equipamento denominado teodolito, conforme relatado no livro "Pantometria" que descreve em 1570 como Digges fez uso de um "vidro proporcional" para identificar e alinhar objetos distantes. Este trabalho incluiu contribuições de pai de Leonard Digges que vinha trabalhando nele no momento de sua morte. O trabalho realizado contém a descrição Digges 'de como as lentes podem ser combinados para fazer um telescópio.
 Embora Digges e Dee estavam trabalhando juntos neste momento fazendo observações astronômicas precisas não há nenhuma evidência de que eles realmente construído um telescópio com o qual se observar objetos celestes. Sabemos que Digges, entre outros instrumentos utilizados uma cruzada pessoal para determinar as posições das estrelas, planetas e cometas, mas quando uma nova estrela apareceu em 1572 ele usou uma régua de seis pés que ele suspendeu a partir de uma árvore, que ele usou para determinar se a nova estrela mudou em relação às outras estrelas próximas no céu. 
 Pantometria também contém uma descrição de um novo instrumento para levantamento que permitiu o agrimensor para desenhar linhas de visão diretamente, contribuindo intensamente com o desenvolvimento da cartografia e agrimensura e sua aplicação na elaboração de contratos relacionados à propriedade, arrendamento e aproveitamento de terras e edificações.
 Anteriormente ao teodolito os Árabes, no século IX utilizavam o astrolábio que só permitia medir ângulos no plano, e ao nível do observador e dos objectos a medir.
 O primeiro teodolito foi construído em 1787 por Ramsden. Os teodolitos antigos eram demasiado pesados e a leitura dos seus limbos era muito complicada. Em 1920, Enrique Wild construiu círculos graduados sobre vidro, para conseguir menor peso e tamanho e maior precisão, tornando a leitura mais fácil.
 Desde essa altura, múltiplos teodolitos mais especializados foram surgindo, permitindo mais rigor nas medições de ângulos em áreas tão diversas como a topografia e a engenharia. Hoje em dia já existem teodolitos com leitura eletrônica.
 
4.2 Funcionamento
 Teodolito é um instrumento usado para medição. Esse aparelho consiste de um par de círculos graduados posicionados em ângulos retos entre si. O teodolito é usado principalmente para medidas de ângulos horizontais e verticais. Entretanto, esses instrumentos medem ângulos horizontais com maior precisão que ângulos verticais, uma vez que esta é a principal função nas medições. 
 O teodolito é desenvolvido em três formas: padrão Y, trânsito e Everest. As três formas possuem base circular dividida em seções, com pernas feitas de aço. No teodolito Y, o suporte do telescópio é baixo. O telescópio é apoiado em uma armação com suportes. O teodolito Everest possui suporte baixo, bem como o telescópio imóvel. O teodolito Everest é similar ao Y, mas difere na estrutura do círculo vertical, que possui dois arcos. Por fim, o teodolito trânsito não apresenta ocular no telescópio e emprega o uso de um prisma.
 O teodolito é composto por partes ópticas e mecânicas. No seu interior, possui prismas e lentes que ao desviar o raio de luz permite uma rápida e simples leitura dos limbos graduados em graus, minutos e segundos.
	
	
Imagem esq.: Representação esquemática de um teodolito. Imagem superior: Gráficos da disposição dos círculos vertical e horizontal.
 Um teodolito deve ser montado em um tripé para nívelou posicionado onde o usuário possa observar. O observador faz leituras olhando através do telescópio ou ajustando a mira vertical para encontrar a extrema esquerda do objeto em estudo. O círculo horizontal é então rotacionado e travado no lugar. A direção específica do círculo deve ser gravada pelo observador. Após isso, o próximo objeto é estudado rotacionando o círculo no sentido anti-horário, o que é repetido até todos os objetos forem lidos.
 No campo da geodésia, os conceitos de trigonometria são usados para medir ângulos e obter direções de objetos. Um dos conceitos em trigonometria implementados na utilização de um teodolito é a triangulação. Esse tipo de estudo, baseado na medição de ângulos e distâncias, desenvolve uma série de triângulos ligados, dos quais as coordenadas do plano são derivadas.
 Geralmente junto do teodolito é usada uma bússola para medir os ângulos formados pela posição no terreno em que está sendo realizado o levantamento topográfico/geodésico, com a direção do meridiano magnético.
 Alguns teodolitos antigos possuíam a bússola acoplada em sua estrutura, como é o caso do teodolito-trânsito. Era comum existirem bússolas topográficas com os pontos cardeais Leste e Oeste invertidos, pois isso facilitava a leitura do ângulo no seu quadrante.
 Comparado aos usos tradicionais de teodolitos, o método moderno para utilizar teodolitos utiliza leituras digitais ou eletrônicas. Um codificador rotativo faz a leitura para o observador. O desenvolvimento de sensores permitiu aos inventores adicioná-lo no plano focal, possibilitando ao observador meios de marcar automaticamente os objetos e medi-los instantaneamente, usando o software embutido.
4.3 Aplicação
 O teodolito é posicionado em um ponto de forma que esteja nivelado com o eixo de gravidade do local, mira-se com a luneta para um outro ponto e, então, toma-se sua medida angular. Precisamos no mínimo das medidas de três pontos diferentes. 
 Para o cálculo de tais medidas, aplicam-se sistemas de triangulação (método de levantamento baseado na trigonometria). Através desses dados, podem ser confeccionadas cartas ou plantas topográficas e mapas. Emprega-se o teodolito em Topografia e Geodésia sendo seu uso também aplicado à engenharia.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
-[...]. Teodolito e Estação Total – Equipamento para Agrimensura. Disponível em: <http://mundotop.com/teodolito-estacao-total-agrimensura/>. Acesso em: 26 Agosto 2014.
-MUSEU DE ASTRONOMIA E CIÊNCIAS AFINS. Teodolito. Disponível em: <http://www.mast.br/multimidia_instrumentos/teodolito_funcao.html>. Acesso em: 26 Agosto 2014.
-BERNARDI, José Vicente Elias. LANDIM, Paulo M. Barbosa. Aplicação do Sistema de Posicionamento Global (GPS) na Coleta de Dados. Disponível em: <http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/DIDATICOS/LANDIM/textogps.pdf>. Acesso em: 26 Agosto 2014.
-[...]. Teodolito. Disponível em: <http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm2003/icm11/napl4.htm>. Acesso em: 26 Agosto 2014.
-FAVORS, Paul. Como um Teodolito Funciona. Disponível em: <http://www.ehow.com.br/teodolito-funciona-como_5769/>. Acesso em: 26 Agosto 2014.
-IBP Brasil Peritos. Leonard Digges e o teodolito. Disponível em: <http://www.grandesperitos.com.br/>. Acesso em: 26 Agosto 2014.