MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA – PPGG
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS GEOLÓGICOS COM A TECNOLOGIA LIDAR
Dissertação N° 54 / PPGG
Autor:
RONALDO CAVALCANTE FREIRE
Orientador:
PROF.DR.FRANCISCO PINHEIRO LIMA FILHO
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA – PPGG
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS GEOLÓGICOS COM A TECNOLOGIA “LIDAR”
Dissertação de Mestrado apresentada em 16 de Junho de 2006, para obtenção do título de Mestre em Geodinâmica pelo Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Autor:
RONALDO CAVALCANTE FREIRE
Comissão Examinadora:
PROF.DR.FRANCISCO PINHEIRO LIMA FILHO (DG/PPGG/UFRN–ORIENTADOR)
DR.CLÁUDIO PIRES FLORÊNCIO (UN/RNCE–PETROBRAS)
PROF.DR.RICARDO FARIAS DO AMARAL (DG/PPGG/UFRN)
A meus queridos pais Helvécio e Deuzalina, minhas duas irmãs Deborah e Rafaela, meu irmão Rodrigo e meu amor Camilla.
AGRADECIMENTOS
Ao final de um trabalho científico sempre paro para pensar e refletir sobre o que escrever nos agradecimentos, talvez por receio de esquecer de mencionar alguém ou porque é um momento simplesmente especial que marca o fechamento de um ciclo importante profissional e pessoal, onde se guardam desde lembranças, dificuldades e vitórias conquistadas.
Enfim quero agradecer a todos que direta e/ou indiretamente contribuíram para a realização desta dissertação de mestrado, mesmo que eu cometa a falha de esquecer de alguém, muito obrigado por tudo.
Primeiramente tenho que agradecer a minha família. A meu pai Helvécio, minha mãe Deuzalina, meus irmãos Deborah, Rafaela e Rodrigo, Raimunda e todos os meus parentes, pois sem eles não seria nada nessa vida, e é com o apoio deles que consegui superar mais esta etapa da minha vida e, por isso, sou eternamente grato a todos vocês. Agradeço a Camilla por “tudo”, por ter me emprestado um pouco da sua felicidade, do seu amor e da sua família, que posso chamar de minha recém e futura família em Natal. Obrigado a todos, especialmente a minha sogra Silvia Maia.
Tenho um agradecimento especial a fazer para o meu orientador Prof. Dr. Francisco Pinheiro Lima Filho que acreditou no meu potencial e me trouxe aqui para Natal, me oferecendo toda a infra-estrutura disponível de seu laboratório e também seu conhecimento pessoal sobre geologia e sobre a vida. Agradeço por ter se tornado mais que um professor e sim um amigo.
Nesse tempo de mestrado na UFRN fiz muitas amizades e muitas delas aconteceram dentro do GEA, por isso me sinto muito feliz em lembrar e agradecer a todos vocês, pois sabemos que ao final de um trabalho como este todos somos vitoriosos! Agradeço em especial ao M.Sc. Leonardo Menezes pela grande ajuda nas modelagens geológicas com GoCAD, e por todo apoio concedido, tanto geologicamente, como pessoalmente, e também ao M.Sc. Yoe Alain por me ajudar em tantas horas de dúvidas e dificuldades que ocorreram neste período. Agradeço também aos geólogos: Daniel Siqueira, Anderson Medeiros, Marcus Vinícius, Daniel Alexsander, e as geólogas Verônica, M.Sc. Paola, Dra. Ana Paula Pelosi, e as futuras geólogas Daniele e Rosileide. Não tinha como esquecer de agradecer ao grande botafoguense Feitosa e do experiente Ricardo Rabelo pelo apoio, convivência e brincadeiras nas etapas de campo.
Um agradecimento especial a Empresa Santiago & Cintra por todo o seu empenho para viabilizar a viagem de campo com o Laser Scanner na Bacia do Parnaíba, em nome de Lincon e Anderson Schwab. Agradeço encarecidamente ao amigo Anderson Schwab pela imensurável
ajuda no campo, no processamento dos dados e na descrição das técnicas de aquisição com o Laser Scanner.
Agradeço também a toda a turma contemporânea de Pós-Graduação da UFRN, pela convivência, discussões, diversões etc, e em especial, a minha turma de 2004.1, Antônio Sanzio, Pauletti, Adelbaldo, Ana Paula Justo, Miriam, Clenúbio, Mickaelon, Leão.
A CAPES, pelo financiamento da bolsa de pesquisa de mestrado e a FINEP e a PETROBRAS pelo financiamento dos projetos do GEA.
A todos os professores e funcionários do Departamento de Geologia e do Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da UFRN pela tranqüila convivência e pelas discussões geológicas.
ÍNDICE
DEDICATÓRIA AGRADECIMENTOS SUMÁRIO ÍNDICE ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES RESUMO ABSTRACT 1-INTRODUÇÃO 1 1.1 - Apresentação 2 1.2 - Objetivos 3 1.3 - Localização da Área 3 1.4 - Metodologia de Trabalho 5 2-BACIA DO PARNAÍBA 7 3-TECNOLOGIA LIDAR 21 3.1 - Apresentação 223.2 - Conceitos Básicos e Definições 24 3.3 - Técnicas de Aquisição e Registro de dados 29
3.4 - Aplicações diversas do Laser Scanner 35
4-ESTUDO DE CASO 41
4.1 - Geologia da área 42 4.2 - Aquisição dos dados 47
5-MODELAGEM 3D NO GOCAD 66
5.1 - Integração de dados (LIDAR x GPR) 68
5.2 - Modelo Determinístico 3D 70
6-CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 78
ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES
FIGURAS
Figura 1.1 – Mapa de Localização da área selecionada (Elaborado com auxílio do Mapa das Unidades de Conservação Federais do Brasil – IBAMA) 4 Figura 2.1 – Localização geográfica da Bacia do Parnaíba 8 Figura 2.2 – Localização e limites tectônicos da Bacia do Parnaíba. Zalán (2004) 10 Figura 2.3 – Inundações ocorridas no eodevoniano no Brasil . (A) 400 Ma; (B) 395 Ma. Baseado em Melo (1989) in Almeida & Carneiro (2004). 12 Figura 2.4 – Inundação ocorrida no Mesodevoniano no Brasil há 390 Ma. Baseado em Melo (1989) in Almeida & Carneiro (2004) 13 Figura 2.5 – Carta Estratigráfica da Bacia do Parnaíba (modificado de Góes et al. 1993). 20 Figura 3.1 – Nuvem de pontos tridimensional adquirida com o Laser Scanner. 22 Figura 3.2 – Laser Scanner modelo HDS 3000 da Leica Geosystems 23 Figura 3.3 – Giro horizontal e vertical do HDS 3000 e janelas de varredura. 24 Figura 3.4 – Janelas de navegação e de visualização do software Cyclone 25 Figura 3.5 - Hierarquia de objetos no Cyclone. 26 Figura 3.6 – Fotos tiradas com a câmera digital integrada do Laser Scanner 27 Figura 3.7 – Execução do registro de duas cenas no software Cyclone. 28 Figura 3.8 – a) Target magnético ou path e b) Target de giro. 30 Figura 3.9 – Registro de cenas através de nuvens de pontos, enfatizando o recobrimento necessário entre as cenas para a realização dessa operação. 31 Figura 3.10 – Exemplo de um registro de cenas utilizando vertex virtuais. No lado direito inferior tem-se um zoom de um vertex virtual. 34 Figura 3.11 – Desmonte da frente de lavra no campo de dunas da empresa Millennium. 36 Figura 3.12 – Instalações industriais utilizadas nas atividades da empresa Millennium. 36 Figura 3.13 – Aquisição com o Laser Scanner nas dependências da empresa Millennium. 37 Figura 3.14 – Georreferenciamento do modelo a partir do uso do GPS Diferencial. 38 Figura 3.15 - Modelo 3D da frente de lavra da empresa Millennium Lyondell. 39 Figura 3.16 - Detalhe da frente de lavra e de alguns equipamentos de desmonte da mina. 39 Figura 3.17 – Mais detalhes da frente de lavra e de alguns equipamentos. 40 Figura 3.18 – Vista 3D da planta de pré-beneficiamento da mina. 40 Figura 4.1 – Área principal de estudo localizada no Parque Nacional da Serra das Confusões, borda sudeste da Bacia do Parnaíba. 43 Figura 4.2 – Delimitação da planície de inundação e dos depósitos de canais fluviais a partir da imagem de satélite Quickbird. 44 Figura 4.3 – Modelo Digital de Terreno Regional obtido a partir de dados altimétricos
SRTM / NASA. 45
Figura 4.4 – Barras arenosas 3D preservadas. Parque Nacional da Serra das Confusões. 46 Figura 4.5 – Afloramentos com cortes tridimensionais em toda a área, sendo possível à observação de várias estruturas sedimentares, como migração das formas de leito e as estratificações cruzadas tabulares. 47 Figura 4.6 – Afloramento selecionado para a aquisição dos dados de superfície e
subsuperficie. 48
Figura 4.7 – Posicionamento das estações de coleta de dados do Laser Scanner. 49 Figura 4.8 – Criação do sistema arbitrário de coordenadas e posicionamento das estações de coleta de dados com a Estação Total. 50 Figura 4.9 – Aquisição de cenas com Laser Scanner a partir das estações de coletas de
dados pré-definidas 51
Figura 4.10 – Resolução da aquisição dos dados de no máximo 0,035 m entre os pontos. 53 Figura 4.11 – Nuvem de pontos representando todas as 12 cenas adquiridas, totalizando 53
11.185.407 pontos.
Figura 4.12 – Erro no registro de dados porque as cenas ficaram deslocadas nos três eixos
de coordenadas. 54
Figura 4.13 – Visualização do processo de registro de cenas pela técnica de vertex virtuais no software Cyclone, onde tem-se a comparação de duas cenas adjacentes já com alguns
vertex virtuais criados. 55 Figura 4.14 – Representação da nuvem de pontos tridimensional do afloramento com todos os vertex virtuais criados para o registro de cenas. 56 Figura 4.15 – Modelo Final 3D adquirido com Laser Scanner. (A) Nuvem de pontos 3D representando o afloramento e (B) nuvem de pontos sobreposta à imagem digital obtida
pelo próprio equipamento 57
Figura 4.16 – Visualização do produto final da aquisição no software Cyclone 5.2. Em (A), (B), (C) e (D) tem-se somente as nuvens de pontos, já em (A’), (B’), (C’) e (D’) tem-se as imagens digitais sobrepostas as nuvens de pontos. 58 Figura 4.17 – Representação esquemática do método GPR mostrando a aquisição e resposta de 4 traços em um perfil de reflexão (Robinson & Michaud (1999) in Menezes
2004). 59
Figura 4.18 – Representação esquemática de um típico sistema de GPR. Davis & Annan
(1989) 60
Figura 4.19 – Levantamento dos perfis de GPR. 61 Figura 4.20 – Localização dos perfis de GPR adquiridos no afloramento. 62 Figura 4.21 – Levantamento dos perfis de GPR concomitantemente com o levantamento topográfico com a Estação Total para a correção altimétrica dos perfis. 62 Figura 4.22 – Apresentação dos perfis de GPR adquiridos na Bacia do Parnaíba com as
antenas de 100 e 200 MHz. 64
Figura 4.23 – Interpretações dos perfis de GPR adquiridos na Bacia do Parnaíba com as
antenas de 100 e 200 MHz. 65
Figura 5.1 – Dados do LIDAR no GoCAD representando a geometria externa do
afloramento. 69
Figura 5.2 – Perfis de GPR inseridos no GoCAD. 70 Figura 5.3 – (a) Dados do Laser Scanner inseridos como PointSets no GoCAD. (b) Perfis
de GPR inseridos como Voxets. Integração dos dois tipos de dados. 71 Figura 5.4 – Visualização inicial de todos os dados no GoCAD 72 Figura 5.5 – Perfil 01 original, refletores do perfil 02 interpretado e refletores digitalizados
do perfil 03 (Antena de 100 MHZ). 73 Figura 5.6 – Interpretação e digitalização dos dois limites mais representativos de ciclos
fluviais do afloramento. 74
Figura 5.7 – Superfícies geradas integrando os dados de Laser Scanner e de GPR. 75 Figura 5.8 – Perfis de GPR com as superfícies interpretadas. 76 Figura 5.9 – Correlação dos refletores interpretados somente nos perfis de GPR, em
conjunto com as duas superfícies geradas com dados de LIDAR e GPR. 77
TABELAS
Tabela 4.1 – Resumo da aquisição com o Laser Scanner, mostrando as estações de coleta, as cenas e a quantidade de pontos adquiridos. 52 Tabela 4.2 – Valores de constante dielétrica, velocidade, condutividade e atenuação, para materiais geológicos comuns. Davis & Annan (1989). 60
RESUMO
Esta dissertação apresenta os resultados obtidos de aquisições de campo com modernas técnicas de mapeamento digital de afloramentos e de modelagem tridimensional, como a emergente tecnologia LIDAR (Light Detection and Ranging) e o GPR (Ground Penetrating Radar). O afloramento escolhido situa-se na borda sudeste da Bacia do Parnaíba, situado no Parque Nacional da Serra das Confusões, Estado do Piauí. O objetivo principal deste trabalho é apresentar e avaliar as técnicas de aquisição de dados geológicos com a tecnologia LIDAR, além da construção de um modelo determinístico 3D no software GoCAD, integrando os dados de superfície do Laser
Scanner e os dados de subsuperficie do GPR. Foram descritas cinco técnicas de
aquisição de dados geológicos com o Laser Scanner: a) Sistema de Targets, b) Sistema de Nuvens de Pontos, c) Sistema de Pontos Topográficos, d) Única Cena ou Cena Isolada e e) Sistemas Alternativos. A metodologia foi compartimentada em quatro etapas: seleção do afloramento, aquisição de superfície com a tecnologia LIDAR, aquisição de subsuperfície com o GPR, integração dos dados e modelagem 3D. Além da aquisição na Bacia do Parnaíba foi realizada outra aquisição com a tecnologia LIDAR nas instalações da empresa Millennium Lyondell, no Estado da Paraíba, com objetivo de exemplificar para o meio geocientífico outras aplicações dessa tecnologia. As aquisições dos dados de superfície (LIDAR) foram realizadas com o equipamento modelo HDS 3000 da Leica
Geosystem, com auxilio de uma Estação Total modelo 3305 DR da marca Trimble para
posicionar as estações de trabalho do Laser Scanner. O GPS Geodésico (RTK Topcon) foi utilizado em conjunto com o Laser Scanner para georreferenciamento dos dados. O GPR foi realizado com o equipamento RAMAC da Mala Geoscience. Foram levantados perfis com as antenas de 100 MHz e de 200 MHz, com aquisição no modo passo-a-passo, empilhamento de 256 vezes, espaçamento de 20 cm e número de amostragem de 512. A modelagem tridimensional dos dados foi realizada utilizando-se dois softwares específicos para ambientes 3D: Cyclone 5.2 e GoCAD 2.1. No GoCAD foram integrados os dados do Laser Scanner, Estação Total e do GPR, e construído o modelo determinístico 3D do afloramento.
ABSTRACT
This work presents the results of field surveys realized with modern techniques of digital outcrop mapping and three-dimensional modeling, like emergent technology LIDAR (Light Detection and Ranging) and GPR (Ground Penetrating Radar). The selected outcrop is located in the Parnaiba Basin, in Parque Nacional da Serra das Confusões, Piauí State, Brazil. The main purpose of this work is to present and to evaluate the acquisition techniques of geologic data with LIDAR technology, and to construct a deterministic model with GoCAD software, integrating surface (LIDAR) and subsurface (GPR) data. It is described five of these techniques to work in the field with Laser Scanner: a) Targets System, b) Cloud of points system, c) Topographic points System, d) Unique Scene and e) Alternative Systems. The methodology was segmented in four stages: outcrop selection, surface acquisition (LIDAR), subsurface acquisition with GPR, data integration and 3D modeling. Another survey was done with LIDAR in the Millennium Lyondell company installations in State of Paraíba, with the objective to show other geologic applications of the technology. The LIDAR surveys were done with a HDS 3000 equipment of Leica Geosystem, with support of a Total Station, model Trimble 3305, to locate the bases of Laser Scanner. A Geodesic GPS (RTK Topcon) was used to data georreferencing. The GPR used in surveys was a RAMAC equipment of Mala Geoscience and were acquired profiles with antennas of 100 MHz and 200 MHz. The 3D modeling was realized with two specific softwares: Cyclone 5.2 and GoCAD 2.1. GoCAD integrated the data of Laser Scanner, Total Station and GPR, and constructed the outcrop deterministic model.
Capítulo 1
Introdução
Esta dissertação faz parte dos requisitos obrigatórios para a conclusão do curso de Mestrado desenvolvido no âmbito do Programa de Pós-graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG) do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. O presente trabalho consiste na avaliação das técnicas de aquisição de dados geológicos com o Laser Scanner e na modelagem 3D dos dados nos softwares
GoCAD e Cyclone.
A dissertação teve apoio dos seguintes projetos locados e desenvolvidos pelo GEA/UFRN (Grupo de Estudos de Análogos a Reservatórios Petrolíferos): Parametrização e Modelagem de Depósitos Fluviais na Bacia do Parnaíba, Fomento: CNPq e Parametrização e Modelagem de Sistemas Fluviais e Eólicos na Bacia do Parnaíba, Fomento: FINEP/PETROBRAS.
1.1 Apresentação
Com o avanço tecnológico alcançado nos últimos anos, surgiram novas ferramentas que permitem a aquisição de dados de afloramentos (superfícies externas e interna) com mais rapidez e maior resolução como, por exemplo, a tecnologia LIDAR (Ligth Detection
and Ranging), GPS geodésico (RTK Topcon e Mapping Trimble), GPR (Ground Penetration Radar) e a sísmica de alta resolução. Com estas novas ferramentas torna-se
possível à elaboração de modelos de sistemas deposicionais realísticos (modelos determinísticos) com custos e qualidade não imagináveis há poucos anos atrás. Essas novas técnicas de mapeamento digital, envolvendo tecnologias de modelagem e visualização 3D, viabilizam a realização de viagens de campo virtuais aos afloramentos, a partir de ambientes de imersão virtual 3D (Brown 2001).
Dentre estas novas tecnologias de alta resolução, a tecnologia LIDAR, terrestre e aerotransportada, se destaca por se aplicar em diversas áreas da engenharia e, mais recentemente, nas geociências, apresentando uma rápida expansão nos mais variados tipos de projetos como: plantas industriais, plataformas offshore, preservação de patrimônio e meio ambiente. Na área de caracterização, parametrização e modelagem 3D de afloramentos ainda é uma ferramenta nova e com desenvolvimento progressivo em todo o mundo.
Os modelos digitais de afloramentos integram informações topográficas, geológicas e dados de sensores remotos de superfície e de subsuperfície, posicionados com alta precisão no espaço tridimensional, permitindo que sejam reconstruídas imagens virtuais do afloramento de interesse (Xu et al. 2002). Estes modelos 3D podem ser usados para estudos de simulação de fluxo de fluido e para parametrização dos elementos deposicionais (Olariu et al. 2002).
O Laser Scanner é parte de uma tecnologia emergente que vem sendo incorporada gradativamente ao processo de mapeamento digital de afloramentos. Esta tecnologia ainda está em estágio inicial no Brasil na área de Geologia, portanto, esse trabalho busca abordar alguns conceitos básicos e definições sobre esse sistema, bem como, exemplificar algumas aplicações importantes para Geologia. Além disso, propõe pioneiramente discutir a validade, limitações e vantagens sobre as várias técnicas de aquisição de dados geológicos com o Laser Scanner.
1.2 Objetivos
Os objetivos principais deste trabalho são:
a) Avaliar as diversas técnicas de aquisição e registro de dados com a tecnologia LIDAR e adaptá-las para aplicação na Geologia, introduzindo para o meio geológico conceitos básicos e definições sobre o sistema, contribuindo assim para uma melhor divulgação do potencial desta ferramenta;
b) Elaborar modelos determinísticos de afloramentos utilizando o software GoCAD, integrando dados de superfície e de subsuperficie.
1.3 Localização das Áreas de Estudo
Para o desenvolvimento deste trabalho foram selecionadas duas áreas de estudo, sendo uma área principal localizada na Bacia do Parnaíba para utilização do Laser
Scanner e do GPR, gerando modelos determinísticos, e outra área em um campo de
dunas no Estado da Paraíba, para exemplificar aplicações da tecnologia LIDAR.
A área principal de trabalho localiza-se na borda sudeste da Bacia do Parnaíba, no sul do estado do Piauí, estando compreendida dentro dos limites do Parque Nacional da Serra das Confusões, gerenciado pelo IBAMA/PI.
Figura 1.1 – Mapa de localização da área selecionada (elaborado com auxílio do Mapa das Unidades de Conservação Federais do Brasil – IBAMA)
A cidade de São Raimundo Nonato é a maior da região e situa-se a leste da área de estudo, distando cerca de 100 km. A sudeste da área, a cidade de Caracol é a mais próxima dos limites do Parque Nacional da Serra das Confusões (Figura 1.1).
O Parque Nacional que possui uma área superficial de 502.411 ha foi criado pelo Decreto Presidencial do dia 02 de outubro de 1998, abrangendo os Municípios de Caracol, Guaribas, Santa Luz e Cristino Castro, no Estado do Piauí, com o objetivo de proteger e preservar amostra dos ecossistemas ali existentes, e possibilitar o desenvolvimento de pesquisa científica e programas de educação ambiental.
A outra área selecionada para utilização do Laser Scanner compreende um campo de dunas onde a empresa Millennium Lyondell desenvolve atividades de lavra de minerais pesados no Estado da Paraíba, com o objetivo de demonstrar as diversas aplicações na Geologia desta moderna e emergente técnica.
1.4 Metodologia de trabalho
A metodologia adotada neste trabalho constou na utilização de técnicas de mapeamento digital de afloramentos e de modelagem tridimensional, desenvolvida com ferramentas de aquisição de dados de superfície (LIDAR) e de subsuperfície (GPR), além de softwares específicos de modelagem 3D, como Cyclone 5.2 e GoCAD 2.1, que integram a infra-estrutura do Laboratório de Análises Estratigráficas (LAE) do Departamento de Geologia da UFRN.
Para o melhor desenvolvimento do trabalho, a metodologia foi compartimentada em etapas, sendo elas: seleção do afloramento, aquisição de superfície com a tecnologia LIDAR, aquisição de subsuperfície com o GPR e, por fim, integração dos dados e modelagem 3D.
a) Seleção do Afloramento
Nesta etapa inicial do trabalho se buscou afloramentos com características que permitissem a aplicação das técnicas de mapeamento digital acima citadas. Nas duas áreas de estudo foram escolhidos afloramentos em regiões sem cobertura vegetal, de fácil acesso para minimizar dificuldades operacionais e que apresentassem cortes tridimensionais e exposições de estruturas sedimentares.
b) Aquisição de Superfície – Tecnologia LIDAR
A aquisição de superfície foi realizada com o equipamento Laser Scanner, modelo HDS 3000 da Leica Geosystem. Para auxiliar o levantamento de superfície foi utilizado também uma Estação Total modelo 3305 DR da marca Trimble com o objetivo de posicionar as estações de trabalho do Laser Scanner. Outro equipamento utilizado em conjunto com o Laser Scanner foi o GPS Geodésico (RTK Topcon) com a finalidade de georreferenciar, ao final, as aquisições realizadas. O enfoque principal da aquisição de superfície é o de transportar para o ambiente 3D as geometrias externas dos afloramentos imageados. Vale ressaltar que o equipamento Laser Scanner tem como produto final nuvens de pontos tridimensionais posicionadas com alta precisão no espaço 3D, e que possibilitam a representação virtual dos afloramentos.
c) Aquisição de subsuperfície – GPR
Para a aquisição da superfície interna do afloramentos foi escolhido o método eletromagnético conhecido como GPR, com o objetivo de identificar estruturas e geometrias internas do afloramento estudado.
O GPR foi realizado no afloramento selecionado na Bacia do Parnaíba e o equipamento utilizado para a aquisição dos perfis foi o RAMAC da Mala Geoscience. Foram levantados perfis com as antenas de 100 MHz e de 200 MHz, com aquisição no modo passo-a-passo e as seguintes configurações: empilhamento de 256 vezes, espaçamento de 20 cm e número de amostragem de 512.
O processamento dos dados foi realizado nos softwares Gradix e Radan. Para se obter a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no meio foi realizada uma CMP (common mid point), para posterior conversão tempo-profundidade.
d) Modelagem 3D
A modelagem dos dados foi realizada utilizando-se dois softwares específicos para ambientes 3D: Cyclone 5.2 e GoCAD 2.1.
Para tratamento dos dados de campo do Laser Scanner, no espaço 3D, foi utilizado o Cyclone 5.2, com o objetivo de visualizar as nuvens de pontos adquiridas, de registrar essas nuvens em um espaço 3D comum e de eliminar pontos desnecessários ao modelo final do afloramento.
No GoCAD foi realizada a modelagem tridimensional do afloramento da Bacia do Parnaíba com o objetivo de integrar os dados do Laser Scanner, Estação Total e do GPR e, também, de construir um modelo determinístico do afloramento. A integração do modelo 3D do afloramento com dados de perfis de GPR permite a construção de modelos tridimensionais da arquitetura sedimentar do afloramento (Bhattacharya et al. 2002; Olariu et al. 2002).
O software GoCAD é uma poderosa ferramenta para a integração, modelagem e visualização de dados geológicos no espaço tridimensional, podendo ser construídos modelos determinísticos, usados freqüentemente na indústria petrolífera.
O modelo determinístico foi utilizado para caracterização geológica 3D e para auxiliar nas interpretações sobre o modelo, além de permitir a realização de viagens virtuais ao afloramento.
Capítulo 2
Bacia do
Parnaíba
2.1 Introdução
A Bacia do Parnaíba corresponde a uma sinéclise que abrange os estados do Maranhão, Piauí e parte dos estados do Ceará, Pará e Tocantins, com uma área superficial de aproximadamente 600.000 km2. A espessura total dos sedimentos da bacia chega a 3 km, dos quais 2,5 km são compostos por rochas sedimentares paleozóicas e 0,5 km por rochas sedimentares mesozóicas (Mesner & Wooldridge 1964).
A Bacia do Parnaíba (Figura 2.1) é uma bacia do tipo intracratônica, com forma elipsoidal, com o diâmetro maior orientado no sentido NE-SW, medindo cerca de 1.000 km, e o diâmetro menor, ortogonal ao primeiro, atingindo cerca de 800 km (Cunha 1986).
2.2 Evolução do Conhecimento
Os estudos iniciais da Bacia do Parnaíba datam do início do século passado, com os trabalhos pioneiros de Small (1914) sobre águas subterrâneas do estado do Piauí e de parte do Ceará; de Plummer e seus colaboradores (1948) em trabalho sobre o reconhecimento preliminar da bacia para a pesquisa de petróleo; e o trabalho de Campbell (1949) que modificou a coluna geológica proposta por Plummer em vários aspectos. Mas coube a Kegel (1953), em trabalho sobre o Devoniano, montar o arcabouço litoestratigráfico que ainda serve como referência e que ao longo do tempo foi sendo modificado e atualizado por diversos autores. Os trabalhos de Mesner & Wooldridge (1964), Aguiar (1971), Caputo & Lima (1984), Góes & Feijó (1994) e Lima Filho (1991 e 1998) delinearam o estágio atual de conhecimento estratigráfico da bacia.
Com o advento de investimentos para a prospecção petrolífera dado pela PETROBRAS, o conhecimento geológico evoluiu significativamente na Bacia do Parnaíba. A partir disso, a bacia foi sendo alvo de estudos de vários pesquisadores de todo o país, surgindo diversos trabalhos importantes como os de Carozzi et al. (1975), Cruz et al. (1973), Andrade & Daemon (1974), Daemon (1974 e 1976), Soares et al. (1974), Suguio & Fulfaro (1977), Mabesoone (1977), Campanha & Rocha-Campos (1979), Della Fávera (1980, 1982, 1984 e 1990), Faria Jr. & Truckenbrodt (1980), Assis (1980), Coimbra (1983), Cordani et al. (1984), Caputo (1984), Cunha (1986), Góes et al. (1990), Lima Filho & Rocha-Campos (1992 e 1993), Anelli et al. (1992 e 1993), Anelli (1994), Ianuzzi (1994), Góes (1995), Lima Filho et al. (1995) e Lima Filho & Anelli (1997) e Lima Filho (1991, 1998).
Apesar da diversidade de trabalhos dedicados a essa bacia intracratônica, esta ainda permanece como uma das grandes áreas paleozóicas brasileiras menos conhecida até o presente. Isto se deve, provavelmente, pelas perspectivas pouco promissoras nas pesquisas exploratórias para óleo e gás desenvolvidas pela PETROBRAS (Lima Filho 1998).
2.3 Arcabouço Tectônico
A Bacia do Parnaíba encontra-se instalada no nordeste da Plataforma Sul-americana, cuja origem remonta do arqueano e que teve sua consolidação completada entre o Proterozóico Superior e o inicio do Fanerozóico, com o fim do Ciclo Brasiliano (Almeida & Hasui 1984 apud Cunha 1986).
Segundo Cunha (1986), o arcabouço tectônico da bacia está relacionado à trama tectono-estrutural herdada do Pré-Cambriano, particularmente a estruturação das faixas de dobramentos e lineamentos estruturais formados e/ou reativados durante o Ciclo Brasiliano.
Esta bacia é também conhecida como Bacia do Meio-Norte ou do Maranhão, e limita-se ao norte com as bacias de São Luis e de Barreirinhas, separadas pelo Arco Ferrer-Urbano Santos, originado no Neocomiano (Resende & Pamplona 1970). A noroeste limita-se com a Fossa de Marajó, separada pelo Arco de Tocantins. Ao sul e a sudeste, confronta-se com as bacias de São Francisco e Lençóis, separadas da Bacia do Parnaíba pelo Arco do Médio São Francisco (Figura 2.2) (Cunha 1986).
O contraste entre a pequena espessura sedimentar da Bacia do Parnaíba e suas amplas dimensões, denuncia uma subsidência muito lenta durante sua evolução no Paleozóico (Cunha 1986).
2.4 Inundações Marinhas da Bacia do Parnaíba
As inundações marinhas ocorridas no território brasileiro no decorrer do Fanerozóico constituem tema de grande interesse por se tratar de eventos significativos na história do País, que se relacionam à origem e evolução estrutural do continente, às oscilações eustáticas e movimentação tectônica, à paleogeografia, paleoceanografia e à geração de variados recursos minerais (Almeida & Carneiro 2004).
As sinéclises existentes na Plataforma Sul-Americana, como a do Parnaíba, apresentam três seqüências de sedimentos neríticos que atestam inundações causadas em grande parte pelos altos níveis eustáticos, com regressões e discordâncias erosivas.
Na Bacia do Parnaíba podem ser reconhecidas inundações marinhas ocorridas tanto no paleozóico como no mesozóico.
No Cambriano e no Ordoviciano ocorreu um estágio de estabilização cratônico seguido pelo aparecimento de grandes sinéclises, com centenas de milhares a mais de um milhão de quilômetros quadrados de sedimentos ainda em partes preservadas, separados por áreas mais elevadas do embasamento pré-cambriano. Podem ser exemplificadas as bacias do Acre, Solimões, Amazonas, Alto Tapajós, Parecis, Paraná, Parnaíba e outras que ocorrem fora do território brasileiro (Almeida & Carneiro 2004).
O primeiro ciclo marinho transgressivo-regressivo nas grandes sinéclises realizou-se a partir de fins do Ordoviciano a inícios do Siluriano, por volta de 450 a 430 Ma. Os elevados níveis eustáticos do mar durante o Paleozóico, com suas flutuações, foram importante causa das grandes transgressões nas bacias sedimentares de então (Almeida & Carneiro 2004). Na bacia do Parnaíba essa inundação de procedência africana depositou os sedimentos neríticos da Formação Tianguá do Grupo Serra Grande (Góes & Feijó 1994).
O início de novo ciclo transgressivo-regressivo nas bacias paleozóicas do norte do País teve lugar em fins do Eodevoniano a princípios do Mesodevoniano (400 – 390 Ma) (Emsiano a Eifeliano) tendo o mar, de modo geral, coberto as mesmas áreas que o mar siluriano (Figura 2.3) (Almeida & Carneiro 2004).
Figura 2.3 – Inundações ocorridas no eodevoniano no Brasil . (A) 400 Ma; (B) 395 Ma. Baseado em Melo (1989) in Almeida & Carneiro (2004).
Em inícios do Mesodevoniano (Eifeliano) (Góes & Feijó 1994), pela mesma via que inundou a Bacia do Parnaíba, foram depositados os sedimentos que hoje constituem-se no Grupo Canindé, denotando ambientes marinho, transicional (deltaico e planícies de maré) e continental (fluvial), para retirar-se no começo do Carbonífero. O máximo da inundação devoniana realizou-se no Neodevoniano antigo (Frasniano), como referido por Melo (1989) (Figura 2.4).
Na evolução desta bacia, como era de se esperar, houve uma sucessão paleogeográfica com diversos ambientes e sistemas deposicionais cujo registro foi controlado em função do assoreamento sedimentar, movimentos epirogênicos e flutuações eustáticas. Em suas partes internas permaneceram condições neríticas, com deposição de sedimentos de granulação fina a média, estabelecendo-se nas zonas vizinhas à costa sistemas deposicionais plataformais e deltaicos, estes particularmente desenvolvidos na Bacia do Parnaíba (Almeida & Carneiro 2004).
Figura 2.4 – Inundação ocorrida no Mesodevoniano no Brasil há 390 Ma. Baseado em Melo (1989) in Almeida & Carneiro (2004).
Ainda no Paleozóico, após a regressão do mar devoniano teve início novo ciclo transgressivo-regressivo no Neocarbonífero. Na Bacia do Parnaíba (Góes & Feijó 1994) o ciclo transgressivo-regressivo permo-carbonífero acha-se representado pelo Grupo Balsas. Iniciou-se em meados do Neocarbonífero, representado por depósitos de ambiente desértico (Formação Piauí) e litorâneo (Formação Pedra de Fogo), com registro das ultimas inclusões marinhas representados por calcários plataformais e evaporitos.. No Eopermiano já se processava a regressão, os depósitos fossilíferos de águas marinhas pouco profundas alternando-se com depósitos de planícies de maré, deltaicos e lacustres.
No Mesozóico, já no cretáceo, a ingressão do mar no interior do Brasil deu-se entre o Aptiano e o Albiano, tendo-se limitado à parte da Bacia do Parnaíba e área vizinha do Nordeste Oriental (Almeida & Carneiro 2004).
A partir do Atlântico Equatorial, possivelmente através da Bacia de Barreirinhas, situada na costa do Maranhão, o mar, originalmente com caráter restrito, ingressou na Bacia do Parnaíba onde se espalhou, tendo depositado os sedimentos neo-aptianos a eoalbianos detríticos, calcários e evaporitos presentes na Formação Codó (Almeida & Carneiro 2004).
2.5 Estratigrafia
A Estratigrafia da Bacia Paleozóica do Parnaíba foi sempre questionada por diversos autores e por isso várias colunas estratigráficas têm sido propostas. A carta estratigráfica (Figura 2.5) mostrada a seguir de Góes et al. (1993), representa uma síntese da estratigrafia da bacia. A litoestratigrafia do Paleozóico dessa bacia é subdividida em três grupos: Serra Grande, Canindé e Balsas.
2.5.1 Grupo Serra Grande
Foi Small (1914) que criou o termo ‘’Série da Serra Grande’’ e que ao longo do tempo evoluiu para o termo Serra Grande. A utilização deste termo leva a descrição de uma seção com espessura máxima de 900m englobando arenitos, conglomerados e calcários da Bacia do Parnaíba e da Bacia de Ubajara. Kegel (1956) considerou como formação o pacote inferior da bacia, excluindo os calcários, devido à presença de uma discordância angular entre os calcários e os arenitos. Com o trabalho de Carozzi et al. (1975), a Formação Serra Grande foi elevada à categoria de grupo, devido constituir uma seqüência de quatro unidades litológicas distintas e reconhecíveis por toda a bacia. Caputo & Lima (1984) propuseram a idade e a posição estratigráfica para este grupo, sendo a idéia mais aceita até o presente. Dessa forma, o Grupo Serra Grande foi subdivido em três formações, sendo elas da base para o topo: Ipú, Tianguá e Jaicós.
- Formação Ipú
Campbell (1949) propôs o termo Ipú para a seção basal da escarpa da Serra Grande. Caputo & Lima (1984) utilizaram o termo na categoria de formação, para designar a seção basal do Grupo Serra Grande, com espessura de até 300m, composta por arenitos, conglomerados, arenitos conglomeráticos e diamictitos.
A idade de deposição do Grupo Serra Grande, bem como de sua formação basal foi muito discutida havendo várias interpretações: cretácea (Small 1914); carbonífera (Plummer 1946); eodevoniana (Kegel 1957; Quadros 1982); siluro-devoniana (Aguiar 1971; Mabesoone 1977); neo-siluriana (Muller 1962; Mesner & Wooldridge 1964) e ordoviciana ou eo-siluriana (Brito 1969; Bigarella 1973; Caputo 1984; Caputo & Lima 1984). Essas idades foram sugeridas a partir de correlações com unidades litoestratigráficas supostamente crono-equivalentes, em outras bacias, ou por extrapolação, com base nas idades obtidas para as formações fossilíferas sobrejacentes
(Lima Filho 1998). Os ambientes deposicionais reconhecidos na Formação Ipú e seus equivalentes, desde a costa nordeste do Brasil até o interior da Bacia do Parnaíba, são sugeridos como associados a leques aluviais de origem glacial (depósitos de sandur e
out-wash) nas áreas de afloramentos e deposição em leques deltaicos no interior da bacia,
e marinho raso nas partes distais (Caputo & Lima 1984). Entretanto, as melhores exposições ocorrem na região centro-leste da Bacia do Parnaíba e na Bacia do Araripe (Formação Cariri), que no caso correspondem a depósitos de rios entrelaçados (Lima Filho 1998).
- Formação Tianguá
O termo Tianguá foi proposto por Rodrigues (1967) para referenciar o Membro Tianguá, da antiga Formação Serra Grande, representado uma seção composta de folhelhos e arenitos finos sobrepostos a Formação Ipú, encontrados na região nordeste da bacia, próximo à cidade de Tianguá (Caputo & Lima 1984). Carozzi et al. (1975) elevaram o membro à categoria de formação. Segundo Caputo & Lima (1984) a Formação Tianguá atinge em subsuperfície 270m, situa-se concordantemente sobre a Formação Ipú e sob a Formação Jaicós, e pode ser dividida em três membros denominados 1, 2 e 3, constituídos por folhelhos preto a cinza escuro e arenitos com intercalações de folhelhos. A idade dessa formação foi também muito discutida e atualmente a idéia mais aceita é a de Caputo & Lima (1984) que atribui a idade siluriana.
Considera-se que as rochas da Formação Tianguá foram depositadas em ambiente marinho raso, durante a fase de máxima extensão da transgressão glacioeustática mundial, de idade siluriana, que se seguiu à fusão das massas de gelo do norte da África (Caputo & Lima 1984).
- Formação Jaicós
Plummer (1946) propôs o termo Jaicós para designar, como formação, os arenitos e conglomerados da escarpa da Serra Grande, próximos da cidade de Jaicós - PI, mas devido ao termo Serra Grande proposto por Small (1914) ter maior prioridade de uso, este caiu em desuso. Apenas no trabalho de Rodrigues (1967) este termo foi novamente utilizado com a mesma concepção de Plummer (1946). Carozzi et al. (1975) também utilizaram novamente o termo, agora como formação, para referenciar a seção sobreposta à Formação Tianguá. O limite superior desta formação é discutível, uma vez que suas
litologias se assemelham aos arenitos da Formação Itaim, dificultando a identificação de uma provável discordância entre estas formações (Caputo & Lima 1984; Lima Filho 1998).
Esta unidade está no topo do Grupo Serra Grande e é constituída por arenitos médios, grossos a conglomeráticos, com estratificações cruzadas. A espessura máxima da Formação Jaicós é estimada em mais de 400m, na borda nordeste da Bacia do Parnaíba (Caputo & Lima 1984). Esses mesmos autores sugerem uma idade venlockiana para a formação, mas outras idades são sugeridas também por Carozzi et al. (1975), idade eo-mesoemsiano e por Quadros (1982), idade eodevoniana.
Em estudos de afloramentos, as rochas da Formação Jaicós foram interpretadas como envolvendo depósitos fluviais (Kegel 1953; Beurlen 1965), plataforma rasa (Bigarella 1973; Mabesoone 1978), frente deltaica (Carozzi et al. (1975); leques aluviais e frentes de leques deltaicos (Caputo & Lima 1984).
2.5.2 Grupo Canindé
De acordo com Góes et al. (1990), o Grupo Canindé é representado pelas seguintes formações, da base para o topo, Itaim, Pimenteiras, Cabeças, Longá e Poti. Sua deposição ocorreu do Devoniano ao Mississipiano e é constituído por arenitos e folhelhos de origem transicional ou marinha (Lima Filho 1998).
- Formação Itaim
Kegel (1953) utilizou o termo Itaim para designá-lo como um membro da Formação Pimenteiras. Caputo (1984) e Caputo & Lima (1984) consideram, como Formação Itaim, a base do Grupo Canindé. Com relação à litoestratigrafia é constituída por arenitos com folhelhos e siltitos intercalados. Possui uma espessura superior a 250m (Caputo 1984). Através de estudos fósseis feitos por Kegel (1953) é atribuída a idade eodevoniana para a formação. Caputo (1984) interpreta a unidade como depositada sobre forte influência deltaica.
- Formação Pimenteiras
Small (1914) utilizou este termo para referenciar uma pacote de folhelho aflorante próximo a cidade de Pimenteiras. Sobreposta a Formação Itaim, constitui-se de uma seqüência granodescrescente para cima, organizada verticalmente em ciclos, predominantemente argilosa, de 10 a 30m de espessura (Della Favera 1984). No topo dos ciclos ocorrem corpos de arenitos de 3 a 5 m de espessura, com geometria de barras ou lobos, com comprimentos de até 100m, marcados por extensos hardgrounds com icnofósseis. Apresentam estrarificações cruzadas do tipo hummocky. A origem dessas barras de plataforma ou lobos podem estar ligadas a ondas de tempestade (Della Favera 1984). Kegel (1953) sugere idade devoniana para a formação através de estudos de alguns fósseis encontrados.
- Formação Cabeças
O termo é originário de Plummer et al. (1948). É constituída por arenitos médios, quartzosos, por vezes, arenitos grossos a conglomeráticos, sobrepostos a Formação Pimenteiras. Os arenitos apresentam-se frequentemente com geometria sigmóide, formando corpos alongados que sofreram acresção lateral (Della Favera 1984). Ocorrem Estruturas sedimentares como estratificação cruzada tangencial ou sigmoidal, linsen,
wavy e flaser. A Formação Cabeças é interpretada por Della Favera (1984) como um
sistema de campo de crista de areia (sand ridges fields). Devido a abundancia de trilobites e braquiópodes sugere-se também uma origem marinha para os sedimentos desta formação (Kegel 1953; Caldas et al. 1987). Fortes (1996) discorre sobre a contribuição fluvial associada à planície de maré, na região de Sete Cidades – PI para a formação.
- Formação Longá
A Formação Longá possui espessura média de 100m e pode ser subdividida em três membros. O contato com a Formação Cabeças, sobreposta, é feito ora com fácies arenosa ora com paraconglomerados, enquanto o contato superior com a Formação Poti é gradacional (Aguiar 1971). De acordo com Mesner & Wooldridge (1964) esta formação foi depositada em ambiente marinho raso, caracterizada por camadas deformadas e abundantes perfurações por vermes. Já Caputo (1984) considera que os sedimentos desta formação foram depositadas em ambiente marinho, onde a porção média é caracterizada
por frentes deltaicas e depósitos arenosos marinhos rasos. Kegel (1953) sugeriu para esta formação uma idade de deposição neodevoniana, a partir de estudos de espécies marinhas encontradas.
- Formação Poti
Esta formação está no topo do Grupo Canindé e litoestratigraficamente é representado por arenitos e siltitos com gradação normal, carbonáceos com intercalações de conglomerados e finas laminas de carvão (Mesner & Wooldridge 1964). Estes mesmos autores consideram sua porção inferior como depositada em ambiente marinho, seguida de condições continentais e deltaicas. Cruz et al. (1973) reconheceram depósitos fluviais meandrantes na porção superior da formação. Della Favera (1980) detalhando a interpretação de Mesner & Wooldridge (1964), ressalta a presença de barras de marés e de barras de desembocaduras em sistemas deltaicos e mostra também a ação de tempestade nestes depósitos.
2.5.3 Grupo Balsas
O Grupo Balsas foi proposto por Góes et al. (1990) e encerra a porção paleozóica da Bacia do Parnaíba e inclui os primeiros depósitos de idade triássica (Lima Filho 1998). Compreende as formações Piauí, Pedra de Fogo, Motuca e Sambaíba.
- Formação Piauí
Representa a base do Grupo Balsas. Mesner & Wooldridge (1964) dividiram a Formação Piauí em dois membros. O membro inferior é caracterizados por arenitos róseos, maciços com raras intercalações de folhelhos, de origem continental e o membro superior por arenitos vermelhos e leitos de sílex, de origem marinha. Lima Filho (1991a) descreveu e interpretou as rochas sedimentares da formação Piauí na borda leste da bacia e caracterizou a presença de ação eólica durante sua deposição. Foram descritas também rochas carbonáticas e evaporíticas. Com relação à idade, Campanha & Rocha Campos (1979) através de estudos no Calcário Mocambo sugerem idade do Pensilvaniano.
- Formação Pedra de Fogo
A Formação Pedra de Fogo foi proposta por Plummer et al. (1948) referenciando camadas ricas em cherts, sílex e fósseis vegetais que ocorrem no leito do Riacho de mesmo nome ao longo da estrada Pastos Bons – Nova Iorque, no estado do Maranhão. A
formação é mais arenosa nas regiões sudeste e lesta da bacia (Lima Filho 1998). Coimbra (1983) afirmou que a Formação Pedra de Fogo é constituída de arenitos silticos argilosos, de origem continental, flúvio-lacustre, que ocorrem nas porções sudeste, sul e leste da bacia, de siltitos, dolomitos, margas, sílex e arenitos depositados em planície de maré, sob condições de alta salinidade, e arenitos de origem eólica. O contato com a Formação Piauí sobreposta é concordante (Lima Filho 1998).
- Formação Motuca
A Formação Motuca foi descrita por Plummer et al. (1948) para denominar um pacote exposto de folhelhos com intercalações de calcário e anidrita, sobrepostos a Formação Pedra de Fogo. Segundo Coimbra (1983) é constituída por arenitos silticos argilosos e siltitos também argilosos (red beds), além de calcários, dolomitos e gipsitas, mais freqüentes nas porções basais no setor oeste da bacia. Com relação ao ambiente deposicional das rochas siliciclasticas, é considerado continental, flúvio-lacustre.
- Formação Sambaíba
Esta formação encerra o Grupo Balsas e é representada por depósitos areníticos, de origem predominantemente eólica, assentados discordantemente sobre a Formação Motuca (Lima Filho 1998).
Capítulo 3
Tecnologia
Light
Detection and
Este capítulo que tem como enfoque a tecnologia LIDAR abordando os conceitos e definições básicas sobre o seu uso, funcionamento e aplicação na área de Geologia. Além disso, este capítulo tem como finalidade definir as distintas técnicas de aquisição e registro de dados de campo com o Laser Scanner, apresentando objetivamente a metodologia de aquisição de dados, os tipos de ferramentas necessárias para a aquisição e algumas vantagens e desvantagens de cada uma das técnicas.
3.1 Apresentação
O Laser Scanner funciona como um sensor remoto que a partir de um sistema ótico-mecânico emite pulsos de lasers em direção a um alvo (Dalmolin & Santos 2004). Com isso, ele mede o tempo que cada pulso de laser leva para refletir na superfície imageada e retornar ao scanner, permitindo o cálculo da distância entre o equipamento e o alvo. O sistema informa, então, a posição precisa de cada ponto no espaço gerando uma nuvem de pontos tridimensional (Figura 3.1) (Harris & Paterson 2002).
Figura 3.1 – Nuvem de pontos tridimensional adquirida com o Laser Scanner.
O uso desse equipamento na Geologia ainda está em estágio inicial, especialmente para imagear afloramentos. Com relação às ferramentas de mapeamento digital empregadas até o momento para a caracterização 3D de afloramentos, a tecnologia LIDAR é muito eficaz, com custos relativamente baixos e tempo reduzido de levantamento e processamento dos dados. Evidentemente, outras ferramentas têm sua eficiência comprovada e não deixam de ser obsoletas com a chegada do Laser Scanner,
pelo contrário, o uso integrado de várias ferramentas (Estação Total e GPS) está sendo cada vez mais utilizado pelos geocentistas. Outra vantagem desta técnica é a possibilidade de execução de levantamentos independentemente das condições de luminosidade existente, já que o sistema não utiliza a luz visível.
Equipamento: HDS 3000 da Leica Geosystems
O Laser Scanner utilizado no trabalho foi o modelo HDS 3000, desenvolvido pela
Leica Geosystems. Esse equipamento é o sucessor do Laser Scanner Cyrax 2500
utilizado originalmente pelo GEA (Menezes 2004). Este novo modelo apresenta algumas inovações tecnológicas, mas permanece com as mesmas funções operacionais (Figura 3.2).
Figura 3.2 – Laser Scanner modelo HDS 3000 da Leica Geosystems
Com relação a alguns parâmetros de aquisição, o equipamento adquire centenas de milhares de pontos com uma precisão de até 6mm, a uma distancia de 50m do alvo. A distancia máxima de aquisição é de aproximadamente 180m do alvo.
Ele possui dois espelhos de varredura a laser que operam de forma sistemática permitindo aquisições com giros de 360° na horizontal e de 270° na vertical (Figura 3.3). Uma câmera digital integrada ao sistema é responsável pela obtenção de fotos dos alvos que serão imageados, permitindo observar o mesmo campo de visão do equipamento, facilitando posteriormente a sobreposição da nuvem de pontos com as fotos adquiridas.
Figura 3.3 – Giro horizontal e vertical do HDS 3000 e janelas de varredura.
O sistema HDS 3000 funciona acoplado a um laptop IBM/PC alimentado por uma (ou duas) bateria externa.
3.2 Conceitos Básicos e Definições
Com o intuito de familiarizar e disponibilizar informações desta tecnologia para a comunidade geológica, além de facilitar o entendimento do texto desta dissertação, este tópico trata, de forma sucinta, dos termos usados mais freqüentemente nas aquisições de dados com o Laser Scanner. Vale ressaltar que vários desses termos empregados nesta tecnologia estão relacionados com o software Cyclone que é utilizado em toda a operação de aquisição e de processamento dos dados com o Laser Scanner, por isso faz-se necessário esse breve tópico de conceitos e definições.
O termo “escaneamento” é bastante utilizado e significa o processo usado pelo sistema HDS 3000 para representar virtualmente o alvo escolhido, onde cada medida individual adquirida no alvo resulta em um ponto com coordenadas x, y, z e que ao final do escaneamento com a reunião de todos esses pontos, resulta em uma nuvem de pontos, que proporcionam a base para a modelagem 3D de superfícies. Portanto, uma “cena” é o resultado de um único escaneamento, a partir de uma estação de coleta de dados pré-estabelecida pelo operador, onde fica posicionado o Laser Scanner, representado por uma nuvem de pontos 3D.
O software Cyclone é o responsável pelo gerenciamento das aquisições, em conjunto com o HDS 3000, e possui um ambiente de alta performance de renderização para manipulação das nuvens de pontos tridimensionais adquiridas pelo Laser Scanner. Com ele é possível a visualização e a navegação das cenas adquiridas, a medição entre os pontos das nuvens, e a modelagem 3D de objetos e das nuvens de pontos (Figura 3.4)
Figura 3.4 – Janelas de navegação e de visualização do software Cyclone
O Cyclone cria e armazena todas as informações de um levantamento em um “banco de dados” (database) próprio. Esse banco de dados possui uma extensão de arquivo *.imp.
O banco de dados ou IMP ou databases, como é comumente chamado, possui alguns níveis de hierarquia de objetos no armazenamento de dados (Figura 3.5). Serão definidos a seguir os objetos que fazem parte dessa hierarquia interna do Cyclone e para facilitar o entendimento, os objetos serão descritos do menor para o maior nível hierárquico.
Figura 3.5 - Hierarquia de objetos no Cyclone.
3.2.1 Objetos do Banco de Dados
Os objetos existentes em um banco de dados do Cyclone são: Projetos, ScanWorlds,
ControlSpace, ModelSpace, Scans e Images.
- Images: é uma subpasta que tem como função armazenar todas as fotos obtidas pela câmera digital integrada ao Laser Scanner no levantamento das cenas. É uma subpasta de
ScanWorld (Figura 3.6)
- Scans: é uma subpasta que armazena todos os escaneamentos individuais, ou seja, todas as cenas adquiridas de forma isolada. É também uma subpasta da ScanWorld.
- ModelSpace: é o objeto que reúne todas as informações sobre a organização espacial da geometria das nuvens de pontos. É neste objeto onde se pode visualizar, analisar e
Projeto Banco de Dados
interpretar as nuvens de pontos adquiridas em ambiente 3D. É também uma subpasta da
ScanWorld (Figura 3.4).
Figura 3.6 – Fotos tiradas com a câmera digital integrada do Laser Scanner
- ControlSpace: é um objeto com características semelhante ao ModelSpace. É usado para revisar, organizar e remover dados do levantamento, mas estes não podem ser movidos nem reamostrados para assegurar a integridade dos dados levantados. Por isso armazena os objetos de controle ou de restrição (constraint objects) que são usados no processo de união ou de registro de cenas que será comentado em tópicos que se seguem. O ControlSpace é uma subpasta da ScanWorld.
- ScanWorlds: É a pasta que contém os quatro objetos descritos anteriormente e que reúne todas as informações de um escaneamento. Portanto, dentro de uma ScanWorld estão as cenas obtidas com suas respectivas fotos, ModelSpaces e ControlSpaces. Para se realizar o registro das cenas utiliza-se as ScanWorlds.
- Projetos: é uma subpasta e o único subordinado hierarquicamente do banco de dados, sendo responsável por alocar todas as ScanWorlds.
Sumarizando todos esses conceitos sobre hierarquia interna de objetos do software Cyclone tem-se que os databases contém os projetos. Os projetos contém ScanWorlds que por definição contém um ControlSpace e três subpastas que são os ModelSpaces,
Scans e Images.
3.2.2 Registro de Cenas
As diversas cenas são adquiridas individualmente pelo Laser Scanner e depois são transportadas e integradas em um único arquivo. Esse processo é chamado de “registro de cenas” que integra todas as cenas adquiridas em um único sistema de coordenadas no espaço 3D, unindo de forma precisa, todas as nuvens de pontos 3D do levantamento.
O registro de cenas é realizado no software Cyclone (Figura 3.7) e como resultado desse registro é gerado uma nova ScanWorld que engloba todas as cenas integradas em um único sistema de coordenadas. Vale ressaltar que para realizar esse registro o
software utiliza como parâmetro de entrada apenas os ControlSpaces selecionados,
porque eles são objetos que garantem a integridade do dados adquiridos em campo.
3.3 Técnicas de aquisição e registro de dados
Para se iniciar uma aquisição de dados de campo com o Laser Scanner é necessário um planejamento inicial, onde são definidos vários parâmetros da aquisição de acordo com o objetivo e com a situação encontrada em campo, como por exemplo: a localização e a quantidade das estações de coleta de dados, a quantidade de cenas, a resolução das nuvens de pontos, o recobrimento de cenas, etc. A quantidade e a localização das estações de coleta devem ser definidas de tal forma a imagear por completo o afloramento ou alvo, visando sempre à otimização do tempo em campo.
Depois de concluída essa análise inicial da área a ser escaneada, define-se a técnica de aquisição a ser utilizada. A escolha da técnica está intrinsecamente ligada com o tipo de registro das cenas, porque cada técnica possui uma metodologia de aquisição distinta e um diferente método de registro das cenas e, também, porque influencia diretamente na escolha de acessórios de campo a ser utilizado no levantamento.
A importância da escolha e da possibilidade de se poder trabalhar com várias técnicas de aquisição é salutar, porque no campo podem ocorrer situações que favoreçam o uso de uma determinada técnica, enquanto que em outras situações essa mesma técnica pode não ser adequada e/ou recomendável, evitando assim desperdícios de tempo, pessoal e recursos financeiros.
A seguir estão descritas as técnicas de aquisição de dados utilizadas com o Laser
Scanner, resumindo-se em 5 (cinco) tipos principais e nomeadas de: a) Sistema de Targets, b) Sistema de Nuvens de Pontos, c) Sistema de Pontos Topográficos, d) Única
Cena ou Cena Isolada e e) Sistemas Alternativos.
a) Sistema de Targets
Esse sistema utiliza targets (pequenos alvos) (Figura 3.8) como acessórios de campo na aquisição das nuvens de pontos para o registro dos dados. Estes targets devem ser distribuídos na área de trabalho de forma em que cada cena (varredura do scanner) seja possível captar targets em comum das próximas cenas a adquirir. Desta forma, é necessário à utilização de pelo menos 3 targets dispostos não linearmente e obrigatoriamente comuns a duas cenas, para que seja possível unir (registrar), em um único sistema de coordenadas, duas cenas com precisão. O ideal é a utilização de 5
possibilidade de perda de algum deles. Esse sistema é muito eficaz e rápido, pois a partir do posicionamento bem distribuído, de alguns targets no local de trabalho, o operador do equipamento consegue criar e fixar um sistema arbitrário de coordenadas com rapidez e precisão que pode ser utilizado até o final do levantamento.
Existem dois tipos de targets, os magnéticos (paths) e os de giro. Os “targets magnéticos” são fixos, e são melhores utilizados em superfícies planas e rígidas, pois são facilmente prendidos com fitas adesivas e tem a vantagem de permanecerem até o final da aquisição. É esse tipo de target que é usado para criar e fixar o sistema arbitrário de coordenadas, conforme citado acima. Com relação às desvantagens, este tipo de target não pode ser imageado pelo Laser Scanner com uma angulação tangencial de menos de 30º, o ideal é que seja a 90º, e também, porque ele não permite nenhum tipo de giro na horizontal e na vertical. Os targets de giro podem ser apoiados em bastões, bipés ou tripés e por isso sua maior vantagem é a de permitir a aquisição de duas cenas em sentidos opostos (180º), pois para isso basta girar o bastão de modo que o target fique, aproximadamente, perpendicular ao equipamento, mantendo sua posição em X, Y e Z. Eles também podem funcionar com bases magnéticas, em locais onde não podem ser colocados bastões, bipés ou tripés como em algumas instalações industriais, trabalhando de forma semelhante aos paths, mas com a vantagem de possuir um sistema móvel na horizontal e vertical. A desvantagem é que são bem mais caros do que os targets magnéticos.
Figura 3.8 – a) Target magnético ou path e b) Target de giro. a)
b) Sistema de Nuvens de Pontos
Esse sistema talvez seja o mais rápido em campo porque não utiliza nenhum acessório ou ferramenta adicional na aquisição das cenas. Ele utiliza somente as próprias nuvens de pontos adquiridas para registrá-las, interpolando milhares de pontos comuns entre elas. O sistema utiliza pontos em comum nas nuvens selecionadas para o registro e reúne esses dados em um único espaço tridimensional e no mesmo sistema de coordenadas. Para tornar isso possível é necessário que as cenas tenham um recobrimento comum mínimo de 30 a 50% (Figura 3.9).
Figura 3.9 – Registro de cenas através de nuvens de pontos, enfatizando o recobrimento necessário entre as cenas para a realização dessa operação.
c) Sistema de Pontos Topográficos
Esse sistema tem como ponto principal à geração de um sistema de coordenadas para o local antes do início da aquisição com o Laser Scanner, certificando que todas as cenas sejam adquiridas em um sistema de coordenadas único. Para isso, é apoiado por
pontos topográficos já conhecidos na área de trabalho como RN (Referências de Nível) ou por pontos topográficos gerados no próprio local com suporte de outros equipamentos (GPS, Estação Total etc.). Pode ser realizado por três métodos: a) Poligonal, b) Irradiação e c) Rastreio com GPS.
No método por poligonal, para gerar um sistema de coordenadas é necessário à criação de um polígono, onde os vértices representam as estações de coleta de dados do
Laser Scanner. Os polígonos podem ter quantos vértices forem necessários para que o
alvo seja imageado de forma correta pelo scanner nas estações escolhidas. Se houver um ponto topográfico na área, utiliza-se dele para georreferenciar o modelo, e se não houver, o modelo fica referenciado em um sistema arbitrário (eixos cartesianos com origem em 0, 0, 0) de coordenadas.
O método por irradiação tem muita semelhança com o da poligonal, e cria o sistema de coordenadas a partir de uma base fixa escolhida de forma que possa posicionar deste local todas as estações de coleta de dados. Uma Estação Total pode auxiliar e executar esses dois métodos descritos acima.
No último método deste sistema, o DGPS (GPS Diferencial) tem a função de georreferenciar às estações de coleta de dados definidas pela estação total e, conseqüentemente, georreferenciando todas as nuvens de pontos adquiridas e o modelo 3D final. Neste sistema de aquisição por pontos topográficos o registro dos dados é mais simples, pois como todas as cenas foram adquiridas em um sistema de coordenadas comum, basta utilizar um único comando no software para que todas elas se unam em um ambiente 3D único automaticamente.
d) Única Cena ou Cena Isolada
Esse tipo de levantamento se resume à aquisição de uma única cena para escanear por completo o alvo escolhido. O ideal para esse tipo de levantamento seria utilizar um campo de visão horizontal de no máximo 180º na horizontal (Figura 3.3), devido à qualidade da resolução da aquisição, pois se for utilizado ângulos de visões horizontais de 270º a 360º a resolução diminui substancialmente devido à precisão angular do Laser
Scanner. Nessas situações é recomendável a utilização das outras técnicas de aquisição
descritas neste capitulo porque tem a essência básica de adquirir várias cenas para obtenção de um imageamento preciso e completo do alvo.
O modelo 3D final gerado com essa única cena é facilmente georreferenciado com o auxilio de um GPS Geodésico. Outra característica importante deste tipo de aquisição é que não é necessário o registro dos dados, já que só foi adquirida uma cena em todo o levantamento. Vale ressaltar que o tempo do levantamento em campo é reduzido devido à aquisição de apenas uma cena.
e) Sistemas Alternativos
Essas outras opções de registro de cenas podem ser utilizadas no caso de o registro normal se mostrar incapaz de unir as cenas por algum motivo particular.
- Vertex Virtuais
É utilizado quando no registro dos dados a precisão da união é muito baixa e o
software não consegue alinhar as cenas, mesmo quando conseguimos identificar vários
pontos em comum nas cenas. Então a opção é criar vertex virtuais em diversos locais da cena para que funcionem como targets de campo. Vertex virtuais são simplesmente
targets criados pelo operador, virtualmente, para essa operação. O registro das cenas
então é feito da mesma forma que no sistema de targets, obtendo no final cenas registradas em um mesmo sistema de coordenadas (Figura 3.10).
Figura 3.10 – Exemplo de um registro de cenas utilizando vertex virtuais. No lado direito inferior tem-se um zoom de um vertex virtual.
- Importar outros arquivos de nuvens de pontos
Existem situações que são realizadas aquisições em períodos distintos, e em uma dessas aquisições não foi utilizado targets, nem foi possível o registro por nuvens de pontos e não foi utilizado nenhum ponto topográfico como referência. Neste caso, a única alternativa se resume a importar arquivos de levantamentos anteriores, e, então, comparar e analisar as nuvens de pontos, com objetivo de identificar pontos em comum necessários para o registro dessas cenas. Esse é o sistema menos indicado e só deve ser utilizado como ultima das possibilidades.
3.4 Aplicações diversas do Laser Scanner
O avanço da tecnologia vem permitindo o desenvolvimento de ferramentas para mapeamento direto da superfície do terreno e de afloramentos, e o Laser Scanner é uma técnica emergente que vem sendo incorporada gradativamente ao processo de mapeamento digital com progressivo aumento de suas aplicações, principalmente nas geociências e nas áreas industriais.
Dentre as várias aplicações do Laser Scanner, terrestre e aerotransportado, podem ser citados:
- Mapeamentos topográficos tridimensionais com acurácia;
- Classificação do uso da terra a partir da informação de altura, densidade e sombras como critério de reflectancia;
- Planejamento e Desenvolvimento Urbano: Atualização de áreas urbanas para base de dados de SIG;
- Mapeamento de áreas com concentração de águas estagnadas por enxurradas e detecção ou simulação de áreas susceptíveis às inundações;
- Engenharia: detecção e atualização de pequenas mudanças na superfície e estrutura de materiais usados em projetos de engenharia, como plataformas e plantas inudustriais; - Outras aplicações na ecologia, artes, militares e médicas.
Com o objetivo de exemplificar mais uma aplicação do Laser Scanner no âmbito da Geologia foi realizado um levantamento nas dependências da empresa Millennium
Lyondell, no Estado da Paraíba, visando avaliar o potencial de utilização para
monitoramento continuo 3D da frente de lavra em campos de dunas e para o imageamento das instalações industriais (Figura 3.11 e 3.12).
Figura 3.11 – Desmonte da frente de lavra no campo de dunas da empresa Millennium.
O levantamento constou da aquisição de geometrias externas da frente de lavra de minerais pesados e também dos equipamentos utilizados no desmonte e centrifugação das areias das dunas.
Foi adquirida uma única cena, com várias sub-cenas, com o Laser Scanner, que foi posicionado na margem oeste do lago (Figura 3.13), em frente da lavra. Neste local obteve-se um ângulo satisfatório de visada tanto “para a frente de lavra” quanto para os equipamentos.
Figura 3.13 – Aquisição com o Laser Scanner nas dependências da empresa Millennium.
Depois da aquisição da única cena do levantamento, com o auxilio de um GPS diferencial e de cinco targets magnéticos, o modelo 3D final foi georreferenciado. Vale salientar que esse tipo de aquisição é muito eficiente e rápida, porque além de ser adquirida somente uma cena, o modelo não precisa ser registrado ao termino da aquisição (Figura 3.14).
Figura 3.14 – Georreferenciamento do modelo a partir do uso do GPS Diferencial.
Essa aquisição também foi importante para teste de alcance máximo dos raios emitidos pelo Laser Scanner, com isso o levantamento se realizou sem qualquer tipo de filtro de distancia para o retorno dos feixes de lasers.
As imagens do modelo 3D do levantamento estão a seguir e representam a frente de lavra do campo de dunas em três dimensões (Figura 3.15 e 3.16), os equipamentos de desmonte (Figura 3.17), a planta de pré-beneficiamento em 3D (Figura 3.18).
Figura 3.15 - Modelo 3D “da frente de lavra” da empresa Millennium Lyondell.
Figura 3.16 - Detalhe “da frente de lavra” e de alguns equipamentos de desmonte da mina.
Figura 3.17 – Mais detalhes “da frente de lavra” e de alguns equipamentos.
Figura 3.18 – Vista 3D da planta de pré-beneficiamento da mina.
