IPG
Polytechnie of GuardaRELATÓRIO DE PROJETO
Licenciatura em Engenharia Topográfica
Rui Miguel Paula Fernandes dezembro 2015
Instituto Politécnico da Guarda
R E L A T Ó R I O P R O J E T O
Planeamento e Projeto dos Elementos Base de um Parque de
Campismo
RUI MIGUEL PAULA FER NANDES
RELATÓRIO PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE LICENCIADO EM ENGENHARIA TOPOGRÁFICA
Ficha de Identificação
Aluno
Nome: Rui Miguel Paula Fernandes Número: 1008904
Instituição: Escola Superior de Tecnologia e Gestão da Guarda Curso: Engenharia Topográfica
Projeto
Instituição: Instituto Politécnico da Guarda, Escola Superior de Tecnologia e Gestão Designação do Projeto: Projeção e Planeamento dos Elementos Base de um Parque de Campismo
Localidade: Quinta das Taliscas – Guarda
Professor Orientador Nome: António Monteiro Grau Académico: Mestre
Plano Projeto Fim de Curso
Breve Caracterização das Atividades Desenvolvidas
Estudo Prévio
- Reconhecimento da zona;
- Levantamento da figura de apoio; - Estudo da legislação em vigor.
Trabalho de Campo
- Implantação dos pontos de apoio; - Levantamento topográfico.
Trabalho de Gabinete
- Construção do modelo digital de terreno; - Projeção de plataformas de apoio;
- Projeção de vias de comunicação; - Movimento de terras;
- Pontos de implantação;
Resumo
O presente relatório de projeto fim de curso, relativo ao curso de Engenharia Topográfica, do Instituto Politécnico da Guarda, tem como objetivo principal o levantamento de uma área pré definida localizada na Quinta das Taliscas, a noroeste da aldeia Gulifar – Guarda, bem como a projeção dos elementos base para a construção de um parque de campismo. O projeto dividiu-se em quatro fases. Na primeira fase fez-se o reconhecimento da zona, bem como o estudo da legislação e cartas cartográficas em vigor em relação aos vários assuntos tratados e pretendidos. Numa segunda fase coordenou-se dois pontos de apoio localizados no interior da área definida e realizou-se o levantamento topográfico da mesma. Na terceira fase, já em gabinete, e após a obtenção de todos os dados necessários, procedeu-se à realização de uma nova superfície materializada pelos pontos observados, contendo essa mesma superfície os elementos base, vias de comunicação e plataformas, que definiram uma estrutura simplificada do parque de campismo. Por último, realizou-se uma maquete tridimensional do parque, tendo como objetivo exemplificar de forma realista e objetiva os resultados pretendidos na realização do projeto.
Agradecimentos
Após um longo caminho percorrido durante estes anos, fica a lembrança e saudade daqueles que me acompanharam, daqueles estiveram presentes nos momentos de alegria, mas também de tristeza, e que nunca me deixaram a mão. Hoje, deixo aqui o meu sincero obrigado a todos eles, tendo sindo fundamentais numa das melhores aventuras que podemos viver do percurso de vida.
Um carinho especial aos meus pais, que desde início sempre me apoiaram em todas as minhas decisões e que nunca deixaram de estar ao meu lado. A eles, um eterno agradecimento.
Há minha namorada, pela paciência e compreensão que têm tido ao longo destes anos, tendo sido um pilar fundamental no percurso da minha formação académica.
A todos os professores do curso de Engenharia Topográfica do Instituto Politécnico da Guarda, que desde o início sempre foram pessoas prestáveis e amáveis, que sempre souberam aconselhar e ajudar. Um agradecimento especial ao orientador Professor António Monteiro pela sua disponibilidade e entrega ao longo da realização do projeto. Não poderia deixar de falar no Fábio Mesquita, um dos impulsionadores deste projeto, tendo sido uma peça fundamental na realização do mesmo, um obrigado deste teu grande amigo.
Índice Geral
Ficha de Identificação ... i
Plano Projeto Fim de Curso ... ii
Breve Caracterização das Atividades Desenvolvidas ... ii
Resumo ... iii
Agradecimentos ... iv
Índice Geral ... v
Índice de Imagens ... ix
Índice de Tabelas ... xii
Glossário de Siglas ... xiv
Capítulo I ... 1
1. Introdução ... 1
Capítulo II ... 3
2. Equipamento e Software Utilizado na Elaboração do Projeto ... 3
2.1. Equipamento ... 3 2.2. Software ... 5 Capítulo III ... 7 3. Fundamentos Teóricos ... 7 3.1. Levantamento Topográfico ... 7 3.2. Rede Geodésica ... 8 3.2.1. Superfícies de Referência ... 9 3.2.2. Sistema de Coordenadas ... 11 3.2.3. Data Geodésicos ... 12
3.2.4. Rede Geodésica Nacional ... 13
3.3. Cartografia ... 13
3.3.1. Cartas Cartográficas ... 13
2.3.2. Projeções Cartográficas ... 14
2.3.3. Séries Cartográficas ... 15
3.4. Sistemas de Posicionamento e Navegação por Satélite ... 16
3.4.1. Sistema de Posicionamento Global ... 16
3.4.2. GLONASS ... 17
3.4.4. Geometria e Precisão dos Satélites ... 18
3.4.5. Tipos de Posicionamento ... 19
3.5. Sistema de Referência PT-TM06/ETRS89 ... 20
3.6. Rede Nacional de Estações Permanentes ... 21
3.7. Modelo Digital de Terreno ... 21
3.8. Vias de Comunicação ... 22 3.8.1. Traçado em Planta ... 22 3.8.2. Perfil Longitudinal ... 24 3.8.3. Perfil Transversal ... 26 3.9. Implantação de Obras ... 26 Capítulo IV ... 27
4. Enquadramento Legal do Projeto na Legislação ... 27
4.1. Plano Diretor Municipal da Guarda ... 27
4.2. Localização e Identificação de Classe do Objeto de Estudo... 28
4.2.1. Planta de Localização ... 28
4.2.1. Extrato do POPNSE ... 28
4.2.2. Carta de ordenamento da cidade ... 29
4.3. Classe do Espaço, Regulamento, Limitações ... 31
Capítulo V ... 32
5. Trabalho de Campo ... 32
5.1. Coordenação dos Pontos de Apoio ... 32
5.2. Processamento de Dados ... 34
5.3. Observações Topográficas ... 38
Capítulo VI ... 40
6. Planeamento e Caracterização do Objeto de Estudo ... 40
Capítulo VII ... 43
7. Projeção dos Elementos do Parque Campismo ... 43
7.1. Configuração da Área de Trabalho ... 43
7.2. Configuração de Pontos ... 44
7.2.1. Layers ... 44
7.2.2. Estilo de Pontos ... 45
7.3. Criação do Modelo Digital de Terreno ... 47
7.3.1. Importação de Pontos ... 47
7.3.2. Superfície ... 47
7.3.3. Editar Superfície ... 48
7.3.4. Cotagem das Curvas de Nível ... 49
7.3.5. Carta Topográfica ... 50
7.4. Criação da Planta ... 50
7.4.1. Planificação ... 50
7.4.2. Execução ... 51
7.5. Criação das Plataformas ... 52
7.5.1. Sites ... 52
7.5.2. Feature Lines ... 53
7.5.3. Grading ... 54
7.5.4. Ajuste de Cotas ... 56
7.6. Vias de Circulação Interna ... 57
7.6.1. Alinhamentos ... 58
7.6.2. Perfil de Superfície e Perfil Longitudinal ... 60
7.6.3. Perfil Transversal ... 62
7.6.4. Corredor ... 66
7.6.5. Corredor Complexo – Interseções ... 67
7.6.6. Corredor Complexo – Rotunda... 73
7.6.7. Criar Superfície do Corredor ... 77
7.7. Superfície Projetada ... 77
7.7.1. Ajuste de Elementos ... 77
7.7.2. Superfície Moldada Final ... 78
7.8. Planta Final ... 80
7.8.1. Secções de Acampamento ... 80
7.8.2. Árvores ... 80
7.8.3. Postes de Iluminação, Lixo, Bebedouros, Mesas… ... 80
7.9. Movimento de Terras ... 81
7.9.1. Plataformas ... 81
7.9.2. Vias de Comunicação ... 82
7.10.1. Plataformas ... 86 7.10.2. Vias de Comunicação ... 86 8. Maquete 3D ... 87 8.1. Importação de dados DWG ... 87 9. Conclusão ... 90 10. Bibliografia ... 92 Livros ... 92 Legislação ... 92 Páginas de internet ... 92 Apontamentos teóricos ... 92
Anexo A – Planta Localização Cidade da Guarda 1/15000 ... 93
Anexo B – Excerto do Extrato do POPNSE 1/50000 ... 95
Anexo C – Excerto da Carte de Ordenamento Cidade da Guarda 1/5000 ... 98
Anexo D – Réplica Figura de Apoio ... 101
Anexo E – Dicionário de Inglês Técnico... 103
Anexo F – Lista de Layers utilizados no software AutoCAD Civil 3D ... 105
Anexo G – Carta Topográfica da Superfície Natural 1/650 ... 108
Anexo H – Planta Esboço do Parque de Campismo 1/650... 110
Anexo I – Características das Vias de Circulação Rodoviária ... 112
Anexo J – Planta Parque de Campismo 1/650 ... 117
Anexo K – Relatório Movimento de Terras ... 119
Anexo L – Relatório de Materiais ... 125
Anexo M – Pontos de Implantação da Área AE_1 ... 137
Anexo N – Pontos de Implantação da Via VS_2 ... 139
Anexo O – Lista de Modelos Sketchup ... 141
Índice de Imagens
Figura 2.1 - Leica GS20 ... 3
Figura 2.2 - Topcon GR3 ... 3
Figura 2.3 - Bastão ... 4
Figura 2.4 - Base de nivelamento ... 4
Figura 2.5 - Tripé ... 4
Figura 2.6 - Software AutoCad 2013 ... 5
Figura 2.7 - Software GIS DataPro ... 5
Figura 2.8 - Software SketchUp 2014 ... 5
Figura 2.9 - Google Earth ... 6
Figura 3.1 - Geoide ... 10
Figura 3.2 - Elipsóide ... 10
Figura 3.3 - Relação entre o geoide e elipsóide ... 10
Figura 3.4 - Coordenadas Retangulares ... 12
Figura 3.5 - Coordenadas Elispoidais ... 12
Figura 3.6 - Rede Geodésica Portugal Continental ... 13
Figura 3.7 - Escala Numérica e Escala Gráfica ... 13
Figura 3.8 - Carta Militar de Portugal ... 14
Figura 3.9 - Projeções Cartográficas ... 15
Figura 3.10 - Bom e mau DOP respetivamente ... 19
Figura 3.11 - Modelo TIN ... 21
Figura 3.12 - Modelo GRID ... 21
Figura 3.13 - Triangulação de Delaunay ... 21
Figura 3.14 - Geometria curva circular simples ... 23
Figura 3.15 - Superfície de varrimento de um veículo em várias situações ... 23
Figura 3.16 - Tipos de curvas verticais... 25
Figura 3.17 - Geometria curva vertical ... 25
Figura 4.1 - Extrato da Planta de Localização 1/15000 ... 28
Figura 4.2 - Extrato do POPNSE 1/50000 ... 29
Figura 4.3 - Legenda do Extrato do POPNSE 1/50000 ... 29
Figura 4.4 - Parte Carta de Ordenamento da Cidade 1/5000 ... 30
Figura 4.5 - Legenda Carta de Ordenamento da Cidade ... 30
Figura 5.1 - Janela – New Project... 34
Figura 5.2 - Menu Tools - Sensor Transfer ... 34
Figura 5.3 - Menu File - New ... 34
Figura 5.4 - Menu File - Import - File ... 35
Figura 5.5 - Janela – Import Data ... 35
Figura 5.6 - Menu SKI-Pro Wizard ... 35
Figura 5.7 - Janela Point Properties ... 36
Figura 5.8 - Janela SKI-Pro Wizard ... 36
Figura 5.9 - Janela Configure GPS ... 36
Figura 5.10 - Janela Settings ... 36
Figura 5.12 - Janela Import Reference... 37
Figura 5.13 - Janela Point Properties ... 37
Figura 7.1 - Menu Toolspace ... 43
Figura 7.2 - Informação detalhada de um ponto ... 43
Figura 7.3 - Janela Drawing Settings... 44
Figura 7.4 - Marca e descrição do ponto ... 44
Figura 7.5 - Janela Layer Properties ... 45
Figura 7.6 - Janela Point Style ... 45
Figura 7.7 - Janela Point Style - Separador Marker ... 45
Figura 7.8 - Janela Description key sets ... 46
Figura 7.9 - Janela Point Group ... 46
Figura 7.10 - Janela Point Group - Separador Raw ... 46
Figura 7.11 - Janela Import Points ... 47
Figura 7.12 - Janela Create Surface ... 47
Figura 7.13 - Janela Point Groups ... 48
Figura 7.14 - Janela Add Boundaries... 48
Figura 7.15- Janela Smooth Surface ... 49
Figura 7.16 - Superfície natural antes e depois da suavização ... 49
Figura 7.17 - Janela Add Labels ... 50
Figura 7.18 - Exemplo Etiqueta ... 50
Figura 7.19 - Janela Site Properties... 53
Figura 7.20 - Janela Create Feature Lines ... 53
Figura 7.21 - Janela Grading Creation Tools ... 54
Figura 7.22 - Janela Create Grading Group... 55
Figura 7.23 - Janela Select Surface ... 55
Figura 7.24 - Superfície da plataforma C_1 ... 55
Figura 7.25 - Janela Grading Volume Tools ... 56
Figura 7.26 - Janela Create Alignment from Objects ... 59
Figura 7.27 - Janela Creat Alignment from Objects - Design Criteria... 59
Figura 7.28 - Grips numa curva... 59
Figura 7.29 - Janela Create Profile from Surface ... 61
Figura 7.30 - Janela Create Profile ... 62
Figura 7.31 - Janela Profile Layout Tools ... 62
Figura 7.32 - Perfil longitudinal da via principal ... 62
Figura 7.33 - Janela Create Assembly ... 64
Figura 7.34 - Janela Create Corridor ... 66
Figura 7.35 - Janela Base Line and Region Parameters... 66
Figura 7.36 - Secção de um corredor ... 67
Figura 7.37 - Zona de projeção da interseção ... 70
Figura 7.38 - Janela Create Intersection - General ... 71
Figura 7.39 - Janela Create Intersection - Geometry Details ... 72
Figura 7.43 - Janela Target Mapping ... 76
Figura 7.44 - Geometria do corredor da rotunda ... 76
Figura 7.45 - Janela Corrdior Surfaces ... 77
Figura 7.46 - Superfície da via principal e secundária ... 77
Figura 7.47 - Superfície moldada final ... 79
Figura 7.48 - Movimento do Sol ... 80
Figura 7.49 - Janela Grading Group Properties... 81
Figura 7.50 - Cálculo de áreas ... 82
Figura 7.51 - Janela Create Simple Line Group ... 83
Figura 7.52 - Janela Sample Line Tools ... 83
Figura 7.53 - Janela Compute Materials ... 83
Figura 7.54 - Janela Edit Material List ... 84
Figura 7.55 - Janela Report Quantities ... 84
Figura 7.56 - Janela Create Points ... 86
Figura 8.1 - Triangulação do parque de campismo ... 87
Figura 8.2 - Triangulação importada para o Sketchup ... 88
Figura 8.3 - Superfície do parque renderizada ... 88
Figura 8.4 - Modelo Sketchup - tenda... 89
Figura 8.5 - Modelo Sketchup - árvore ... 89
Índice de Tabelas
Tabela 2.1 - Especificações Leica GS20 ... 3
Tabela 2.2 - Especificações Topcon GR3 ... 4
Tabela 3.1 – Elipsóides usados em Portugal ... 10
Tabela 3.2 - Data utlizados em Portugal ... 12
Tabela 3.3 - Parâmetros orbitais de funcionamento do GPS ... 17
Tabela 3.4 - Parâmetros orbitais de funcionamento do GLONASS ... 18
Tabela 3.5 - Precisão em posicionamento relativo ... 20
Tabela 3.6 – Parâmetros do sistema PT-TM06/ETRS89 ETRS89 ... 20
Tabela 5.1 - Parâmetros do vértice geodésico Cerca ... 32
Tabela 5.2 - Parâmetros Estação Permanente Guarda ... 33
Tabela 5.3 - Configurações adotadas no Equipamento GS20 ... 33
Tabela 5.4 - Códigos de Identificação dos Pontos... 33
Tabela 5.5 - Coordenadas ajustadas e respetivos desvios padrão... 38
Tabela 5.6 - Configurações Topcon GR3 ... 38
Tabela 5.7 - Lista de códigos criados ... 39
Tabela 5.8 - Configurações estação base ... 39
Tabela 7.1 - Limites e tipos de fronteira ... 48
Tabela 7.2 - Valor das Áreas ... 50
Tabela 7.3 – Limite de ocupação por área ... 51
Tabela 7.4 - Valor das áreas calculadas para cada elemento ... 52
Tabela 7.5 - Características das feature lines ... 54
Tabela 7.6- Características das plataformas criadas ... 56
Tabela 7.7 - Características Mercedes Sprinter ... 57
Tabela 7.8 - Raios mínimos em função do tipo de via ... 57
Tabela 7.9 - Parâmetros mínimos em função do ilhéu central ... 58
Tabela 7.10 - Características dos alinhamentos criados ... 60
Tabela 7.11 - Valores de offset da rasante ... 61
Tabela 7.12 - Características das faixas de rodagem ... 63
Tabela 7.13 - Características do lancil... 63
Tabela 7.14 - Características do passeio ... 64
Tabela 7.15 - Características dos taludes... 64
Tabela 7.16 - Perfis transversais dos alinhamentos ... 65
Tabela 7.17 – Elementos definidos na construção dos corredores ... 66
Tabela 7.18 - Elementos de uma interseção ... 68
Tabela 7.19 - Perfis transversais das interseções VP_VS ... 69
Tabela 7.20 - Elementos das interseções da via CP ... 70
Tabela 7.21- Parâmetros das interseções ... 73
Tabela 7.22 - Cotas dos alinhamentos da rotunda ... 74
Tabela 7.25 - Volumes de aterro e escavação das plataformas ... 81 Tabela 7.26 – Volumes de aterro e escavação das vias ... 85 Tabela 7.27 - Volume de materiais das vias ... 85
Glossário de Siglas
AASHTO American Association of State Highway and Transportation
(Associação Norte-Americana de especialistas rodoviários e de transporte)
CAD Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador)
DGPS Differential Global Positioning System (Sistemas de Posicionamento
Global Diferencial)
DGT Direção Geral do Território
DoD Department of Defense (Departamento de Defesa dos Estados
Unidos)
ETRS89 European Terrestrial Reference System 1989 (Sistema de Referência
Terrestre Europeu 1989)
EUA Estados Unidos da América
EUREF European Reference Frame (Referencial Geodésico Europeu)
GNSS Global Navigation Satellite System (Sistema Global de Navegação
por Satélites)
GPS Global Positioning System (Sistemas de Posicionamento Global)
IAG International Association of Geodesy (Associação Internacional de
Geodesia)
ICAO International Civil Aviation Organization (Associação Internacional
de Aviação Civil)
IGP Instituto Geográfico Português
ITRS International Terrestrial Reference System (Sistema de Referência Terrestre Internacional)
JAE Junta Autónoma das Estradas
MDT Modelo Digital de Terreno
PDM Plano Diretor Municipal
POPNSE Plano de Ordenamento do Parque Natural da Serra da Estrela
RAN Reserva Agrícola Nacional
REN Reserva Ecológica Nacional
ReNEP Rede Nacional de Estações Permanentes
RGN Rede Geodésica Nacional
RTK Real Time Kinematic (Tempo Real Cinemático)
SIG Sistemas de Informação Geográfica
TIN Rede Irregular de Triângulos
Capítulo I
1. Introdução
No âmbito da licenciatura do curso de Engenharia Topográfica, do Instituto Politécnico da Guarda, foi proposto a realização de um projeto de fim de curso, no qual visa melhorar as competências e conhecimentos do aluno. O projeto proposto no presente relatório, tem como principal objetivo o estudo detalhado de uma porção de terreno, localizado na cidade da Guarda, no qual serão projetadas várias entidades que definirão um parque de campismo.
Fundada no século XII pelo segundo rei de Portugal, D. Sancho I, a cidade da Guarda situa-se a nordeste da Serra da Estrela a 1056 metros de altitude, sendo considerada a mais alta de Portugal. Reconhecida historicamente pela salubridade e pureza do ar, tendo sido galardoada em 2002 como a primeira “Cidade Bioclimática Ibérica”, a Guarda é igualmente conhecida como a cidade dos cinco F’s: Forte1, Farta2, Fria3, Fiel4 e Formosa5. Estando o turismo a crescer nos últimos anos em Portugal e sendo a Guarda uma cidade pequena, é visível a todos nós que a falta de zonas turísticas e hoteleiras torna-se um ponto focal no que diz respeito ao desenvolvimento do turismo da região e da própria cidade. Tendo em conta o mencionado ficou uma ideia clara que a cidade da Guarda necessita de novas atrações turísticas.
O local escolhido para a implantação do parque de campismo, foi uma zona situada na Quinta das Taliscas, a noroeste da aldeia de Gulifar. Este local foi escolhido ao pormenor, não só pelo ambiente envolvente mas também pela existência de uma lagoa no terreno a levantar. Sendo um local recatado da cidade e com uma envolvência paisagística típica da região montanhosa, o parque de campismo poderia-se tornar facilmente num “ex-libris” para a cidade da Guarda.
Em suma, o grande objetivo do projeto é a implementação dos elementos que definem o parque de campismo sobre a superfície natural, tendo em conta a estrutura e envolvência do terreno. De seguida encontra-se um breve resumo de cada capítulo presente no relatório, para um melhor enquadramento do leitor.
O Capítulo 2 faz referência aos equipamentos utilizados em campo, bem como os
softwares utilizados na projeção do parque de campismo. É feita uma breve caracterização
dos mesmos, para uma melhor compreensão das suas potencialidades e funcionalidades. O Capítulo 3 apresenta um resumo sucinto de fundamentos teóricos, que assentam na base de toda a estrutura e elaboração do projeto. Tem como objetivo transmitir conteúdos
1A torre do castelo, as muralhas e a posição geográfica demonstram a sua força 2Devido à riqueza do vale do Mondego
3A proximidade à Serra da Estrela e o fato de estar situada a uma grande altitude
4Porque Álvaro Gil Cabral, trisavô de Pedro Álvares Cabral, recusou entregar as chaves da cidade ao Rei de Castela durante a crise
de 1383-85
relevantes para permitir um melhor enquadramento no que diz respeito as várias matérias tratadas no presente relatório.
O Capítulo 4 apresenta os pontos principais do PDM da Guarda, que foram considerados para a construção de uma base lógica na elaboração do projeto.
O Capítulo 5 refere todos os procedimentos realizados em campo, desde a coordenação dos pontos de apoio através do posicionamento relativo, tomando como estações de controlo o vértice Cerca e a estação permanente Guarda, ao levantamento topográfico através de GNSS.
O Capítulo 6 apresenta os pontos principais que definem a base da projeção do parque de campismo, tendo em conta a legislação em vigor.
O Capítulo 7 é definitivamente o mais complexo. É neste capítulo que o parque de campismo começa a ganhar forma através da criação das várias superfícies: plataformas, superfície natural, vias de comunicação, superfície do parque de campismo. Além das superfícies criadas, fez-se a projeção de outros elementos de alguma relevância, como a localização de árvores, bancos, mesas…sendo materializados numa planta final do parque de campismo. Por fim, através do relacionamento das superfícies criadas e a superfície natural do terreno, vamos obter a informação detalhada dos movimentos de terra a efetuar. O Capítulo 8 é sem dúvida o mais interessante, onde é apresentada uma maquete tridimensional do parque de campismo, onde podemos ter uma ideia clara do verdadeiro objetivo da realização do projeto de final de curso. Para representação da maquete são utilizados vários modelos tridimensionais, desde árvores, edifícios, postes de iluminação…
Para uma melhor compreensão do relatório, são agrupados vários anexos que tentam exemplificar de uma forma detalhada informações / resultados pertinentes do projeto realizado.
O relatório é acompanhado de um CD que contém todos os ficheiros relativos a projeção dos elementos, bem como da maquete tridimensional do parque de campismo.
(Fonte: Adaptado de Leica Geosystems)
(Fonte: Leica Geosystems)
(Fonte: Topcon Global Gateway)
Capítulo II
2. Equipamento e Software Utilizado na Elaboração do Projeto
2.1. Equipamento
- Leica GS20 (Antena + Recetor) – Equipamento portátil, que contém todas as características necessárias para a recolha de dados em tempo real. A grande vantagem deste equipamento é a possibilidade de pós-processamento de dados, através de um software integrado com o equipamento - GIS DataPro. A tabela 2.1 mostra as especificações principais do equipamento (Figura 2.1).
Tabela 2.1 - Especificações Leica GS20
- Topcon GR3 (recetor + controlador) – Equipamento mais recente e sofisticado, tem a vantagem de receber informação dos vários sistemas de posicionamento disponíveis, o que permite ter precisões mais elevadas em modo Tempo Real. A tabela 2.2 mostra as especificações principais do equipamento (Figura 2.2).
Especificações Leica GS20
Sistema de Navegação GPS
Recetor 12 canais paralelos com seleção automática de Código e Fase L1
Antena Leica AT501 (externa)
Precisão
Código Código e Fase L1
30 cm Estático - 10 mm + 2 ppm (rms) Cinemático - 20 mm + 2 ppm (rms)
Precisão em pós-processamento 5 a 10 mm + 2 ppm (rms)
Figura 2.1 - Leica GS20
(Fonte: Adaptado de Topcon Global Gateway)
(Fonte: Laser Sul) (Fonte: Laser Sul) (Fonte: Laser Sul)
Tabela 2.2 - Especificações Topcon GR3
- Bastão (c/ nível) – Instrumento que serve para elevar o ponto topográfico com o objetivo de o tornar visível. Possui encaixe ou rosca para adaptação de antena GPS ou prisma (Figura 2.3);
- Base de Nivelamento – Base que permite o nivelamento e centragem com o ponto estação no terreno (Figura 2.4);
- Tripé – é uma base de três pés, sobre o qual podem ser apoiados diferentes tipos de objetos. Em Topografia é usado para a sustentação dos vários instrumentos topográficos (Figura 2.5);
- Fita Métrica
Especificações Topcon GR3
Sistema de Navegação GPS, GLONASS (+GALILEU)
Recetor
GPS L1, L1 CA, L1P, L2, L2 C, L2 P, L5
GLONASS L1, L1 CA, L1P, L2, L2 CA, L2 P
GALILEU E2, L1, E1, E5
Precisão
Tempo Real Estático pós-processamento
H: 10 mm + 1 ppm V: 15 mm + 1 ppm
H: 3 mm + 0,5 ppm V: 5 mm + 0,5 ppm
(Fonte: Autodesk Inc.)
(Fonte: Leica Geosystems)
(Fonte: Trimble Navigation)
2.2. Software
- AutoCad Civil 3D 2013 - É um software do tipo CAD,
elaborado e comercializado pela Autodesk Inc. desde 1982. A ferramenta principal deste software é a elaboração de desenho técnico em duas dimensões (2D) e criação de modelos tridimensionais (3D). Além de desenhos técnicos, as versões mais recentes possuem uma vasta variedade de ferramentas específicas para os diversos ramos (Arquitetura, Engª. Civil, Engª. Topográfica, SIG, etc.) onde o software possa ser utilizado como ferramenta de trabalho.
O AutoCad é atualmente disponibilizado em versões para o sistema operativo Microsoft Windows e Mac OS (Figura 2.6).
- GIS DataPRO - É um software Leica de computador baseado em Windows para fazer a interface com o equipamento GPS. O GIS DataPRO oferece várias características, desde o pós-processamento, ferramentas de edição e funções de exportação de dados, tudo a partir de um formato shapefile6. Sendo assim o GIS DataPRO é uma
solução abrangente para utilizadores de SIG e CAD (Figura 2.7).
- SketchUp – É um software originalmente desenvolvido pela At Last Software, tendo sido adquirida pela Google em Março de 2006, já em 2012 a Trimble Navigation adquiriu o programa. O SketchUp é utilizado principalmente para criar estudos inicias e esboços de modelos ou maquetes em 3D. Trata-se portanto de uma ferramenta para apresentação de modelos tridimensionais, capaz de importar ou exportar ficheiros DXF e DWG7 (Figura 2.8).
6Formato de arquivo que contém dados geoespaciais 7Formatos de ficheiros do software AutoCad
Figura 2.6 - Software AutoCad Civil 3D 2013
Figura 2.7 - Software GIS DataPro
(Fonte: Google)
- Google Earth – É um software desenvolvido e distribuído pela empresa Google, cuja função é a apresentação de um modelo tridimensional do globo terrestre, construído a partir de imagens de satélites. Devido a enorme capacidade deste software é possível identificar lugares, construções, cidades, paisagens, entre outros elementos (Figura 2.9).
Capítulo III
3. Fundamentos Teóricos
A Topografia8 é a ciência que estuda todos os acidentes geográficos definindo a sua localização na Terra. É ainda o estudo dos princípios e métodos necessários para a descrição e representação de uma determinada área do globo terrestre.
Inicialmente, a Topografia ocupava-se do estudo de locais restritos, pretendendo simplificar os problemas de representação provocados pela curvatura terrestre. No entanto, esta simplificação teve que ser ultrapassada, uma vez que a necessidade de obter representações de superfícies cada vez maiores, obrigou a que essa limitação territorial fosse alargada e, consequentemente, a que a referida curvatura fosse forçosamente considerada. Assim, a Topografia passou a apoiar-se num outro ramo da geofísica, a Geodesia.
3.1. Levantamento Topográfico
Uma das faces mais visíveis da topografia são os levantamentos topográficos, que permite efetuar a representação planimétrica e altimétrica, em carta ou planta dos pontos notáveis, acidentes geográficos e outros pormenores de relevo de uma determinada porção de terreno. A aquisição de dados necessários à sua representação pode ser realizada por vários instrumentos topográficos, desde as Estações Totais, Teodolitos, GNSS, etc. Os levantamentos topográficos podem ser executados em vários métodos:
- Método Clássico – consiste na recolha da informação diretamente no terreno a partir de instrumentos simples de medição, como é o caso dos níveis óticos, teodolitos e estações totais. Este método é normalmente utilizado em superfícies pequenas, cuja sua representação tem uma escala elevada.
- GNSS – têm as mesmas finalidades que o método clássico, mas neste caso utilizam-se recetores que têm a capacidade de leitura dos sinais emitidos pelos satélites da rede GNSS, permitindo assim a determinação precisa das coordenadas dos locais onde as antenas dos recetores são colocadas;
- Método Fotogramétrico – onde o grosso da informação é recolhido através da análise de fotogramas do terreno, obtidos através de fotografias aéreas ou de imagens obtidas por satélites artificiais. Este método é normalmente utilizado em superfícies mais extensas, cuja representação têm uma escala menor.
O levantamento topográfico é constituído por várias fases de execução:
- Reconhecimento – reconhecimento profundo e objetivo do local a levantar, podendo ser efetuado através de cartas ou plantas já existentes, sobre fotografias aéreas, ou simplesmente a pé;
- Levantamento da figura de apoio – construção de um esqueleto topográfico da zona a levantar, permitindo assim evitar a acumulação de erros ao longo do levantamento. Os vértices da rede de apoio devem ter um espaçamento e uma localização tal que permita a cobertura completa do terreno a levantar;
- Ligação ou não à Rede Geodésica Nacional – Os levantamentos para execução de plantas topográficas, devem ser ligados à Rede Geodésica Nacional para se inserirem no contexto do todo nacional. A ligação à RGN é conseguida através de coordenação dos vértices de apoio ao levantamento, através de vértices geodésicos de coordenadas conhecidas;
- Levantamento de pormenor – Trata-se da aquisição de dados necessários à representação do terreno, através da utilização dos pontos notáveis referenciados anteriormente.
Os levantamentos podem ser de diferentes tipos:
- Levantamentos em grande escala – consideram-se dentro deste grupo os levantamentos e escalas iguais ou superiores a 1:1000. Há que referir os levantamentos urbanos e os levantamentos cadastrais;
- Levantamentos em escalas médias – têm particular interesse nas obras de hidráulica, traçado de redes de vias de comunicação, planos de exploração mineira, etc. Os levantamentos em escala média são normalmente confinados à Fotogrametria;
- Levantamento em pequena escala – trata-se de levantamentos a escalas 1:50000, 1:100000 ou menores;
- Levantamentos de reconhecimento – são feitos em qualquer escala em que a finalidade é proceder rapidamente, através de métodos expeditos de modo a obter-se um esboço da zona de interesse e de dúvidas que possam surgir na execução de cartas. Além dos levantamentos topográficos como principal objetivo da Topografia, também engloba outras vertentes, como a implantação de obras, construção de obras, controlo e monotorização de obras, estudo dos fundos oceânicos e dos movimentos glaciares, cadastro, etc…
3.2. Rede Geodésica
A Geodesia surgiu na Grécia antes do séc. XV. A civilização grega dividiu a Geodesia em duas partes: Geodesia superior – para o estudo da forma, tamanho e peso da Terra; Geodesia inferior – do âmbito da Topografia atual.
distintos, num espaço a três dimensões e variando com o tempo. Atualmente a Geodesia fornece o conhecimento da dinâmica da Terra, o campo gravítico em diferentes locais, o apoio à cartografia e cadastro, definição de fronteiras terrestres, dados aos sistemas de posicionamento globais e muito mais.
3.2.1. Superfícies de Referência
Para se conseguir deduzir uma forma de um território, ou mesmo do globo todo é necessário escolher vários pontos da superfície terrestre, chamados de vértices geodésicos. Para situar estes pontos é necessário referencia-los a uma superfície que pode ser real ou arbitrária. Segundo Gauss 9, elegeu-se como superfície representativa do globo a superfície representada pelo nível médio das águas do mar, com cota igual a 0.
Na Geodesia consideram-se três superfícies:
- Superfície Física da Terra – superfície que contém todas as massas continentais e o fundo oceânico, onde são executadas operações geodésicas;
- Geóide – superfície equipotencial do campo gravítico da Terra que melhor se ajusta ao nível médio das águas dos mares, prolongado pelos continentes, sendo perpendicular à vertical do lugar 10 em cada ponto. Em Topografia a vertical do lugar
torna-se um elemento muito importante pois é essa direção que orienta os instrumentos de medida. Devido ao fato desta superfície ser pouco conhecida e não definida matemáticamente, a sua representação torna-se bastante complexa, visto que a superfície é deformada consoante o relevo (ou anomalias) na densidade da crosta terrestre; (Figura 3.1)
- Elipsóide – Dada a complexidade do geóide, é utilizada como superfície de referência um elipsóide de revolução. É um modelo com forma e dimensão tão próximas quanto possível das da Terra, destinado a estabelecer, com grande exatidão, as posições relativas entre os lugares. É sobre esta superfície de referência geodésica, elipsóide de revolução, que se definem as coordenadas geográficas dos lugares – latitude (φ) e longitude (λ) (Figura 3.2).
Os parâmetros que dão forma e dimensão ao elipsóide são: achatamento polar (f), excentricidade (e), semieixo maior (a) e semieixo menor (b). A formulação matemática que define o elipsóide é dada por:
𝑥2 𝑎2+ 𝑦2 𝑎2+ 𝑧2 𝑏2 = 1 𝑓 = 𝑎−𝑏 𝑎 𝑒 2 =(𝑎2−𝑏2) 𝑎2
Sendo x, y e z as coordenadas cartesianas de um ponto na superfície terrestre:
9Johann Carl Gauss – matemático, astrônomo e físico alemão (1777-1855) 10Conhecido por ter a mesma direção da gravidade
(Fonte: Adaptado de apontamentos Geodesia)
A imagem seguinte mostra um esboço das superfícies de referência mencionadas anteriormente (Figura 3.3).
Cada zona da superfície terrestre adapta-se melhor a um determinado tipo de elipsóide. Por isso ao longo do tempo têm sido propostos vários elipsóides para o globo terrestre como um todo ou para diferentes regiões. A tabela 3.1 mostra alguns elipsoides e respetivos parâmetros utilizados em Portugal.
Tabela 3.1 – Elipsóides usados em Portugal
Elipsóides de Referência em Portugal
Elipsóide Semi-eixo maior (a)
(Km)
Semi-eixo menor (b)
(Km) Achatamento (f) Excentricidade (e)
Bessel 6377,397 6356,079 1/299,15 0,081697
Hayford 6378,388 6356,912 1/297 0,081992
WGS84 6378,137 6356,7523142 1/298,257223563 -
(Fonte: Apontamentos Geodesia)
(Fonte: Apontamentos Geodesia) (Fonte: Apontamentos Geodesia)
Figura 3.1 - Geoide Figura 3.2 - Elipsóide
3.2.2. Sistema de Coordenadas
Quando é necessário determinar a posição de um objeto na superfície da Terra, utilizam-se os chamados Sistemas de Referência Geodésicos ou Terrestres, que por sua vez utilizam-se encontram associados a uma superfície de referência que melhor se aproxima da forma da Terra.
O termo coordenada é usado para designar qualquer membro de um conjunto que determina inequivocamente a posição de um ponto no espaço. Podemos então concluir que um sistema de coordenadas é usado para ordenar ou organizar objetos espacialmente de modo que a relação espacial entre esses objetos seja apropriadamente demonstrada.
- Coordenadas Geodésicas Retangulares – são coordenadas obtidas com recurso a um sistema de coordenadas cartesiano tridimensional, cuja origem coincide com o centro do elipsóide de referência. Com este sistema, as coordenadas de um ponto serão definidas por três coordenadas sob os respetivos eixos (X, Y e Z), onde (Figura 3.4):
- A origem (O) encontra-se no centro de massa da terra;
- O plano equatorial médio é perpendicular ao eixo Z e contém os eixos X e Y; - O eixo Z coincide com o eixo de rotação da terra, e é positivo na direção norte; - O plano XZ é gerado pelo plano de meridiano médio de Greenwich11.
- Coordenadas Geodésicas Elipsoidais – são coordenadas obtidas com recurso a um elipsóide de referência, posicionado em relação á Terra, para um dado ponto P da superfície terrestre, sendo correspondido as suas projeções designadas por P´ sob a normal ao elipsóide. Para cada ponto P da superfície terrestre é definido sobre o elipsóide de referência, a sua longitude (λ), latitude (φ) e altura geodésica (h), onde (Figura 3.5):
- A origem (O) encontra-se no centro do elipsóide; - O eixo Z coincide com o eixo de rotação do elipsóide;
- O eixo X situa-se na interseção do plano equatorial com o plano de meridiano de
Greenwich;
- O eixo Y torna o sistema dextrogiro12.
11Localidade próxima de Londres, onde passa o meridiano
(Fonte: Apontamentos Geodesia)
(Fonte: Apontamentos Geodesia)
3.2.3. Data13 Geodésicos
Um Datum é um conjunto de parâmetros que define a dimensão, forma e posição de um dado elipsóide, ou seja, um mesmo ponto tem coordenadas distintas consoante o datum utilizado. Existem dois tipos de datum:
- Datum Altimétrico – serve de base para cálculos de altitudes ortométricas para um dado ponto P, podendo ser estes locais, regionais ou globais.
- Datum Geodésico – serve de base para cálculos das coordenadas geodésicas de um determinado ponto P, assim como os data altimétricos, estes também são locais, regionais ou globais.
A tabela 3.2 mostra os principais data utilizados em Portugal:
Tabela 3.2 - Data utlizados em Portugal
Data de Referência em Portugal
Designação comum Elipsoide Ponto de Fixação Utilização Atual
Datum Lisboa Hayford Castelo de S. Jorge Cartografia topográfica e hidrográfica
Datum 73 Hayford Melriça Topografia, cartografia topográfica e ortofotocartografia
WGS84 WGS84 - (datum global) Geodesia, sistemas de
posicionamento globais
Figura 3.5 - Coordenadas Elipsoidais Figura 3.4 - Coordenadas Retangulares
(Fonte: Geocaching)
3.2.4. Rede Geodésica Nacional
A RGN é um conjunto de pontos – vértices geodésicos – distribuído de forma homogénea ao longo do território nacional, formando uma malha triangular e cujas posições relativas e coordenadas geodésicas, referidas ao elipsóide, são conhecidas com grande exatidão. Torna-se fundamental como referência necessária a todos os levantamentos topográficos.
Em Portugal a rede geodésica é dividida em três tipos de vértices geodésicos (Figura 3.6).
- Vértices de 1ª Ordem – dispostos numa malha triangular, com lados que medem entre 30 a 60 km;
- Vértices de 2ª Ordem – espaçados entre si de distâncias da ordem de 20 a 30 km;
- Vértices de 3ª Ordem – espaçados entre si de distâncias da ordem de 5 a 10 km.
3.3. Cartografia
Segundo o IAG, a Cartografia é constituída por um conjunto de operações científicas, artísticas e técnicas que a partir dos resultados de observações diretas ou da exploração de documentação tem, em vista a elaboração de cartas (ou mapas), plantas e outros meios de expressão. Engloba todas as atividades que vão desde o levantamento do terreno até a impressão definitiva e à publicação da carta elaborada.
3.3.1. Cartas Cartográficas
Define-se Carta como sendo uma representação geométrica, plana simplificada e convencional de toda ou parte da superfície terrestre, caracterizando as suas características em termos qualitativos e quantitativos.
As cartas podem ser divididas em três pontos de vista:
- Escala – é a relação constante entre as distâncias lineares medidas na carta e as distâncias lineares correspondentes medidas sobre o terreno. Tem duas formas de representação: escala numérica e escala gráfica (Figura 3.7);
(Fonte: Portal Escola)
Figura 3.6 - Rede Geodésica Portugal Continental
- Função – As cartas podem ser divididos por:
- Cartas Base – são aquelas que resultam diretamente dos levantamentos feitos no terreno ou sobre fotografias aéreas, e estão ligadas a uma rede geodésica e a um sistema de projeção rigorosamente escolhido. Dentro das cartas base, temos as cartas geográficas – cartas de pequena escala, geralmente inferior a 1:500 000; cartas corográficas – cartas de escala intermédia, compreendida entre 1: 500 000 e 1:50 000; cartas topográficas – cartas de escala grande, em regra superior a 1:50 000 (Figura 3.8).
- Cartas Temáticas – são aquelas que salientam o tipo de variações espaciais de um dado fenómeno, isto é, abordam só um tema;
- Cartas de Navegação – são cartas desenhadas para servir à navegação marítima ou aérea, podendo nelas serem desenhadas rotas, posições, etc.
- Assunto Versado – De acordo com o assunto versado não existe limite quanto ao número de classes de cartas, de salientar por exemplo: cartas cadastrais, cartas militares, etc…
2.3.2. Projeções Cartográficas
A projeção cartográfica é o processo de reproduzir toda ou parte de uma superfície não plana numa folha. Visto que tal não é possível sem haver deformações da superfície a representar, deve-se ter em conta quais as características principais que devem ser preservadas.
Os sistemas de projeção cartográfica podem ser classificados segundo as deformações, e
(Fonte: Biblioteca do Exército)
- Conformes – quando são preservados os ângulos para qualquer direção da Terra; - Equivalentes – quando são preservadas as áreas, o que não significa preservar as formas;
- Equidistantes – quando são preservados os comprimentos segundo determinadas direções;
- Afiláticas – são aquelas que nem são conformes nem equivalentes, mas nas quais essas deformações foram reduzidas ao mínimo.
As suas propriedades geométricas podem ser classificas em (Figura 3.9): - Projeção Azimutal – quando a superfície de projeção é um plano; - Projeção Cilíndrica – quando a superfície de projeção é um cilindro; - Projeção Cónica – quando a superfícies de projeção é um cone.
2.3.3. Séries Cartográficas
Uma série cartográfica é o conjunto de folhas (ou cartas) que cobre uma área específica numa determinada escala, sistema de projeção, elipsóide, data, seccionamento, legenda e arranjo gráfico.
As duas mais importantes séries cartográficas nacionais são baseadas nas projeções cartográficas de Bonne14 e de Gauss-Kruger15, associadas respetivamente aos elipsoides de Bessel16 e de Hayford17 também designado de Internacional, por ter sido adotado
internacionalmente em 1924.
14Riobert Bonne – Um dos Cartógrafos mais importantes do Séc. XVIII (1727-1795) 15Johann Kruger – Matemático alemão (1857-1923)
16Friedrch Bessel – Matemático e astrónomo alemão (1784-1846) 17John Hayford – Geodesista americano (1868-1925)
(Fonte: Apontamentos de Cartografia)
3.4. Sistemas de Posicionamento e Navegação por Satélite
Os sistemas de posicionamento e navegação por satélite permitem a qualquer utilizador através de um recetor captar os sinais emitidos pelos vários satélites para determinar com grande precisão em cada instante, a sua posição, bem como a velocidade e o tempo relativamente a um referencial tridimensional geocêntrico. Os sistemas são caracterizados por quatro parâmetros:
- Precisão – diferença entre a posição estimada e a posição real; - Integridade – confiança sobre a informação total proporcionada; - Continuidade – funcionamento sem interrupções não programadas;
- Disponibilidade – é a parte do tempo durante o qual o sistema apresenta simultaneamente precisão, integridade e continuidade.
3.4.1. Sistema de Posicionamento Global
O GPS é descrito como o sistema utilizado para navegação e aquisição de medidas precisas de localização geográfica e geodésica, originalmente denominado NAVSTAR. O sistema NAVSTAR-GPS foi um sistema desenvolvimento pela Força Aérea dos EUA nas décadas de 70 e de 80 e colocado em operação na década de 90. Inicialmente este sistema era exclusivo para uso militar, sendo mais tarde aberto para uso civil. Atualmente este sistema é constituído por uma rede de trinta satélites.
Os principais objetivos do sistema NAVSTAR-GPS são:
- Auxílio à navegação em três dimensões com elevada precisão nos cálculos de posição (10 a 30 metros), mesmo com os utilizadores sujeitos a alta dinâmica;
- Navegação em tempo real; - Alta imunidade a interferências; - Cobertura global 24h por dia;
- Rápida obtenção das informações obtidas por satélite.
Para melhor identificar os parâmetros que afetam o funcionamento do sistema, este é dividido em três segmentos:
- Segmento Espacial – É constituído por uma constelação de 24 satélites ativos com os parâmetros orbitas definidos na tabela 3.3:
(Fonte: Adaptado de apontamentos de GPS)
Tabela 3.3 - Parâmetros orbitais de funcionamento do GPS
Os satélites têm orbitas em 6 planos contendo 4 satélites equidistantes em cada plano. Cada satélite é visível apenas uma vez por dia, haverá 5 satélites e no máximo 11 visíveis simultaneamente em qualquer parte do globo.
- Segmento de Controlo - Este segmento é constituído por estações terrestres sob o controlo operacional do DoD norte-americano. O objetivo destes centros é monitorizar, corrigir e garantir o funcionamento correto do sistema dentro das especificações do DoD. Este segmento contém um centro de controlo e vários centros de monitorização.
- Segmento de Utilizador – Este segmento é constituído pelo equipamento do utilizador que capta os sinais enviados pelos satélites e o recetor que descodifica os sinais em diferentes canais, além de identificarem os respetivos satélites que os enviaram, calcula e informa ao utilizador o seu posicionamento bem como a velocidade e direção do deslocamento.
3.4.2. GLONASS
O GLONASS é uma alternativa ao GPS e foi desenvolvido na Rússia no final dos anos 70 e, tal como no sistema americano, foi desenvolvido para fins militares. Após anos de abandono devido ao fim da URSS, o governo russo voltou a dar importância ao projeto por volta do ano 2000, e hoje o sistema já conta com cobertura global e precisão semelhante ou superior ao do GPS.
Tal como no sistema GPS, o GLONASS encontra-se dividido em três segmentos: - Segmento Espacial – é composto por 24 satélites, distribuídos por 3 planos orbitais, contendo 8 satélites cada um, com os seguintes parâmetros orbitais (Tabela 3.4):
Parâmetros Orbitas - GPS
Altitude 20.200 Km
Semi-eixo maior da órbita 26.560 Km
Período orbital 12 Horas
Inclinação da órbita 55 Graus
Sistema de referência WGS-84
Frequência dos relógios 10,23 MHz
Frequências portadoras L1 – 1575,42 MHz
L2 – 1227,60 MHz
Frequências de código C/A – 1,023 MHz
(Fonte: Adaptado de apontamentos de GPS)
Tabela 3.4 - Parâmetros orbitais de funcionamento do GLONASS
- Segmento de Controlo – a constelação é totalmente controlada pelo Complexo de Controlo da Base Terrestre, subordinada à Força Espacial Russa. Este segmento é composto por um sistema de controlo central e diversas estações de rastreio e telemetria localizadas sobre uma extensa área da Rússia.
- Segmento de Utilizador – é constituído pelo equipamento (recetores antenas e software) e pelos seus utilizadores. Este segmento tal como no sistema GPS permite a receção, descodificação e processamento dos sinais provenientes dos satélites para determinação da posição tridimensional.
3.4.3. GNSS
O termos GNSS foi utilizado pela primeira vez em 1991 pela Associação Internacional de Aviação Civil para designar os sistemas de posicionamento de satélites artificiais com cobertura mundial. Atualmente apenas dois sistemas de GNSS são considerados plenamente operacionais, visto que o sistema europeu Galileu e o chinês Compass ainda se encontram em desenvolvimento.
3.4.4. Geometria e Precisão dos Satélites
Os Sistemas de Posicionamento e Navegação por Satélite estão sujeitos a erros: erros dos satélites, erros que dependem da antena-recetora e erros que dependem do meio de propagação.
Todos erros referidos anteriormente, têm magnitude diferente no resultado final, dependendo do número e da geometria dos satélites. O efeito da geometria dos satélites é expresso pelo fator de degradação da precisão (DOP), que é dado pela razão entre a exatidão do posicionamento e a exatidão da medição.
Se no horizonte se encontrarem 4 satélites próximos uns dos outros haverá um erro maior na medição da distância, que por sua vez irá afetar a posição (Figura 3.10).
Parâmetros Orbitas - GLONASS
Altitude 19,000 Km
Semieixo maior da órbita 25,510 Km
Período orbital 12 Horas 15 minutos e 44 segundos
Inclinação da órbita 64,8 Graus
Sistema de referência PZ-90
Frequência dos relógios 5,11 MHz
Frequências portadoras L1 – 1602,0 a 1615,5 MHz
L2 – 1246,0 a 1256,5 MHz
Frequências de código C/A – 0,511 MHz
Existem vários tipos de DOP´s, podem ser escolhido consoante as coordenadas, sendo o mais comum o PDOP.
- GDOP – degradação da precisão da posição tridimensional e tempo - PDOP – degradação de precisão tridimensional
- VDOP – degradação da precisão vertical - HDOP – degradação da precisão horizontal
Em campo não se devem fazer observações com um DOP superior a 6, e a configuração no recetor deverá ser DOP < 6.
3.4.5. Tipos de Posicionamento
Existem dois tipos de posicionamento:
- Posicionamento Absoluto – é o método mais simples, caracteriza-se pelo fato de apenas ser necessário um recetor para a determinação das coordenadas de um ponto sobre a superfície terrestre;
- Posicionamento Relativo – baseia-se no cálculo da posição utilizando pelo menos dois recetores, um fixo e um móvel, tanto para reduzir os erros referidos anteriormente, como para aumentar a precisão no posicionamento absoluto. O princípio de funcionamento do posicionamento relativo é que os erros se anulam usando diferenças de observações recebidas simultaneamente pelos recetores.
Existem vários métodos para o posicionamento relativo, em tempo real e em pós processamento. O posicionamento relativo em tempo real com a fase portadora é designado por RTK, já o DGPS apenas utiliza o código da portadora para a medição. No que diz respeito ao posicionamento relativo em pós processamento é dividido em cinco métodos:
- Estático
- Rápido Estático - Cinemático
Figura 3.10 - Bom e mau DOP respetivamente
(Fonte: Adaptado de apontamentos de GPS)
(Fonte: Adaptado de apontamentos de GPS)
- Pseudo Cinemático - Pára-arranca
A tabela 3.5 indica a precisão correspondente a cada tipo de medição. Tabela 3.5 - Precisão em posicionamento relativo
3.5. Sistema de Referência PT-TM06/ETRS89
O ETRS89 é um sistema global de referência recomendado pela EUREF estabelecido através de técnicas espaciais de observação. Em 1990 em Itália foi adotada a seguinte resolução: “A subcomissão da IAG para o Referencial Geodésico Europeu recomenda que o sistema a ser adotado pela EUREF seja coincidente com o ITRS na época de 1989 e fixado à parte estável da Placa Euro-Asiática, sendo designado por Sistema de Referência Terrestre Europeu 1986”.
Em Portugal continental o sistema PT-TM06/ETRS89 foi adotado pelo IGP em 2006, resultante da adoção do sistema de referência geodésico ETRS89 com o sistema de referência geodésico nacional. Ao longo dos anos toda a RGN de 1ª e 2ª ordem do continente foi observada com GPS, tendo o seu ajustamento sido realizado fixando as coordenadas dos pontos estacionados nas anteriores campanhas internacionais.
Os parâmetros que definem o sistema PT-TM06/ETRS89 apresentam-se na tabela 3.6: Tabela 3.6 – Parâmetros do sistema PT-TM06/ETRS89 ETRS89
Precisão no Posicionamento Relativo
Tipo de Medição Tipo de Cálculo Medição Campo Precisão
Código
Pós-processamento DGPS em pós processamento < 1m a 10m Tempo real DGPS < 1m a 10m
Fase
Pós-processamento cinemático e pára-arranca Estático, rápido estático, Inferior a 1cm até alguns cm Tempo real RTK Inferior a 1cm até alguns cm
Parâmetros - PT-TM06/ETRS89
Datum ETRS89 (global)
Elipsóide GRS80 Parâmetros Elipsoidais a = 6378137 m f = 1/298,257222101 Projeção Cartográfica Transversa de Mercator
Ponto central da projeção: Λ = 08º 07’ 59’’.19 W
φ = 39º 40’ 05’’,73 N
Falsa origem das coordenadas retangulares:
M = 0 P = 0
(Fonte: Apontamentos de GPS)
3.6. Rede Nacional de Estações Permanentes
A ReNEP é um serviço público de geo-posicionamento prestado pela DGT que disponibiliza aos utilizadores de equipamento GPS dados que facultam a determinação de coordenadas geográficas com precisão inferior a 10 cm.
Em Portugal continental a rede ReNEP é constituída por estações GPS/GNSS, de observação continua, que difundem observações no sistema de referência ETRS89, para posicionamento em tempo real, utiliza a técnica RTK, ou para pós-processamento em ficheiros RINEX
Os ficheiros RINEX é uma forma de dados, que permite ler dados de navegação e observação de recetores de qualquer marca, sempre no mesmo formato.
3.7. Modelo Digital de Terreno
O MDT é uma representação de uma superfície baseada num conjunto de coordenadas X,
Y e Z, onde as coordenadas Z representam valores de altitudes e profundidade num modelo
tridimensional que contenha o atributo elevação.
O processo de construção de MDT mais comum baseia-se na triangulação de um conjunto de pontos com distribuição irregular, sendo a superfície moldada por um conjunto de faces triangulares, designada por Rede Irregular de Triângulos (RIT ou TIN). A TIN serve de suporte para a construção de modelos com outro tipo de estrutura, como é o caso do modelo GRID – modelo matricial em que os pontos da superfície do terreno se distribuem segundo uma malha ou grelha regular, formando uma matriz de cotas (Figura 3.11 e 3.12).
O método mais utlizado na geração dos triângulos no modelo TIN, é a triangulação de Delaunay que nos diz “um triângulo entre três pontos de uma malhar irregular de pontos, é um triângulo de Delaunay, se e só se, o círculo definido pelos três pontos desse triângulo não contém nenhum outro ponto do conjunto de pontos que definem a triangulação” (Figura 3.13).
Figura 3.11 - Modelo TIN Figura 3.12 - Modelo GRID
Figura 3.13 Triangulação de Delaunay
(Fonte: Apontamentos de GPS)
3.8. Vias de Comunicação
As vias de comunicação são desde há muitos séculos um elemento fundamental no desenvolvimento das sociedades, e um bem indispensável para a qualidade de vida da população. Os Grandes impulsionadores da evolução rodoviária foram os romanos, deixando até hoje, e em boas condições, uma larga rede de estradas.
De acordo com a definição dada no Vocabulário de Estradas e Aeródromos (LNEC, 1962), uma estrada é “uma via de comunicação terrestre especialmente destinada ao trânsito de veículos”.
As vias de comunicação são constituídas por vários elementos:
- Terraplanagem – Moldagem de terreno através de movimentos de terras de modo a obter a forma final estabelecida na via de comunicação;
- Pavimentos - É um elemento destinado a melhorar as características da superfície da via de comunicação, no que respeita a comodidade, segurança e economia da condução;
- Drenagem – Considerado o conjunto de dispositivos que visam afastar a água da estrada ou reduzir os seus inconvenientes;
- Sinalização e Segurança – Para orientação dos condutores que circulam numa estrada, mas também que a circulação se processe em segurança;
- Obras de Arte – Estruturas que permitem o atravessamento de grandes depressões, cursos de água, ou de outras vias. As mais utlizadas são pontes e viadutos;
- Equipamento complementar – São também elementos das estradas diversos órgãos, com finalidades diversas, mas que em geral visam uma melhoria das condições de utilização da estrada ou da sua gestão por parte de autoridades rodoviárias.
No que diz respeito à sua geometria, são constituídas pelo traçado em planta, perfil longitudinal e perfil transversal.
3.8.1. Traçado em Planta
Em planta, o elemento geométrico utilizado para a definição do traçado é a diretriz. Assim, a diretriz é caracterizada pela interseção do eixo da estrada com um plano horizontal, podendo ser definida como uma linha formada por alinhamentos retos concordados por alinhamentos curvos, de raio constante ou variável.
- Curvas Circulares e Manobrabilidade de Veículos
Para a concordância de dois alinhamentos retos que se intercetam em um vértice, utiliza-se geralmente, no projeto geométrico de rodovias, a curva circular, visto oferecer boas propriedades tanto para o trafego como para os usuários. Em termos geométricos é definida por vários elementos, onde (Figura 3.14):
PT – Ponto tangente I – Ângulo de desvio AC – Ângulo central T – Tangente externa
D – Desenvolvimento da curva circular R – Raio da curva circular
O – Centro da curva circular
Um dos fatores mais relevantes na construção de uma via local, é a manobrabilidade dos veículos que nela circulam, ou seja, o conhecimento do espaço que o mesmo veículo ocupa quando realiza uma determinada trajetória. Em zonas locais e parques de estacionamento, o comportamento do veículo em curva é de extrema importância, uma vez que o espaço se torna reduzido. A figura 3.15 mostra alguns exemplos de trajetória, bem como a respetiva superfície de varrimento de um veículo.
Figura 3.15 - Superfície de varrimento de um veículo em várias situações
(Fonte: Manual AASSV)
Figura 3.14 - Geometria curva circular simples
Em relação aos raios de viragem, estes dependem do ângulo máximo de viragem das rodas, porém, segundo o Artigo 18º do Decreto-Lei nº 1092/97, publicado a 3 de Novembro de 1997 temos:
- “Qualquer veículo a motor ou conjunto de veículos em movimento deve poder girar dentro de uma coroa circular com um raio exterior de 12,5 m e um raio interior de 5 m…”
O raio exterior de viragem está relacionado diretamente com o raio interior que o veículo descreve, então temos:
𝑅𝑒𝑥𝑡 = √𝑅𝑖𝑛𝑡2 + 2. 𝑅
𝑖𝑛𝑡. 𝑏 + 𝑏2+ 𝑑2
onde:
Rext – Raio exterior da curva (m);
Rint – Raio interior da curva (m);
b – Largura do veículo (m);
d – Distância entre a parte da frente do veículo e o seu eixo traseiro (m).
Sendo que a expressão é apenas válida no caso de veículos rígidos de dois eixos, com duas rodas direcionais à frente. Ao fazermos a relação entre o raio externo e interno, obtemos a largura mínima necessária a aplicar nas faixas de rodagem.
3.8.2. Perfil Longitudinal
É definido por uma rasante. A rasante é a linha definida pela interseção de uma superfície vertical que contém a superfície do pavimento, e representa-se planificada num plano vertical. A rasante é definida por trainéis concordados por curvas verticais ou circulares, sendo as curvas circulares pouco utilizadas no perfil longitudinal, devido ao seu raio constante.
- Trainéis
Um dos aspetos a ter em conta nos trainéis é a sua inclinação. Definido pela normas da antiga JAE a inclinação máxima não pode ser superior a 8% para velocidades base de 40 km\h, contudo, em casos excecionais esses valores podem ser superiores, sendo o motivo mais plausível a topografia do terreno. Os trainéis também devem contar com uma inclinação mínima de 0,5% a fim de se assegurar a drenagem de águas superficiais.
- Curvas Verticais
As curvas verticais podem ser côncavas ou convexas, e devem ajustar-se da melhor forma à topografia do terreno, tanto para uma melhor integração na paisagem como na redução de custos (Figura 3.16).
Em relação a geometria da mesma é composta pelos seguintes elementos (Figura 3.17): PIV – Ponto de interseção vertical
PCV – Ponto curva vertical PTV – Ponto tangente vertical. i – Inclinação
L – Comprimento da parábola
Figura 3.16 - Tipos de curvas verticais
(Fonte: Apontamentos de Vias de Comunicação)
Figura 3.17 - Geometria curva vertical
Uma variável associada as curvas verticais é o valor K, este valor encontra-se ligado diretamente ao raio da curva, sendo assim quanto maior valor K mais suave será a curva, sendo recomendado pela AASHTO um valor superior a 1. O Valor K é dado por:
𝐾 = |𝐴|𝐿 , sendo |𝐴| a diferença algébrica entre as inclinações Em relação ao raio mínimo este é dado por:
𝑅𝑚𝑖𝑛= 100 × 𝐾
3.8.3. Perfil Transversal
Consideram-se por perfis transversais da estrada, desenhos de interseções em planos verticais, normais ao eixo da estrada, contendo as características que os compõem.
- Faixa de Rodagem – Área destinada à circulação dos veículos;
- Inclinação transversal – Nos alinhamentos é necessário uma inclinação em forma de V invertido, garantindo assim a drenagem de águas da faixa de rodagem, geralmente no valor de 2%;
- Sobrelevação – Permite que parte da força centrifuga exercida pelo veículo seja compensada pela força da gravidade. Este valor não deve exceder os 10%;
- Valetas / Sarjetas – Para assegurar a condução das águas superficiais; - Bermas / Lancil – Determina o limite das faixas de rodagem;
- Passeios – Superfícies destinada a circulação de peões;
- Taludes – No que diz respeito à inclinação de taludes, devemos ter em conta as características do solo em função da estabilidade dos mesmos.
3.9. Implantação de Obras
Chamamos de implantação ao procedimento adotado para assegurar que uma dada obra, como por exemplo um edifício ou uma estrada de que se possui o projeto, é bem materializada no terreno. É também o conjunto de operações necessárias para situar no terreno as linhas e os pontos fundamentais da futura construção.
O controlo da implantação é assegurado por pontos ou estações cujas posições se fixam na topografia inicial ou estações auxiliares, definidas a partir das estações anteriores. Podemos, deste modo, afirmar que a implantação é a “operação inversa” do levantamento topográfico, eu que as estações de controlo se utilizam para localizar pontos existentes no terreno.
