AQUISIÇÃO, PROCESSAMENTO, GERENCIAMENTO E COMPARTILHAMENTO DE
DADOS DE ESTRADAS NÃO PAVIMENTADAS: Uma proposta metodológica de baixo
custo.
ACQUISITION, PROCESSING, MANAGEMENT AND SHARING OF NON-PAVED ROAD
DATA: A Low Cost Methodological Proposal.
Ricardo Leite Dias1, Érico Fernando de Oliveira Martins2
Resumo: Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de baixo custo para coleta, processamento e compartilhamento de dados vetoriais e imagens terrestres de estradas vicinais não pavimentadas, que permitam a identificação de patologias (categoria e localização), para apoiar o poder público na tomada de decisões estratégicas de manutenção destas vias. Para tanto, realizou-se diversos testes com equipamentos distintos, dentre eles, coletores GNSS e câmeras fotográficas, definindo assim o que melhor atende o objetivo proposto, prezando pelo baixo custo do processo metodológico. Apresentando também como parte do produto final do trabalho, uma base de dados cartográficos da Estrada Nancir situada no município de Sinop-MT, compartilhada de modo on-line e off-line.
Palavras-chave: Estradas; Dados; Metodologia; Patologia; Custo.
Abstract: This article has as main objective the development of a low cost methodology for collecting, processing and sharing vector data and terrestrial images of unpaved secondary roads, allowing the identification of pathologies (category and location) to support the public managers in the deliberation of strategic decisions to maintain these routes. That way, several tests were carried out with different equipment, including GNSS collectors and photographic cameras, defining what best meets the proposed objective, taking into account the low cost of the methodological process. Also presenting as part of the final product of the work, a cartographic database of the Nancir Road located in the municipality of Sinop-MT, shared on-line and off-line.
Keywords: Roads; Data; Methodology; Pathology; Cost.
1Introdução
O desenvolvimento de estradas como terreno de locomoção e ligação de territórios remete à própria história da humanidade, indo desde o povoamento dos continentes e das conquistas territoriais, à consequente interação comercial, cultural e religiosa, que culminou com a urbanização e desenvolvimento de diferentes pólos demográficos em todo o mundo, não tendo sido diferente em solo brasileiro.
A conceituação de estradas, de acordo com o Manual de Projetos Geométricos de Travessias Urbanas, é definida como uma via de trânsito, em geral em área rural, destinada a veículos rodoviários, animais e pessoas, e que normalmente têm preferência de passagem em toda a sua extensão. Em áreas urbanas, depois de se transformarem em logradouros, a tradição pode manter a designação “estrada” (IPR 740, 2010).
A malha viária, nas suas mais diferentes categorias, faz parte da infraestrutura de integração de um país, sendo de fundamental importância para a economia e desenvolvimento das cidades, tendo como principal função o fluxo de veículos, pessoas e cargas, possibilitando o acesso a mercadorias e serviços. No Brasil, ao final do século XIX e início do XX, o slogan “Governar é abrir estradas” do presidente Washington Luis já indicava o início de um período de grande desenvolvimento e institucionalização das rodovias brasileiras, fomentado especialmente pelo
crescimento da indústria automobilística americana que segundo Ferreira-Neto (1974), em 1917, já tinha colocado em circulação no Brasil cerca de 5.000 (cinco mil) automóveis, dos quais 90% circulavam entre as cidades do Rio de Janeiro e São Paulo. A pavimentação de estradas, por sua vez, segundo o Manual de Conservação Rodoviária (DNIT), teve seu auge após a década de 1950, quando houve a criação da Petrobrás e passou-se a produzir asfalto em grande escala, momento também em que as obras de engenharia rodoviária passaram a impulsionar o desenvolvimento industrial do país, culminando com a priorização do transporte rodoviário em todo o território nacional.
Apesar de tais avanços, atualmente apenas 12% (CNT, 2016) da malha viária brasileira é pavimentada, situação que evidencia a premente necessidade de observação e desenvolvimento de projetos que possibilitem a melhora na qualidade das vias terrestres não asfaltadas.
Neste contexto o desenvolvimento de uma metodologia de baixo custo, por sua vez, leva em consideração fundamentalmente a necessidade de atualização periódica do banco de dados gerado com as informações coletadas, o que se deve a própria característica das estradas não pavimentadas, que sofrem alterações naturais e sistêmicas em suas condições em um ritmo muito mais acelerado do que o observado nas rodovias pavimentadas.
Ressalta-se, ainda, que a utilização de uma metodologia de baixo custo para monitoramento de estradas desta estirpe é de suma importância para viabilizar a constante alimentação do banco de dados, pois, do contrário, o custo elevado para coleta e/ou atualização periódica das informações tornaria o monitoramento menos fidedigno e eficaz.
1Graduando em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop, Brasi, ricardodias@live.com
2Mestre, Professor, UNEMAT, Sinop, Brasil,
O presente trabalho possui ainda relevância nos aspectos acadêmicos de formação e pesquisa, além de um viés mercadológico. O aspecto de formação se deve ao próprio aprimoramento dos conhecimentos profissionais. No que se refere a pesquisa, este trabalho demanda a aplicação prática dos conhecimentos adquiridos na área de Engenharia de Transportes para identificação de problemas e respectivas soluções, colocando inclusive o futuro profissional em contato direto com tecnologias digitais (banco de dados, sistema de informação geográfica, etc) e equipamentos profissionais (Coletor GNSS). Já com relação ao campo mercadológico, indubitável a relevância social do trabalho, podendo ser instrumento importante para guiar o desenvolvimento rodoviário da região de Sinop, Mato Grosso, local onde foi realizado a observação e construção metodológica.
2Fundamentação Teórica
2.1Sistema Rodoviário Nacional
Atualmente, as entidades responsáveis pelas políticas rodoviárias nacionais são divididas em níveis de jurisdição (Tabela 1), sendo eles Federal, Estadual e Municipal, com responsabilidades e atribuições para execução de recuperação e melhorias na malha viária nacional correspondente a sua jurisdição.
Tabela 1 - Organização do setor rodoviário.
Tabela 1 – organização da administração pública so setor rodoviário
Níveis de jurisdição
Entidades responsáveis pela política rodoviária Formulação da política Execução da política
Federal Ministério dos
Transportes DNER (atual DNIT)
Estadual Secretarias de Estado
DER, DAER, Fundação
DER¹, DERT²,
AGETOP³, SINFRA4
Municipal Secretarias Municipais DMER e outras ¹Caso do Estado do Rio de Janeiro, que reconfigurou o DER/RJ como fundação DER.
²Caso do Estado do Ceará, que reconfigurou o DER/CE como departamento de Edificações, Rodovias e Transportes – DERT.
³Caso do Estado de Goiás, cujo DER/GO foi extinto, sendo suas atividades absorvidas pela Agência Goiana de Transporte o Obras Públicas (AGTOP). 4
Secretaria de Estado de Infraestrutura e Logística
Fonte: Adaptado de Lee (2013).
A seguir serão detalhas as atribuições das entidades que compõem o quadro de gestão do sistema rodoviário nacional.
2.1.1 Administração do Sistema Rodoviário
No âmbito Federal, o DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes), a ANTT (Agência Nacional de Transportes Terrestres) e a EPL (Empresa de Planejamento e Lojistica S.A.), são os órgãos responsáveis por regulamentar e padronizar o sistema rodoviário brasileiro, sendo todos vinculados ao Ministério dos Transportes.
Criado em 2001, pela Lei 10.233 (BRASIL, 2001), o DNIT tem entre outras tantas atribuições consignadas no artigo 82 da referida lei e seus incisos respectivos, o dever de estabelecer padrões, normas e especificações técnicas para os programas de segurança operacional, sinalização, manutenção ou conservação, restauração ou reposição de vias, terminais e instalações, bem como a elaboração de
projetos e execução de obras viárias. Já a Agência Nacional de Transportes Terrestres (ANTT), órgão da administração indireta federal, tem como função a regulação das atividades de exploração da infraestrutura ferroviária e rodoviária federal e de prestação de serviços de transporte terrestre, conforme o artigo 1º do Decreto n. 4.130, de 13 de fevereiro de 2002 (BRASIL, 2002). Por fim, a Empresa de Planejamento e Logística S.A. (EPL), criada pela Lei 12.743, de 19 de dezembro de 2012, tem por finalidade estruturar e qualificar, por meio de estudos e pesquisas, o processo de planejamento integrado de logística no país, interligando rodovias, ferrovias, portos, aeroportos e hidrovias (BRASIL, 2012). Já na esfera estadual cada membro da federação constitui seu Departamento de Estradas e Rodagens. No Estado de Mato Grosso, por exemplo, o Decreto n. 163, de 01 de julho de 2015, dispõe sobre a estrutura e finalidade da Secretaria de Estado de Infraestrutura do Governo de Mato Grosso, ressaltando já em seu artigo primeiro que a SINFRA tem por finalidade, planejar, controlar, executar, fiscalizar e orientar as atividades governamentais nas áreas de logísticas e transportes do Estado de Mato Grosso, deixando claro assim, a responsabilidade e competência pela gestão das rodovias mato-grossenses (MATO GROSSO, 2015).
Na esfera municipal, considerando a organização do município de Sinop-MT, tem-se que a conservação e manutenção das estradas vicinais fica a encargo da Secretaria Municipal de Obras, órgão responsável pela administração e regulamentação daquelas com relação a sinalização, revitalização, entre outras competências residuais.
Tais informações, deixam claro que muitas ações nos diferentes níveis da administração pública deveriam ser realizadas para coleta e sistematização dos dados de estradas, sendo esta uma demanda constante. 2.1.2 Base de Dados do Sistema Rodoviário
A normatização dos processos de coleta, armazenamento e distribuição dos dados geoespaciais se dá por meio de especificações técnicas elaboradas segundo padrões internacionais, que acabam por formar uma Infraestrutura de Dados Espaciais (IDE) ou Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais (INDE). O Comitê Federal de Dados Geográficos dos Estados Unidos (FGDC), descreve a INDE como tecnologia, política, padrões e recursos humanos necessários para adquirir, processar, armazenar, distribuir e promover a utilização de dados geoespaciais em todos os níveis de governo, setores privados e academia (FGDC, 2003).
No Brasil, a normatização das atividades cartográficas nacional se deu em 1967, por meio do Decreto-Lei nº 243 que estabeleceu as diretrizes e bases das atividades cartográficas e correlatas (BRASIL, 1967). Este decreto instituiu o Sistema Cartográfico Nacional (SCN), definiu as formas de representação do Espaço Geográfico Brasileiro (EGB) e estruturou o Plano Cartográfico Nacional, entre outros. Mais de duas décadas depois, em 1984, o Decreto n. 89.817 estabeleceu as Instruções Reguladoras das Normas Técnicas da Cartografia Nacional, destinada a estabelecer procedimentos e padrões a serem obedecidos na elaboração e apresentação de normas da Cartografia Nacional, bem como padrões mínimos
a serem adotados no desenvolvimento das atividades cartográficas (BRASIL, 1984). Este Decreto encontra-se ainda em vigor, tendo sofrido alterações em sua redação, em particular no capítulo sobre o Sistema Geodésico Brasileiro, por meio do Decreto 5.334 de 2005 (BRASIL, 2005).
Iniciativas nacionais estão sendo desenvolvidas para atualização e expansão da base de dados rodoviários nacional. A mais de 20 anos a CNT (Confederação Nacional do Transporte) vem realizando estudos direcionados à real situação da malha rodoviária brasileira, levantando e divulgando dados patológicos destas vias, bem como as medidas necessárias para a devida recuperação. Apesar de ter como principal foco as rodovias pavimentas, no que diz respeito à análise e métodos de recuperação, também realiza estudos quantitativos da malha viária não pavimentada, dados estes de extremo interesse do presente trabalho, visto que auxilia na análise quantitativa das estradas não pavimentadas na área de estudo.
Executada desde 1995, a Pesquisa CNT de Rodovias - uma iniciativa conjunta da CNT e do SEST SENAT (Serviço Social do Transporte e Serviço Nacional de Aprendizagem do Transporte, respectivamente) - veio contribuir com informações atualizadas para o planejamento e a operação rodoviária, vez que de maneira complementar forneceu elementos fundamentais para a elaboração de projetos e estudos voltados ao aprimoramento das nossas rodovias. 2.2 Estradas não pavimentadas
Estradas não pavimentadas, ou também denominadas ‘estradas de terra’, são aquelas que não possuem qualquer tipo de tratamento superficial e têm em sua camada superficial apenas solo local, ou às vezes em mistura com agregado granular, decorrente de sua manutenção (NUNES, 2003).
A densidade da malha rodoviária pavimentada do Brasil é ainda muito pequena, principalmente quando comparada com a de outros países de dimensão territorial semelhante. São aproximadamente 25 km de rodovias pavimentadas para cada 1.000 km² de área, o que corresponde a apenas 12,3% da extensão rodoviária nacional. Nos Estados Unidos, são 438,1 km por 1.000 km² de área. Na China, 359,9 km e na Rússia, 54,3 km. Ao analisar as regiões brasileiras, o Nordeste concentra o maior percentual de infraestrutura rodoviária (30,8%), seguido do Sudeste (19,3%), do Sul (18,5%), do Centro-Oeste (17,6%) e do Norte (13,7%). (CNT, 2016).
Segundo o SNV (Sistema Nacional de Viação), utilizado como base para a CNT realizar o levantamento de dados, a malha rodoviária pavimentada brasileira compreende 211.468 km de extensão, contrapondo-se aos 1.351.979 km de rodovias não pavimentadas, como pode ser observado na Figura 1.
Figura 1 - Malha Rodoviária Brasileira. Fonte: (CNT, 2016).
Segundo o IPEA (Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada), a matriz de transportes brasileira tem a forte predominância do modo rodoviário. O Brasil possui 1,03 km de rodovia pavimentada por habitante e 7,35 km de rodovia não pavimentada. A região Centro-Oeste se destaca neste indicador, possuindo, respectivamente, 1,74 de rodovia pavimentadas e 14,85 de estradas não pavimentadas. (IPEA, 2016). Neste contexto, de acordo com o IPEA (IPEA, 2016), o estado de Mato Grosso está situado na região com maior densidade de estradas não pavimentada por habitante, fortalecendo a necessidade de medidas que visam manter e recuperar esses meios de acesso.
Segundo Baesso e Gonçalves (2003), as estradas rurais podem ser divididas em quatro categorias distintas, designadas por A, B, C e D. De acordo com os autores, as estradas da Categoria A correspondem às vias cuja superfície de rolamento é composta por agregados naturais oriundos de jazidas, sendo que estes atendem a determinados parâmetros quanto a composição granulométrica. A Categoria B é composta por estradas que apresentam material produzido artificialmente (britados) na camada superficial de rolamento. Solos naturalmente estabilizados (saibros, areias, piçarras, etc) oriundos de jazidas, quando utilizados para compor a superfície de rolamento, compreendem as estradas da Categoria C. As vias cuja camada superficial é formada por materiais de seu próprio leito natural, correspondem à Categoria D.
Já de acordo com Nunes (2003), as condições da superfície de rolamento de uma estrada dependem de fatores que variam de acordo com a região. Esses fatores são o tipo de solo, clima, topografia, tráfego e frequência de manutenção, os quais, influenciam diretamente no aparecimento de defeitos no leito das vias, o que ocasiona problemas que comumente, quando não reduzem a velocidades de tráfego, são os responsáveis pela interrupção na utilização da via. Alves (2009), por sua vez, afirma que o conhecimento da infraestrutura, juntamente a uma análise dos defeitos que ocorrem nas estradas não pavimentadas, poderá resultar numa manutenção preventiva com redução no custo das correções, permitindo uma
melhora do desenvolvimento social e econômico dessas áreas.
Uma estrada não pavimentada deve conter em sua estrutura resistência suficiente para suportar as cargas requisitadas pelo tráfego nesta estrada, evitando o surgimento de deformações e patologias. Para Baesso e Gonçalves (2003), a boa capacidade de suporte e boas condições de rolamento são características de resistência, tanto do material utilizado como revestimento quanto do subleito, para que estes possam se manter coesos frente às solicitações repetitivas do tráfego na medida em que ocorrem variações no teor de umidade, devido aos períodos secos e chuvosos, que ocorrem ao longo do ano.
2.2.1 Patologias mais comuns em estradas não pavimentadas
As estradas não pavimentadas estão mais propicias ao surgimento de patologias capazes de interferir diretamente no tráfego e serventia deste pavimento primário (capacidade de suporte, conforto e segurança). Segundo Baesso e Gonçalves (2003) destacam-se entre as patologias:
a) seção transversal imprópria; b) drenagem inadequada; c) corrugações; d) excesso de poeira; e) buracos; f) trilha de roda; g) perda de agregados; h) pontos de erosão.
Neste contexto, tais patologias já comuns no âmbito de estradas não pavimentadas, têm como função nortear a identificação de não conformidades da via em estudo, facilitando a caracterização das mesmas. 2.3 Dados Geoespaciais e SIG
Os avanços tecnológicos na área de informática facilitaram o manuseio de grande número de dados através dos computadores. Quando uma das características relevantes do dado é a sua localização (referência espacial), pode-se fazer uso dos Sistemas de Informação Geográfica - SIG, que se baseiam em uma tecnologia de armazenamento, análise e tratamento de dados espaciais, não espaciais e temporais. Esta ferramenta é capaz de gerar informações que permitem obter soluções rápidas e precisas para vários problemas, facilitando o processo de tomada de decisões em diversas áreas, tais como: Geologia, Hidrografia, Agricultura, Engenharia Civil, de Transportes, Urbana, de Minas, etc (NELSON, 1998).
Um Sistema de Informações Geográficas - SIG, que é, em essência, a combinação de imagens de mapas com diferentes tipos de informação, tem aplicações não apenas no planejamento de transportes, mas em inúmeras outras áreas, incluindo o planejamento urbano, de forma mais abrangente (NELSON, 1998).
Teixeira et al. (1992) subdividem um SIG em: • Banco de dados;
• Equipamentos (hardware) e;
• Operadores espaciais: conjunto de programas (software) dedicados à execução de operações sobre os dados.
O banco de dados é composto pela base de dados física e por programas que gerenciam esses dados, ou seja, organizam os mesmos, com a finalidade de agilizar a sua procura, manutenção e controle. Quanto ao hardware, os SIG podem operar em microcomputadores, estações de trabalho, minicomputadores e computadores de grande porte, tornando a sua utilização possível em praticamente qualquer ambiente e organizações dos mais variados portes.
Os operadores espaciais são um conjunto de programas, que atuam sobre a base de dados, produzindo as informações desejadas.
Segundo TEIXEIRA et al. (1992), as estruturas de representação dos dados espaciais em um SIG podem ser classificadas em: raster (Matricial) ou vetorial. A estrutura raster (ou matricial) divide o espaço em elementos discretos e é obtida através de uma malha com linhas verticais e horizontais, formando as células (pixel – picture element ou quadrículas). As dimensões dessas células é que definem a precisão do processo (nível de resolução). A estrutura vetorial, por outro lado, considera o espaço de forma contínua, reduzindo os dados espaciais a três formas básicas: pontos, linhas ou áreas (FRANÇOSO et al., 1993). Exemplos gráficos destas formas de representação podem ser vistos na Figura 2.
(a) (b) (c)
Figura 2 - Formas de representação de dados espaciais com (a) um mapa analógico, (b) sua versão
vetorial e (c) em formato matricial raster. Fonte: adaptada de SILVA et al. (1997).
No âmbito dos transportes evidencia-se a utilização de SIG como auxílio na resolução de diferentes tipos de problemas: gerência de pavimentos, transporte coletivo, rodoviário e de carga, engenharia do tráfego, localização de facilidades e planejamento de transportes (MENESES, 2003).
Durante o desenvolvimento deste trabalho, o uso do SIG foi de fundamental importância durante o reconhecimento do traçado geométrico da via em estudo, bem como, a indicação pontual das patologias encontradas nesta via.
2.4 Sistema de Gerência de Pavimentos - SGP Processo de coordenação e controle de atividades que permitam desencadear o processo de manutenção de pavimentos, procurando o melhor uso possível dos recursos disponíveis, isto é, a maximização dos benefícios para a sociedade (CARDOSO, 1994).
Neste contexto a construção de um processo metodológico que visa monitorar patologias identificadas em determinada estrada, bem como
acompanhar a evolução destas, sistematiza um controle patológico que permite direcionar o processo de manutenção de estradas não pavimentadas.
3 Metodologia
Este trabalho definiu uma metodologia de baixo custo para aquisição, processamento e compartilhamento de dados vetoriais e matriciais do tipo raster, de estradas vicinais não pavimentadas, permitindo a identificação de patologias segundo sua categoria e localização. Não é intenção desta metodologia produzir ao final uma base cartográfica geometricamente acurada, que possa embasar um projeto de estradas diretamente, mas sim uma base de dados de caráter qualitativo que possa ser consultada por interessados do setor público ou privado para fomentar ações de acompanhamento e recuperação de estradas vicinais. As etapas estão resumidas no fluxograma da Figura 3.
Figura 3 - Fluxograma do método proposto. • Etapa 1 – Seleção de Equipamentos
Considerando o objetivo de manter a viabilidade econômica e oferecer resultados dentro de um nível de acurácia aceitável, nesta etapa foram realizados conjuntos de testes para avaliar o comportamento planimétrico de dois equipamentos de trajetórias GNSS de baixo custo, sendo um navegador GPS (Figura 4a) e um smartphone (Figura 4b).
(a) (b)
Figura 4 - Equipamentos GNSS do tipo (a) navegador e (b) smartphone.
Também foram avaliadas três opções de câmeras para coleta de imagens a curta distância, sendo uma semiprofissional FUJIFILM, FinePix, S400, 14 MegaPixel (Figura 5a), outra de smartphone Motorola,
XT1640, 16 MegaPixel (Figura 5b) e uma recreativa com registro em 360º LGcam, Luck Goldstar, R105, 16 MegaPixel (Figura 4c).
(a) (b) (c)
Figura 5 - Equipamentos fotográficos de baixo custo do tipo (a) semiprofissional, (b) smartphone e (c) recreativa.
• Etapa 2 – Coleta de Dados de Testes Em seguida foi executada uma coleta de dados em uma área de teste delimitada (retângulo ilustrativo indicado na Figura 6), com aproximadamente 600 km², com o registro das trajetórias GNSS e a coleta de fotografias nos pontos com patologias.
Figura 6 - Delimitação da área de teste.
• Etapa 3 – Definição dos Pré-Processamentos Na etapa 3 foi verificada a necessidade de pré-processamentos a serem realizados nos dados vetoriais advindos dos equipamentos GNSS, bem como nos dados raster. O objetivo é definir os pré-processamentos (caso seja necessário) para a inserção dos dados no SIG.
• Etapa 4 – Definição do Processamento e Geração de Produtos
Foram verificados e definidos os processos necessários para elaboração da tabela de patologia na base de dados, tendo como parâmetro as categorias previstas nas normas da Engenharia de Estradas. Estas tabelas estão vinculadas às imagens e aos vetores.
• Etapa 5 – Definição da Forma de Compartilhamento dos Produtos
Para o compartilhamento dos dados resultantes foram definidas as formas de disponibilização “off line” por meio de mapas temáticos gerados previamente e “online” por meio de servidores que permitam a disponibilização dos dados para acesso e consultas personalizadas em tempo real.
Assim, como resultado desta sequência de etapas se tem uma metodologia de baixo custo para o
monitoramento de estradas vicinais. Consequentemente, o produto direto deste trabalho é a sequência metodológica desenvolvida que poderá ser repetida por outros indivíduos interessados e a própria base de dados produzida, que poderá ser útil para a comunidade.
Para avaliar o grau de sucesso do método proposto será levado em consideração o custo final dos equipamentos elegidos para a coleta de dados, bem como a eficiência da base de dados cartográficos resultante (possibilidades de consultas e interpretações).
4 Resultados e Discussão
Nesta seção serão detalhados os procedimentos realizados em cada etapa do método proposto, bem como os resultados alcançados e discussões pontuais.
• Etapa 1 – Seleção de Equipamentos
Esta etapa abordará inicialmente a seleção da câmera, seguida do equipamento de posicionamento GNSS. Para definição da câmera fotográfica a ser utilizada no processo de coleta de imagens em estradas, bem como a melhor forma de coletar as respectivas imagens, levou-se em consideração a qualidade visual da imagem, ângulo de abertura, ângulo de captura e praticidade no manuseio. Todas essas características culminaram na escolha da melhor opção para o registro e identificação das patologias.
Foram definidas três câmeras distintas a serem usadas nos campos de teste. Segue especificações e características destas conforme (Tabela 2).
Tabela 2 – Especificações e Características das Câmeras utilizadas.
Câmeras – Especificações e Características
Grupo
Categoria
da
câmera Especificaçõ es técnicas Modo da Imagem Modo de capruta Ângulo de Abertura Designaç
ão Grupo1 Semiprofis sional FUJIFILM A DM 50͘° CR1 Amadora Smartphone A DDM 50͘° CR2 Grupo2 Recreativa LG360 A DDM 360º CR3 *A: Automático. *DM: Disparo Manual.
*DDM: Disparo por Dispositivo Móvel.
*Grupo 1: Câmeras com ângulo de abertura “normal” de 50º. *Grupo 2: Câmera com amplo ângulo de abertura (2x180º).
Um fator relevante na escolha destes modelos foi o ângulo de abertura. Assim, serão comparadas
imagens com ângulos de abertura
"normais"(aproximadamente 50º) e câmera com amplo ângulo que simulam 360º (2 x 180º graus), conforme mostrado na (Figura 7).
Figura 7 - Abrangência Focal da Lente.
Nos campos de testes as câmeras com abertura angular de aproximadamente 50º foram posicionadas no suporte com inclinações de 90° em relação ao solo (perpendicular) e 60°, conforme ilustrado nas Figuras 8 e 9. O suporte teve sua posição planimétrica variada, permitindo as seguintes configurações: posicionado no centro da estrada com ângulo de 90º capturando os dois lados da faixa de tráfego (Figura 8a); no centro da pista de rolagem com ângulo de 90º capturando os dois lados da pista (Figura 8b); centro da estrada com inclinação de 60º capturando os dois lados da faixa de tráfego (Figura 8c); e no centro da pista de rolagem com inclinação de 60º capturando os dois lados da pista (Figura 8d).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 8 - Posicionamento vertical das câmeras CR1 e CR2 nos testes.
Devido a amplitude de coleta de imagem da câmera CR3, não se faz necessário a inclinação angular da mesma, variando somente nos testes o seu posicionamento planimétrico no centro da estrada (Figura 9a) e centro da pista de rolagem (Figura 9b)
(a) (b)
Figura 9 - Posicionamento vertical da câmera CR3 nos testes.
Em um teste para avaliar o borramento provocado pelo registro em movimento foram coletadas imagens nas mesmas configurações descritas, mas com o suporte se deslocando a uma velocidade de 30Km/h. Quanto ao comportamento geométrico das áreas de testes foram utilizadas três áreas distintas da estrada, afim de perceber o comportamento das imagens obtidas de acordo com as características topográficas do objeto em estudo:
- Área 1: Trecho plano da estrada.
- Área 2: Trecho de curva vertical côncava no declive da estrada.
- Área 3: Trecho de curva vertical convexa na elevação da estrada.
Possibilitando assim comparações entre as imagens obtidas, conforme apresentado nas Figuras 10,11 e 12.
(a)
(b)
Figura 10 - Imagem Captada pela Câmera CR1 (60º de inclinação) Posicionada no Centro da Estrada, Lado Direito
da Estrada (a), Lado Esquerdo da Estrada (b).
(a)
(b)
Figura 11 - Imagem captada pela Câmera CR2 (60º de inclinação) Posicionada no Centro da Estrada, Lado Direito
da Estrada (a), Lado Esquerdo da Estrada (b).
Figura 12 - Imagem captada pela Câmera CR3 no Centro da Estrada.
Após análise das imagens obtidas nos testes, foi possível supor que nenhuma das câmeras testadas, tendo como ponto de referência de disparo o centro da estrada, apresenta um resultado satisfatório que atenda os objetivos que a metodologia propõe, sendo necessário ter como ponto de referência de disparo o centro da pista de rolagem da estrada.
Mesmo tendo uma imagem de boa qualidade, não se justifica o uso da câmera CR1 por ser limitada somente ao disparo manual, gerando morosidade no processo de coleta das imagens. Já a câmera CR2 e CR3 apresenta grande praticidade na coleta de imagens, podendo ser disparadas por dispositivos móveis sem comprometer a qualidade das imagens obtidas.
Considerando o amplo ângulo de captura das imagens, o que facilita a identificação, posicionamento e reconhecimento de diversas características do trecho da estrada analisada, a câmera que melhor atendeu às necessidades no processo de coleta de imagens foi a CR3, sendo esta a escolhida para uso. Para realizar a avaliação da qualidade das trajetórias GPS coletadas por equipamentos de baixo custo foram utilizados dois equipamentos, sendo eles GPS semiprofissional (Garmin 64S) e GPS amador de smartphone (Moto XT1640). Foram coletadas 57 km de trajetórias em cenário predominantemente rural e semiurbano (Figura 13), que foram submetidas à avaliação numérica conforme descrito a seguir. Foram mantidas as taxas de amostragem padrão de cada equipamento.
Figura 13 - Trajetórias GPS (linhas vermelhas) distribuídas por cenário urbano em Sinop.
Para avaliação das trajetórias GPS coletadas (linha verde na Figura 14a) foi criada uma trajetória de referência (linha vermelha na Figura 14a) a partir da restituição das estradas correspondentes em imagens Rapideye. Estas imagens possuem resolução espacial de 5 m e são disponibilizadas pelo Ministério do Meio Ambiente (MMA) por meio de uma base de dados compartilhada via aplicativo web Geo Catálogo MMA1.
Em seguida, foram amostrados pontos com intervalos de dois metros nas trajetórias de referência (Figura 14b) e projetados perpendicularmente na trajetória GPS coletada (Figura 14c). O comprimento dos segmentos resultantes das projeções são as discrepâncias e baseiam os cálculos dos índices numérico de Desvio Padrão (σ), Raiz Quadrada do Erro Médio Quadrático (RMSE, Root Mean Square Error) e Erro Máximo.
(a) (b) (c)
Figura 14 - Método de avaliação das trajetórias GPS.
𝑅𝑀𝑆𝐸 = √1
𝑛∑ (𝑋𝑝𝑟𝑜𝑗𝑘 𝑛
𝑘=1 −𝑋𝑟𝑒𝑎𝑙𝑘)2 (Equação 1) Este processo foi realizado para os 57 km da trajetória coletada, resultando nos valores da Tabela 3.
Tabela 3 – índices de Desvio Padrão, RMSE e Erro Máximo dos conjuntos nos experimentos.
Tabela 3 – Desvio Padrão, RMSE e Erro Máximo.
Dados σ (m) RMSE (m) Erro Max. (m)
Trajetória Celular
(GPS Amador) 3,59 6,80 17,17 Trajetória Garmim
(GPS Semiprofissional) 3,30 5,48 16,49
Após análise dos resultados obtidos para cada GPS, é possível afirmar que ambos apresentam resultados satisfatórios, capazes de atender aos objetivos que a metodologia propõe.
Considerando a praticidade e a capacidade de integração do equipamento GNSS com a câmera escolhida, o GPS que melhor atendeu as necessidades no processo de coleta de dados GNSS foi o GPS amador, sendo este o escolhido para uso. Etapa 2 – Coleta de Dados de Teste
Após a definição dos equipamentos que melhor atenderam o objetivo do trabalho, iniciou-se a coleta de dados de teste em campo, buscando validar o processo metodológico outrora idealizado.
Á aplicação do método centralizou-se na Estrada Nanci, perímetro semiurbano do Município de Sinop –
1 Sítio do Geo Catalogo MMA
http://geocatalogo.ibama.gov.br.
MT e sobre o trecho não pavimentado, somando ao final 23,9 km de estrada não pavimentada monitorada, onde foram coletadas imagens dos pontos com patologias e trajetórias GNSS para a composição da base de dados cartográficos, contendo informações patológicas desta estrada (Figura 15).
Figura 15 - Trecho Percorrido.
Para realização da coleta se fez necessário o auxílio de um automóvel, onde os equipamentos foram acoplados de modo a sistematizar a coleta. Neste caso e por questões econômicas, prezando pelo baixo custo da metodologia, o veículo utilizado foi uma motocicleta XTZ250cc – Lander, com consumo de 32 km/l. A câmera ficou acoplada no capacete do piloto, e o coletor GNSS no guidão da motocicleta (Figura 16)
Figura 16 - Acoplamento dos equipamentos de coleta no veículo.
Os equipamentos se comportaram de acordo com o esperado no processo de coleta, não sendo necessário interromper o deslocamento do veículo na via.
Etapa 3 – Definição dos Pré-Processamentos
Já de posse dos dados obtidos na coleta de campo, foi possível dar início à etapa de definição dos pré-processamentos.
Não foi apurado erros de continuidade ou falhas de registro, assim as edições necessárias no pré-processamento iniciaram com a conversão do formato padrão de registro GNSS designado por GPX (GPS eXchange Format), baseado no padrão XML, para o formato Shapefile que é o mais comum nos sistemas SIG’s. Já no formato shapefile as trajetórias foram filtradas e verificadas (remoção de trechos de retorno ou paradas) a fim de reduzir alguma redundância de dados, bem como para análise de sua integridade. Ainda, tendo em vista a utilização de uma câmera com GPS embarcado, não se fez necessário o georreferenciamento das imagens adquiridas e que serão utilizadas na base de dados cartográficos. Etapa 4 – Definição do Processamento e Geração de Produtos
No processo de manipulação das trajetórias, bem como para construção da base de dados cartográficos, se fez necessário o uso de um computador Windows (não sendo necessário uma máquina com configurações específicas para servidor de dados) e um Sistema de Informação Geográfica, que neste caso foi QuantumGIS de licença open source.
Os shapefiles das trajetórias GNSS foram importadas para o QGIS juntamente com as fotografias dos pontos patológicos identificados na estrada em estudo, conforme figura 17 a 21.
Mapa importado através do complemento Open Layer Plugin do Software QuantumGis (Figura 17)
Figura 17 - Mapa da Estrada Nancir.
Após inserção do mapa, agregou-se a trajetória GNSS coletada (Figura 18).
Figura 18 - Mapa com Trajetória GNSS.
Já com o mapa e trajetória GNSS inserida na base de dados, pode-se inserir as fotografias georreferenciadas, através do complemento Photo2shape Software QuantumGis (Figura 19).
Figura 19 - Mapa, Trajetória GNSS e Pontos Patológicos.
Com os pontos patológicos integrados à base de dados, inicia-se o processo de identificação dos mesmos através da tabela de atributos, o que possibilita filtrar e direcionar a visualização para determinada patologia (Figura 20).
Figura 20 - Atribuição de Identificação aos Pontos Patológicos.
A identificação destes pontos patológicos se teve na observação das imagens realizadas pelo o operador do SIG, quantificando um total de 98 patologias identificadas conforme Tabela 4.
Tabela 4 - Patologias identificadas através das imagens. Tabela 3 – Patologias Identificadas
Patologias Quantidade identificada
Seção transversal imprópria 7 Drenagem inadequada 11 Corrugações 18 Excesso de poeira 8 Buracos 3 Trilha de roda 24 Perda de agregados 12 Pontos de erosão 15 TOTAL 98
Viabilizando a nevegação através da tragetória selecionando e visualizando as patologias identificadas (Figura 21)
Figura 21 - Mapa, Trajetória GNSS e Ponto Patológico Setado.
Após integração e processamento destas shapefiles no QGIS, pode-se constituir a base de dados cartográfico da estrada em estudo, consolidando uma ferramenta de consulta e análise prévia das patologias identificadas, capturadas, georreferenciadas e inseridas no produto final deste processo metodológico.
Etapa 5 – Definição da Forma de Compartilhamento dos Produtos
Feita a consolidação da base cartográfica, é possível compartilhar tais dados de maneira off-line, disponibilizando-os para toda comunidade acadêmica e interessados, seja da esfera pública ou privada. Para o compartilhamento dos dados de maneira on-line, o produto gerado encontra-se disponível através do plugin complementar do software open source QuantumGIS, o QGIScloud sob o link:
https://goo.gl/Bxeo6S, podendo desta forma, ser
consultada a qualquer momento sem a necessidade de um software de geoprocessamento.
5 Conclusões
A sequência metodológica definida, assim como os equipamentos de baixo custo selecionados para obtenção de dados sobre patologias de estradas não pavimentadas, não fornece por si só uma base cartográfica geometricamente acurada que possa embasar um projeto de estradas diretamente, mas viabiliza a atualização constante das informações estratégicas sobre as vias, constituindo-se uma importante ferramenta para o poder público municipal no direcionamento de ações de manutenção, bem como acervo de consulta técnica para toda a comunidade acadêmica e setor privado.
No que diz respeito a proposta de baixo custo, a sequência metodológica alcançou este objetivo, visto que os equipamentos definidos de baixo custo para a coleta e aquisição de dados atendeu os desígnios propostos, o que possibilita realizar uma estimativa de custo de implementação e manutenção da metodologia proposta.
• Estimativa do custo de Implementação: R$ 9.600,00 inerente aos valores dos equipamentos serem adquiridos (Tabela 4). • Estimativa de custo de manutenção: R$
184,82 ao dia, inerente ao consumo de energia e mão de obra necessária (Tabela 5).
Tabela 5 – Custo de Implementação da Metodologia Proposta.
Implementação do Processo Metodológico
Equipamento Custo (R$) Autonomia
Moto (XTZ250) 6.000,00 32 km/l Câmera (LG 360 cam) 1.500,00 10 h Coletor GNSS (MotoXT1640) 900,00 10 h Computador (LG S460) 1.200,00 -- Software GIS (QuantumGIS) Livre -- Mão de Obra (2 Pessoas) 3000,00 -- TOTAL: R$12.600,00 Tabela 6 – Custode Manutenção da Metodologia Proposta.
Manutenção do Processo Metodológico Definido, valores diários contabilizando oito horas
trabalhadas, data base: 19/06/2017
Equipamento Consumo energético Km Monitorado Fonte Custo (R$) Moto (XTZ250) 7,5 L 250 km Gasolina 27,75 Câmera (LG 360 cam) 8 h 250 km Energia Elétrica 0,072 Coletor GNSS (MotoXT1640) 8 h 250 km Energia Elétrica 0,072 Computador (LG S460) 8 h 250 km Energia Elétrica 36,50 Software GIS (QuantumGIS) -- 250 km -- -- Mão de Obra (2 Pessoas) -- 250 km -- 120,43 TOTAL diário: R$ 184,82
Tendo conhecimento do custo de implementação, manutenção da metodologia proposta e a autonomia de coleta dos equipamentos utilizados, torna-se possível quantificar os custos por quilômetro monitorado, valores estes que na fase de manutenção custa cerca de R$ 0,74 por quilômetro percorrido, ou seja, em um mês de implantação do processo metodológico é possível monitorar 5.750 quilômetros de estradas não pavimentadas por um custo de aproximadamente R$ 4.250,86.
Na composição desta estimativa de custo mensal por quilômetros monitorados, o valor de implementação do processo metodológico foi desconsiderado, visto que a vida útil dos equipamentos necessários para implantação da proposta está estimada em um ciclo de substituição de aproximadamente cinco anos. Visto isso, pode-se afirmar que o custo anual de implantação da metodologia proposta é de aproximadamente R$ 2.520,00 por ano.
5 Sugestões
Como indicação de trabalhos a serem desenvolvidos em conformidade com o constante aprimoramento do processo metodológico definido, segue alguns pontos de discussões e pesquisas sugeridos:
• Custo de recuperação total de uma estrada não pavimentada em condições críticas; • Aplicação do processo metodológico
• Implementação da metodologia definida como acompanhamento para gerência de pavimentos.
Agradecimentos
Agradeço a Deus pela proteção e sabedoria concedida durante a graduação. A minha família, em especial aos meus pais Lazaro e Eliene que não se encontram mais entre nós, e com grande alegria registro aqui minha homenagem a eles, aos meus Tios Divaldir e Francisca, aos meus irmãos Roberto e Mateus, por serem a minha base e pela confiança e incentivo. A Heloisa pelo apoio, companhia, paciência e carinho. Aos meus amigos e colegas, em especial Fernando, Igor, Caio, Eduardo, Thalita, Bruna, Jessica, Ada, Ana Paula e Breno pelos momentos de estudo e, também, de descontração. Ao Orientador Prof. Érico Martins pelo conhecimento compartilhado e toda a dedicação despendida em me orientar e acompanhar durante todo o trabalho. A todos os professores que participaram e contribuíram para minha formação acadêmica, em especial ao Prof. Rogério Riva, Prof. Augusto Romanini, Prof. Geovane Vale e Prof. Ana Elza pelos ensinamentos e conhecimentos na realização deste trabalho, bem como outras atividades acadêmicas. A UNEMAT pela possibilidade de ensino gratuito e oportunidade de crescimento intelectual e pessoal.
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