anÁlise altimÉtrica utilizando mÉtodos de...

IV Simpósio Brasileiro de Geomática – SBG2017

II Jornadas Lusófonas - Ciências e Tecnologias de Informação Geográfica - CTIG2017

Presidente Prudente - SP, 24-26 de julho de 2017

p. 363-368

A.N. Souza; S. J. Garnés; A. F. da Silva ISSN 1981-6251

ANÁLISE ALTIMÉTRICA UTILIZANDO MÉTODOS DE

POSICIONAMENTO GNSS, PERFILAMENTO A LASER E

NIVELAMENTO TRIGONOMÉTRICO: ESTUDO DE CASO VILA

CLAUDETE – CABO DE SANTO AGOSTINHO - PE

ALEXANDRE DO NASCIMENTO SOUZA

SILVIO JACKS DOS ANJOS GARNÉS

ANTONIO FERNANDES DA SILVA

Centro Universitário dos Guararapes - UNIFG

Universidade Federal de Pernambuco - UFPE

Universidade Cidade de São Paulo - UNICID

[email protected]

[email protected]

[email protected]

RESUMO - Este trabalho consiste na comparação entre três métodos de levantamento altimétrico: um

obtido através do levantamento por LIDAR aerotransportado; outro por nivelamento trigonométrico com

estação total e; o outro, usando o posicionamento GNSS RTK, na Vila Claudete na cidade de Cabo de

Santo Agostinho, Pernambuco. Foi utilizado neste trabalho o método de nivelamento geométrico com

estação total na área pesquisada, com transporte de coordenadas utilizando classe IIN conforme NBR

13133-1994, entre estações pertencentes ao Sistema Geodésico Brasileiro e o local da pesquisa. Para o

levantamento GNSS, foi utilizado o método de levantamento relativo cinemático em tempo real (RTK)

com a utilização de receptores L1/L2, para a coleta de diversos pontos no local da pesquisa. O

levantamento por perfilamento a laser foi realizado com o fornecimento da nuvem de pontos obtidos em

coordenadas UTM no sistema de referência SIRGAS2000, pela empresa GEOMENSURA. O método

consistiu em buscar pontos homólogos utilizando o software AstGeoTop, entre os pontos levantados

pelos três métodos, e fazer a comparação entre eles, buscando as discrepâncias entre esses pontos.

Concluiu-se que o levantamento com a Estação Total apresentou a melhor qualidade nos resultados entre

os pontos homólogos encontrados no levantamento por perfilamento a laser e GNSS.

Palavras chave: GNSS, LIDAR, nivelamento geométrico, RTK.

ABSTRACT - This project carried out in Vila Claudete (Cabo de Santo Agostinho - PE) consists of a

comparison of three methods of altimetric survey: a) survey by airbone LIDAR; B) survey by GNSS RTK

positioning RTK, and c) survey by geometric level with total station.The survey by LIDAR (laser

profiling) was performed with the supply of the cloud of points obtained in UTM coordinates in the

reference system SIRGAS2000 by the company GEOMENSURA.The GNSS positioning survey was

performed by the real-time kinematic method (RTK), using L1 / L2 receivers, to collect several points at

the research site.The trigonometric leveling survey was obtained through a total station in the surveyed

area, with coordinate transport. Class IIN was used between stations belonging to the Brazilian Geodetic

System and the research site, according to NBR 13133-1994. The method consists in searching

corresponding points observed by three methods. For this, the software AstGeoTop was used. Finally, a

comparison was made between them in order to seek for the discrepancies among these points. It was

concluded that the survey by trigonometric level obtained by means of total station presented better

precision in the results than the homologous points found in the survey by laser profiling and by GNSS

positioning.

Key words: GNSS, LIDAR, Geometricleveling, RTK.

mailto:[email protected]






1 INTRODUÇÃO

O levantamento por perfilamento a laser (LIDAR, 2017)

vem popularizando-se e crescendo devido a sua inovação

no campo do levantamento topográfico convencional e na

fotogrametria, por sua rapidez na obtenção de dados e por

possuir recursos tecnológicos avançados, tendo a

vantagem de obter pontos na superfície do terreno mesmo

em áreas na qual a cobertura da vegetação é densa e de

difícil acesso tais como: florestas, montanhas e obstáculos

variados, onde a obtenção desses dados por alguns

métodos de levantamentos convencionais (Levantamento

planialtimétrico com estação total (VEIGA et al, 2012),

fotogrametria (CASACA et al, 2013) e Levantamento

GNSS em campo (HOFMANN-WELLENHOF e

LICHTENEGGER, 1994)) apresentam restrições. O

perfilamento a laser não apresenta essas restrições, pois

com apenas o envio de um pulso à superfície do terreno, é

possível determinar a altura dos pontos (levantamento

altimétrico) e pela posição instantânea por GNSS,

conhecer também a planimetria da superfície do terreno

(CENTENO E MITISHITA, 2007). Com o conjunto

desses pontos, pode-se produzir o Modelo Digital de

Elevação (MDE), que são conjunto de pontos com objetos

naturais ou artificiais sobrepostos ao terreno e Modelo

Digital de Terreno (MDT), que são conjunto de pontos

que atingiram a superfície do terreno (FALAT, 2008).

Neste trabalho é comparado três métodos

de levantamento altimétrico: por nivelamento

trigonométrico utilizando estação total, com transporte de

RN (Referência de Nível) da Estação Geodésica

pertencente ao SGB (Sistema Geodésico Brasileiro) até

próximo ao local da pesquisa, posicionamento GNSS pelo

método cinemático em tempo real RTK (Real Time

Kinematic) utilizando receptor L1/L2; e perfilamento a

laser LiDAR aerotransportado, em área localizada no

bairro Vila Claudete, na cidade do Cabo de Santo

Agostinho, PE.

2 METODOLOGIA

2.1 Área de estudo

A pesquisa foi realizada em área localizada entre a Av.

Alm. Paulo Moreira e Antiga Estrada de Gaibú no Bairro

da Vila Claudete, localizado no município do Cabo de

Santo Agostinho no estado de Pernambuco (Figura 1).

Figura 1 – Área de estudo na Vila Claudete dos

levantamentos utilizando perfilamento a laser, GNSS

RTK e nivelamento trigonométrico com estação total.

Foi utilizada a RN 2439M / IBGE, pertencente ao

SGB com coordenadas em SIRGAS 2000: Latitude= 08 °

16 ' 09 " S; Longitude 35 ° 01 ' 16 "W; H=9,8571 (altitude

ortométrica) para transporte de RN (Figura 2), até o

meio fio em frente ao SENAI ( Serviço Nacional de

Aprendizagem Industrial) do Cabo de Santo Agostinho

(Figura 3), onde foram materializados dois pontos JM-3

(Figura 4) e JM-4. O transporte de RN do RN 2439M até

os pontos no meio fio foi realizado por nivelamento

geométrico utilizando nível automático TOPCON AT-B4,

com contranivelamento a cada 500 m e distância

percorrida de 2,2 km, utilizando classe IIN (NBR 13133,

1994).

Figura 2 - Estação 2439M IBGE utilizada para transporte

de RN para o local do levantamento. Fonte: IBGE(2016)




Figura 3 - SENAI Cabo de Santo Agostinho

Figura 4: Ponto JM-3 materializado no calçamento em

frente ao SENAI.

2.2 Levantamentos de campo

2.3 Levantamento LIDAR

A primeira etapa do levantamento de campo foi o

serviço de perfilamento a laser com sensor laser

devidamente calibrado aerotransportado e elaboração do

Modelo Digital de Elevação (MDE) e Modelo digital de

Terreno (MDT), com obtenção de curvas de nível com

equidistância de 1,0 metro e pontos cotados em locais

notáveis (cumes e depressões) (Figura 5). A altura de voo,

ângulo de abertura do feixe e a frequência de varredura

foram calculadas de forma a produzir no mínimo três

pontos por metro quadrado e que permitiu ainda o registro

de intensidade dos feixes laser refletidos pelo terreno.

Foram obtidas as altitudes ortométricas a partir das

altitudes geométricas obtidas com o GNSS e modelo

geoidal local, com rastreio de RN's existentes na área do

levantamento (Figura 6). (GEOMENSURA, 2013).

Figura 5 - Área de levantamento perfilamento a laser.

Fonte: Geomensura (2013)




Figura 6 - Pontos de apoio na área de levantamento

perfilamento a laser. Fonte: Geomensura (2013)

2.4 Levantamento GNSS - RTK (Real Time

Kinematic)

A segunda etapa foi a realização do levantamento

GNSS utilizando o método RTK, foram utilizados dois

receptores L1/L2 JAVAD modelo TRIUMPH-1 (Figura

8), um receptor utilizado como estação base e outro

utilizado como móvel acompanhado de uma coletora de

dados. Foi utilizada a configuração de gravação da base

com intervalo de 5 segundos e máscara de elevação de

10º. O sistema geodésico de referência foi o

SIRGAS2000 para coordenadas UTM (Universal

Transversa de Mercator) no fuso 25. A Figura 7 apresenta

os 888 pontos coletados na área de estudo.

Figura 7 - Pontos coletados no levantamento GNSS RTK.

Figura 8 - Receptor base montado no local de estudo.

2.5 Nivelamento Trigonométrico

A terceira etapa foi o levantamento topográfico

altimétrico da área por nivelamento trigonométrico que

foi realizado com estação total CYGNUS com transporte

de coordenadas a partir dos pontos JM-3 (Figura 4) e JM-

4 com coordenadas UTM SAD69 e posterior

transformação de coordenadas para SIRGAS2000

utilizando os módulos: transformação de coordenadas e

Transformação de Sistemas do software AstGeoTop

Versão 2017 (Figura 9). A Figura 10 apresenta os pontos

do levantamento por nivelamento trigonométrico na área

em estudo.

Figura 9 – Módulos: Transformações de Coordenadas e

Transformações de Sistemas Geodésicos do

AstGeoTop(2017).

O módulo Transformação de coordenadas foi para

transformar de coordenadas UTM em geodésicas

(latitude, longitude) e vice versa. O módulo

transformação de sistemas geodésicos foi para

transformar latitude e longitude de SAD69 para o

SIRGAS2000 em latitude e longitude também. Os

parâmetros de transformação default entre esses dois

sistemas usam os valores fornecidos na RPR 01 de 2005,

do IBGE.

Figura 10 - Pontos do levantamento por nivelamento

trigonométrico.

2.6 Processamento dos dados Lidar




A empresa GEOMENSURA forneceu a nuvem de

pontos-Lidar, em coordenadas UTM no SIRGAS2000.

Para realizar a compatibilização das altitudes dos três

métodos de levantamento a um mesmo referencial

altimétrico e assim ter as inferências estatísticas, foi

utilizado o módulo: cartografia, MDT e MDE do software

AstGeoTop(2017) ( Figura 11).

Figura 11 - Tela do Módulo: MDT & MDE do software

AstGeoTop(2017).

3 RESULTADOS

3.1 Modelos MDT e MDE AstGeoTop

A calibração de modelos LIDAR em relação a uma

rede altimétrica de controle, permite realizar buscar entre

pontos de posição homóloga no terreno. Esses pontos

homólogos são definidos com personalização de uma

distância horizontal, como default essa distância é de

15 cm. Todos os pontos de ambos os arquivos são

varridos e uma estatística de média e desvio padrão são

apresentadas em relação às discrepâncias nos pontos

altimétrico (d=Hi-hi).

A média permite saber quanto um referencial está

deslocado em relação ao outro e o desvio padrão amostral

das discrepâncias permite saber o quão preciso é o

modelo que está sendo “calibrado”. Às vezes é preciso

realizar uma filtragem para pontos posicionados muito

perto um do outro, exemplo, um no solo e outro em cima

do telhado de uma casa. Vai haver uma discrepância

superior ao pé direito da casa. O ponto de cima da casa

deve ser filtrado, isto é, eliminado. Para fazer isso, o

programa apresenta como estratégia de filtro o critério de

2 x desv. Padrão que vem selecionado, mas pode ser

alterado pela experiência do analista. Após a filtragem

uma nova média do deslocamento é realizada. Quando o

resultado da filtragem é considerado adequado, aplica-se e

deslocamento médio aos dados e assim ambos os

levantamentos estarão no mesmo referencial altimétrico,

neste estudo de caso, altitude ortométrica.

3.2 Calibração LIDAR X GNSS

No caso do LIDAR x GNSS (Figura 12), com a

altitude do GPS transformada para altitude ortométrica

usando o modelo MAPGEO 2015, o deslocamento médio

entre os dois referenciais foi de 14,9 cm, mas a precisão

dada pelo desvio padrão das discrepâncias mostra uma

dispersão de 4,31 m. Foram feitas buscas num arquivo

lidar de 283793 pontos e num arquivo GPS com 888

pontos (Figura 13).

Figura 12 - Calibração dados LIDAR X GPS

194 Z =18,8256 Linha =261060 d =0,131 Z =13,110 dZ =-5,716

207 Z =16,7861 Linha =249074 d =0,139 Z =11,140 dZ =-5,646

243 Z =17,6681 Linha =241161 d =0,125 Z =12,160 dZ =-5,508

255 Z =21,9766 Linha =269962 d =0,119 Z =16,480 dZ =-5,497

283 Z =21,9771 Linha =287321 d =0,061 Z =16,580 dZ =-5,397

300 Z =13,4683 Linha =278734 d =0,102 Z =7,840 dZ =-5,628

355 Z =4,4041 Linha =229346 d =0,119 Z =7,040 dZ =2,636

361 Z =3,7746 Linha =240177 d =0,127 Z =6,740 dZ =2,965

362 Z =4,5757 Linha =248947 d =0,147 Z =7,320 dZ =2,744

367 Z =3,6927 Linha =249709 d =0,146 Z =6,640 dZ =2,947

459 Z =13,6982 Linha =280835 d =0,034 Z =16,460 dZ =2,762

505 Z =3,4137 Linha =180085 d =0,086 Z =6,240 dZ =2,826

519 Z =3,3872 Linha =189465 d =0,075 Z =6,240 dZ =2,853

542 Z =1,5978 Linha =110179 d =0,075 Z =5,950 dZ =4,352

575 Z =3,0138 Linha =14180 d =0,139 Z =5,920 dZ =2,906

586 Z =1,571 Linha =65817 d =0,026 Z =6,290 dZ =4,719

590 Z =2,9329 Linha =27173 d =0,067 Z =5,810 dZ =2,877

606 Z =2,6919 Linha =69109 d =0,086 Z =5,940 dZ =3,248

614 Z =2,3951 Linha =99311 d =0,149 Z =5,330 dZ =2,935

645 Z =2,7617 Linha =161783 d =0,148 Z =5,610 dZ =2,848

776 Z =16,7861 Linha =249074 d =0,139 Z =11,140 dZ =-5,646

812 Z =17,6681 Linha =241161 d =0,125 Z =12,160 dZ =-5,508

824 Z =21,9766 Linha =269962 d =0,119 Z =16,480 dZ =-5,497

867 Z =2,7617 Linha =161783 d =0,148 Z =5,610 dZ =2,848

24 pontos tiveram aproximação com valor inferior a 0,15m

Figura 13 - Relatório individual de busca de cada ponto

no arquivo

O Primeiro Z corresponde as altitudes do arquivo

LIDAR e o segundo Z as altitudes do GPS; d corresponde

a distância horizontal dos pontos considerados

homólogos; linha a posição do ponto dentro do arquivo de

nuvem de pontos; dZ a discrepância entre as duas

altitudes nos dois referenciais.

3.3 Calibração LIDAR X Estação Total

Foi realizado o levantamento com estação total e

repetido o procedimento para 418 pontos (estação total)

contra os 283993 pontos LIDAR (Figura 14).

Figura 14 - Calibração dados LIDAR x Estação Total




Para esses arquivos foram encontrados apenas 9

pontos homólogos, com proximidades menor do que

15 cm. O deslocamento médio foi de 13,0 cm e um desvio

padrão de 15,7 cm (Figura 15).

74 Z =6,194 Linha =255685 d =0,088 Z =6,230 dZ =0,036

151 Z =5,922 Linha =206554 d =0,124 Z =6,030 dZ =0,108

159 Z =6,393 Linha =191788 d =0,110 Z =6,770 dZ =0,377

164 Z =6,191 Linha =178429 d =0,087 Z =6,470 dZ =0,279

335 Z =6,255 Linha =108478 d =0,147 Z =6,580 dZ =0,325

352 Z =6,369 Linha =141031 d =0,070 Z =6,370 dZ =0,001

360 Z =6,236 Linha =201844 d =0,121 Z =6,330 dZ =0,094

377 Z =5,877 Linha =131704 d =0,057 Z =5,850 dZ =-0,027

379 Z =5,826 Linha =133313 d =0,131 Z =5,800 dZ =-0,026

9 pontos tiveram aproximação com valor inferior a 0,15m

Figura 15 - Relatório individual de busca de cada ponto

no arquivo

4 CONCLUSÕES

As análises efetuadas na comparação entre o

levantamento LIDAR X GPS indicam que ocorreram

discrepâncias acima do esperado para o posicionamento

altimétrico. A baixa quantidade de pontos homólogos do

GPS em relação ao LIDAR, pode ter influenciado na

qualidade do comparativo entre os métodos.

É importante ressaltar que a área em análise

apresentava grande densidade de vegetação onde

ocorreram problemas na fixação de ambiguidade (float) e

multicaminhamento no levantamento GNSS RTK, o que

pode ter contribuído para esta grande discrepância no

posicionamento altimétrico, sendo então necessário fazer

o levantamento em outras áreas com características

diversificadas de modo a obter uma verificação mais

abrangente.

No caso de a comparação entre o levantamento

LIDAR X Estação Total, as discrepâncias encontradas

ficaram dentro do esperado para este tipo de levantamento

e posicionamento altimétrico, com os resultados

encontrados de excelente qualidade. É possível concluir

que o levantamento com a Estação Total apresentou a

melhor qualidade nos resultados entre os pontos

homólogos encontrados no levantamento LIDAR.

REFERÊNCIAS

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GARNÉS, S. J. A. AstGeoTop (2017). Software.

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http://www.lidar.com.br/ tecnologia.htm . acessado em 10

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