FUNDAMENTOS DE SISTEMAS VERTICAIS DE REFERÊNCIA MODERNOS E O

CONTEXTO DA IAG/GGOS E SIRGAS - GTIII

SÍLVIO ROGÉRIO CORREIA DE FREITAS1

ANDREA GALUDHT SANTACRUZ JARAMILLO1

HENRY MONTECINO CASTRO2

Universidade Federal do Paraná – UFPR, Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas, BrasilUniversidad de Concepción, Departamento de Ciencias Geodésicas y Geomática, Chile

SESSÃO: MODERNIZAÇÃO DO SISTEMA VERTICAL DE REFERÊNCIA DO BRASIL (SVRB)

CONTEÚDO• INTRODUÇÃO

• RECENTE EVOLUÇÃO DOS SGRS ATÉ O GGRS/GGRF EM FUNÇÃO DO GGOS

• BUSCA DE SISTEMAS DE REFERÊNCIA MODERNOS

• SISTEMAS VERTICAIS DE REFERÊNCIA CLÁSSICOS

• E.g. Visão de Sistemas Verticais de Referência na América do Sul

• INICIATIVAS PARA MODERNIZAÇÃO E UNIFICAÇÃO DOS SISTEMAS VERTICAIS

• Grupo de Trabalho III de SIRGAS

• Modernização das Redes Verticais: preceitos para o IHRS/IHRF

• Aspectos em destaque

• Deformações nas Estruturas Geodésicas Verticais na América do Sul combase em observações GPS e GRACE

• CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Aspectos dos SVRNS e RVRNS no contexto SIRGAS

• Estratégias de SIRGAS – GTIII relativas ao SVRS e RVRS

• International Association of Geodesy - IAG → Coordena as atividades da Geodesia noplaneta;

• A nova visão da Geodesia → Fundamentar estruturas espaciais e sistemas para aobtenção de informação espacialmente referenciada fundamentais para Sistema deObservação da Terra;

• A Geodesia moderna → Baseia todas suas observações geocinemáticas associadas àfigura da Terra considerando a geometria, seu campo de gravidade e rotação: os "trêspilares" da Geodesia;

• As grandezas geodésicas associadas aos "três pilares" estão predominantementerelacionadas à distribuição e movimentação de massas no ST.

DISTÚRBIOS NO SISTEMA TERRA

FONTE: http://www.iag.orghttp://gfdl.noaa.gov

INTRODUÇÃO

• Global Geodetic Observing System – GGOS→ foi estabelecido em 2003 pela IAG;

• Projeto IAG Inter-Commission Project 1.2 "Vertical Reference Frames" (2003-2011);

• GGOS Theme 1: Global Unified Height System, estabelecido em 2010;

• Nações Unidas→ recomenda a adoção do GGOS em 2012;

• UN-GGIM → reconhece a importância da abordagem da Geodesia estabelecida pelaIAG/GGOS para sustentar a “Rede geodésica de referência global para o desenvolvimentosustentável”;

• UN-GGIM GGRS/GGRF → conceito: um ponto P é descrito pelas coordenadas (φ, 𝜆, ℎ),geopotencial W, altitude física H(CP) e pelo vetor gravidade Ԧ𝑔;

• RESOLUÇÃO No. 1 da IAG de julho de 2015 → “Definition and realization of anInternational Height Reference System (IHRS)”;

• RESOLUÇÃO No. 2 da IAG de julho de 2015→ “Global Absolute Gravity Reference System(GAGRS) “para substituir ao IGSN71”;

• IAG/GGOS WG 0.1.2 on the Strategy for the Realization of the IHRS→ IHRF, contido notema 1 de GGOS.

RECENTE EVOLUÇÃO DOS SGRS ATÉ O GGRS/GGRF EM FUNÇÃO DO GGOS

Estação IHRF

Esquema da contribuição dos efeitos gravimétricos ao quase-geoide

(δg = 1 ms-2 → 1 mm)

Distância Células No. de pontosplano/montanha

10 km 1 4/8

50 km 4 20/30

110 km 7 30/45

210 km 11 50/75

Soma 23 100/150

☺

☺

FONTE: Sánchez (2016)

• Estação IHRS preferencialmente em ponto da Rede Vertical e ITRF;

• Pontos gravimétricos distribuídos homogeneamente ao redor das estações de referênciado IHRF até uma distância de 210 km (~ 2°).

• Precisão desejável dos valores de gravidade: ±1 μms-2 (± 100 μGal) ou melhor.

• Coordenadas dos pontos gravimétricos com GNSS melhor que ±10cm.

• Em áreas montanhosas ~50% adicional de pontos gravimétricos.

• Incertezas oriundas do MGG e MDA devem ser consideradas.

Critérios ora em proposição para Estações IHRF/GGRF

Rotação da Terra

VLBI; LLR; SLR; DORIS;

GNSS; Astronomia clássica

Futuros giroscópios

terrestres

Campo Gravitacional

e da Gravidade

Grav. terrestre; INS/GPS;

Gravimetria marinha e aérea;

Análise de órbitas de satélites;

Gravimetria absoluta e sup.;

Hi-Lo & Lo-Lo SST;

Grad. por satélite;

PRARE

Sist. Geodésicos

de Referência

UN - Global Geodetic

Reference System

Geometria e Cinemática

GNSS; Satélites altímetros;

SLR móvel; LPS; INS/GPS;

Nivelamento geométrico;

Sensoriamento Remoto;

InSAR; MarégrafosIERS

POSIC. 4D

ALTITUDES

ELIPSOIDAIS

ALTITUDES

FÍSICAS E

GEOPOTENCIAL

IGFS

ITRS

ITRF

IHRS

IHRFGGRS

GGRF

FONTE: Adaptado de Plag, Pearlman (2009); Sideris (2009)

BUSCA DE SISTEMAS DE REFERÊNCIA MODERNOS

• Diferentes: níveis de referência, dataverticais, marégrafos, registros doNMM, metodologias de levantamento;

• Circuitos de nivelamento sem correçãoreal dos efeitos do campo da gravidade;

• Falta de modernização e ajuste dasredes;

• Variabilidade das altitudes e do nível dereferência com relação ao tempo;

• Falta de dados de gravimetria,nivelamento clássico;

FALTA DE INTEROPERABILIDADE

E.g. Sistemas Verticais de Referência na América do Sul

SISTEMAS VERTICAIS DE REFERÊNCIA CLÁSSICOS

Fonte: Santacruz (2015);http://www.sirgas.org

INICIATIVAS PARA MODERNIZAÇÃO E UNIFICAÇÃO DOS SISTEMAS VERTICAIS

Grupo de Trabalho III de SIRGAS

Os principais preceitos atuais do SIRGAS em relação ao SVRS podem serresumidos como:

• Realizado por altitudes físicas adequadas [HP = f (CP)];

• Conectado ao componente geométrico do SIRGAS;

• Redes verticais dos países membros integradas;

• Referido a um nível de referência global W0 do IHRS;

• Associado a uma época de referência específica; ou seja, deve-seconsiderar as variações temporais das coordenadas e da rede.

• Vinculado a um perfil de estações GGRF.

Fonte: De Freitas (2015)

Modernização das Redes Verticais: preceitos para o IHRS/IHRF

IHRS tem como coordenadas verticais primárias os números geopotenciais, i.e.,

Em um sistema vertical particular tem-se:

jmj

P

iPiPi nggdnWWC =−= 00

INICIATIVAS PARA MODERNIZAÇÃO A UNIFICAÇÃO DOS SISTEMAS VERTICAIS

Fonte: Sánchez (2005)

• Soluções Baseadas no Problema do Valor de Contorno da Geodesia (PVCG) naforma fixada:

Reconsiderando as discrepâncias relativas ao IHRS:

Sendo o offset métrico dado por

O potencial perturbador TP pode ser obtido, por ex. com a solução do PVCG nasua forma fixada mais decomposição espectral com auxílio de MGG e MDA:

Sendo a funcional derivada de observações na SF e H() afunção de Hotine da distância geocêntrica .

0 0 0[ ( )]P Pi i i P P mj jC C W W W W U T g n− = − = − + −

( ) ++=−=s

PPP dsHggR

UWT

...)(4

1

P P Pg g = −

INICIATIVAS PARA MODERNIZAÇÃO A UNIFICAÇÃO DOS SISTEMAS VERTICAIS

Aspectos em destaque

𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 =𝛿𝑊

𝛾0= Δ𝐻

• Aplicação de novas ferramentas disponíveis como as técnicas deposicionamento global (GNSS associada com gravimetria terrestre); missõessatélites de altimetria e gravimetria; Modelos Globais do Geopotencial.

→ Estudo sobre séries temporais de 272 estações GPS na América do Sulprocessadas como PPP (2002 a 2016) para as quais também foramestabelecidas 151 soluções mensais de observações GRACE. Sãoabordados aspectos importantes sobre variações temporais cíclicas epermanentes que afetam as redes verticais. Na sequência são destacadosaspectos das variações temporais lineares. Mais pormenores emMontecino (2018).

INICIATIVAS PARA MODERNIZAÇÃO A UNIFICAÇÃO DOS SISTEMAS VERTICAIS

Aspectos em destaque

Principais Bacias Hidrográficas da América do Sul

Deformações nas Estruturas Geodésicas Verticais na América do Sul com base em observações GPS e GRACE

Fonte: Montecino (2018)

Deformações nas Estruturas Geodésicas Verticais na América do Sul com base em observações GPS e GRACE

VARIAÇÕES PERMANENTES: Velocidades lineares da altitudes elipsoidais (esquerdo) derivadas do GPS e das altitudes geoidais (direito) derivadas do GRACE

Fonte: Montecino (2018)

• As deformações verticais alcançam magnitude que superam a tolerância(~1 cm) para a manutenção de um SVR moderno;

• As variações h expressam grande parte das variações H → h >> N;

• As variações espaço-temporais no geoide são dominadas pelo ciclo hidrológicoe os maiores valores concentram-se nas bacias hidrográficas do Amazonas, doTocantins, e do Paraná.

• As deformações verticais espaço-temporais da superfície topográfica sãodominados pela atividade tectônica na Região de subducção das placas deNazca e Sul Americana, e pelo ciclo hidrológico nas bacias hidrográficas doAmazonas, do Tocantins e do Paraná.

Deformações nas Estruturas Geodésicas Verticais na América do Sul com base em observações GPS e GRACE

Fonte: Montecino (2018)

Os requisitos mais modernos do GGOS/IHRS não são imediatamente aplicáveispara estabelecer o SVRS:

• Em geral, pouca disponibilidade de dados de nivelamento e gravimétricos e umaligação adequada das RVRNs com as estações SIRGAS-CON;

• Diferentes estratégias para aquisição e processamento de dados e para amodelagem de erros e distorções espaço-temporais;

• Desconhecimento das discrepâncias entre os RVRNs devido à efeitos indiretosdos Data Verticais, distorções internas e tempos de referência das RVRNs.

• Gravimetria (interpolada ou observada in-situ) + desníveis observados +GNSS/NIV;

• Padronização de bases nacionais no espaço geopotencial: ajuste de númerosgeopotenciais (sistema de maré-média) por área de dados verticais para gerarec. normal livre;

• Consideração de aspectos cinemáticos.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Aspectos dos SVRNS e RVRNS no contexto SIRGAS

Estratégias de SIRGAS – GTIII relativas ao SVRS e RVRS

Fonte: De Freitas (2015)

Referências• DE FREITAS, S. SIRGAS-WGIII activities for unifying height systems in Latin America. Revista Cartográfica 91 .

Received May 10, 2015; accepted August 16, 2015.

• IHDE J., SÁNCHEZ L., BARZAGHI R., DREWES H., FOERSTE CH., GRUBERT., LIEBSCH G., MARTI U., PAIL R., SIDERIS M.:Definition and proposed realization of the International Height Reference System (IHRS). Surveys in Geophysics, 38(3), 549-570, 10.1007/s10712-017-9409-3, 2017

• MONTECINO, H. Avaliação das variações temporais nos sistemas de referência verticais na américa do sul baseada em observações GPS e GRACE. Curitiba 2018.

• PLAG H.-P. & M. PEARLMAN (eds.), 2009. Global Geodetic Observing System, Springer, pp. 4

• SÁNCHEZ, L. SIRGAS-GTIII: Datum Vertical Reporte2005. ReuniónSIRGAS 2005 Caracas, noviembre17 y 18 de 2005.

• SÁNCHEZ, IAG/GGOS Split Meeting WG 0.1.2 on the Strategy for the Realization of the IHRS,Thessalonic, Greece, September 2016.

• SANTACRUZ, A. INVENTARIO EN VISTA DE LOS TÉRMINOS DE REFERENCIA DE SIRGAS/IAG/GGOS. 2015.

• http://www.iag.org

• http://gfdl.noaa.gov

• http://www.ggos.org

• http://ggim.un.org/UN_GGIM_wg1.html

• IAG News Letter August 2017

• http://www.sirgas.org

MUITO OBRIGADO!

AGRADECIMENTOS:

• Ao CNPq pelo apoio PQ processo 306936/2015-1.• À Secretaria Nacional de Educação Superior Ciência, Tecnologia e Inovação

(SENESCYT) do Equador pela bolsa de estudos de Andrea Santacruz.• À Universidad de Concepción – Chile.