programa sirbat/gps: desenvolvimento de um aplica-...

II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, 24-27 de julho de 2007

V Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas ISSN 1981-6251, p. 810-818

A. M. Ramos; C. P. Krueger

PROGRAMA SIRBAT/GPS: DESENVOLVIMENTO DE UM APLICA-TIVO COMPUTACIONAL PARA PROCESSAMENTO DE REDUÇÕES

DE SONDAGENS BATIMÉTRICAS POR GPS

ALEXANDRE MOREIRA RAMOS1,2

CLÁUDIA PEREIRA KRUEGER1

1Universidade Federal do Paraná - UFPR

Setor de Ciências da Terra Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas - CPGCG, Curitiba - PR

{moreira.ramos, ckrueger}@ufpr.br

2Centro de Hidrografia da Marinha – CHM Superintendência de Segurança da Navegação

Divisão de Levantamentos - Seção de Geodésia, Niterói – RJ [email protected]

RESUMO – O constante advento das técnicas GNSS de posicionamento possibilitou a obtenção de acu-rácias decimétricas nas soluções de posição, abrindo possibilidade para o controle vertical de levantamen-tos hidrográficos através de técnicas GPS diferenciais precisas. Acompanhando esta tendência mundial, é apresentada uma alternativa para a aplicação da metodologia de reduções batimétricas GPS, de forma i-nédita no Brasil. O programa SIRBAT/GPS, desenvolvido na plataforma Delphi e banco de dados Para-dox, processa as altitudes elipsoidais, observadas durante a execução do levantamento batimétrico, para geração de correções de marés, que são aplicadas às sondagens para obtenção das profundidades reduzi-das ao Datum vertical das Cartas Náuticas Nacionais (MLWS). A grande contribuição do programa é per-mitir a estimativa de qualidade da batimetria, muitas vezes não acessível de forma muito clara pelos pro-gramas hidrográficos comerciais. São apresentados os resultados disponibilizados pelo programa para um bloco de sondagem de aproximadamente 9 km2, demonstrando toda a potencialidade da metodologia GPS de reduções batimétricas, que tem como principal contribuição a possibilidade da realização de trabalhos de batimetria sem a necessidade de observações maregráficas simultâneas aos levantamentos em campo. ABSTRACT - The constant advent of GNSS positioning techniques made possible the attainment of near decimeter accuracies in the position solutions, opening possibility for the vertical control of hydrographic surveys through precise differential GPS techniques. Following this world-wide trend, an alternative for the application of the GPS bathymetric reduction methodology , is presented for the first time in Brazil. SIRBAT/GPS software, developed in the Delphi platform and Paradox database, processes the ellipsoidals heights, observed during the carrying of bathymetric survey, for generation of tides corrections, that are applied to the soundings for attainment of the depths reduce-of to the vertical Datum of the national Nautical Charts (MLWS). The great goal of the software is to allow the estimate of quality of the bathymetry, many times not accessible or very clear form for commercial hydrographic softwares. The software generated results for a sounding block of approximately 9 km2 are presented, demonstrating to all the potentiality of GPS methodology of bathymetric reductions, that has as main contribution the possibility of the accomplishment of bathymetrics surveys without the necessity of the accomplishment of simultaneous tidal observations during surveys in field.

1 INTRODUÇÃO

Os levantamentos batimétricos modernos depen-dem da integração e alinhamento adequado entre os sen-sores empregados (posicionamento, acústicos e inerciais), de modo a garantir o máximo desempenho e proporcionar a qualidade adequada aos padrões exigidos pela IHO (International Hydrographic Organization). Atualmente

esta integração é executada através dos programas hidro-gráficos de aquisição automática, que envolvem desde a etapa de planejamento, aquisição dos dados, processa-mento e elaboração de produtos (mapas, modelos 3D, etc). A evolução dos métodos diferenciais GPS, sobre-tudo com o surgimento da técnica RTK, permitiu o pro-cessamento das correções de marés a partir da tendência de variação das altitudes elipsoidais precisas, fornecidas


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por estes sistemas. As correções de marés são necessárias para referenciar as sondagens coletadas em campo, a um determinado nível de referência.

Apesar da metodologia de reduções batimétricas por GPS estar sendo empregada por alguns serviços hi-drográficos desde 1996, este trabalho apresenta uma al-ternativa para sua aplicação, pela primeira vez no nosso país.

O principal objetivo é apresentar o programa SIRBAT/GPS (Sistema de Reduções Batimétricas por GPS), desenvolvido no intuito de facilitar a pesquisa científica da aplicação das reduções batimétricas através das técnicas GPS diferenciais precisas. Apesar dos pro-gramas hidrográficos comerciais contemplarem esta me-todologia, não é possível o controle das etapas de proces-samento. O SIRBAT/GPS permite, além da geração e aplicação das correções de marés GPS, análise de quali-dade das correções de marés e das profundidades reduzi-das obtidas com este método.

Foram analisadas as correções GPS geradas a par-tir da tendência de variação das altitudes elipsoidais for-necidas pelos sistemas RTK Trimble 7400 e FlexPak, além do sistema RTG (Real Time GIPSY), empregado pela primeira vez em levantamentos hidrográficos no Brasil para controle vertical. 2 REDUÇÕES BATIMÉTRICAS Profundidade é o valor real da distância vertical entre um determinado nível da água e o fundo do mar (IHO, 1994). No caso das Cartas Náuticas, este nível da água é denominado Nível de Redução (NR). A sondagem corresponde a uma medida, geralmente tomada por algum método acústico, do valor da profundidade. Portanto de-vem ser acrescidas à sondagem várias correções (instru-mentais, de posição do transdutor, atitude da embarcação e ambientais) a fim de se obter a profundidade local com o menor erro possível. As reduções batimétricas corres-pondem às correções ambientais dos efeitos de marés, com a finalidade de referir as sondagens ao NR (DHN, 1998). As correções de marés convencionais, doravante denominadas T1, correspondem à variação temporal da coluna d’água sobre o nível de referência, tomadas a partir de uma estação maregráfica (Figura 1). Pelo método convencional a profundidade reduzi-da (Pr) é dada por:

DtTtPP mr −−= )()( 1 (1)

onde: Pm(t) sondagem no instante t; T1(t) correção de maré no instante t, tomada em uma

estação maregráfica de referência; e D calado e suas variações dinâmicas, tanto em

função das condições de peso da embarcação, quanto aos efeitos hidrodinâmicos entre a água e o casco em função da velocidade de desloca-mento.

Figura 1 – Correções de Marés Convencionais (T1) Em função das altas precisões obtidas pelas técni-cas GNSS diferenciais atuais (RTK/RTG) a variação da altitude elipsoidal da antena GPS, a bordo da embarcação de sondagem, está altamente correlacionada com o efeito de maré, podendo até substituir as observações maregráfi-cas costeiras. Isto dá origem às correções de marés GPS (Figura 2), doravante denominadas T2.

Figura 2 - Correções de Marés GPS (T2) Pelo método GPS a profundidade reduzida é dada por:

DtTtPP mr −−= )()( 2 (2)

sendo:

DathtT iRTK +−−= β)()(2 (3)

onde:

hRTK(t) altitude elipsoidal da antena GPS, coletada durante o levantamento;

ai altura da antena GPS em relação ao referen-cial da embarcação, normalmente a linha d’água estática;

β distância vertical entre o NR e o elipsóide de




referência, dada pela expressão:

)()( 00 ZSdrh −++−=β (4)

onde:

h altitude elipsoidal de uma RN da estação mare-gráfica de referência;

r comprimento da régua; d Desnível entre a régua e a RN; S0 Altura do NMM na estação maregráfica; Z0 alturas dos NR abaixo do NMM nas estações

maregráficas. As maiores fontes de erros presentes na profundi-dade reduzida são oriundas do processo de redução de marés e correções de atitude. Isto ocorre muitas vezes porque estes efeitos, sobretudo o efeito heave, são medi-dos de forma independente, o que gera imprecisão na etapa de pós-processamento, uma vez que, na prática, estes efeitos estão combinados no nível do mar para um determinado instante (SCARFE,2002). Tipicamente os erros em função das correções de marés chegam a 10 cm, para levantamentos de Ordem Especial, e de 20 a 30 cm em levantamentos de Primeira Ordem (NORDEN et al.,2005). As precisões das correções de maré podem ser melhoradas com a aplicação da técnica RTK (USACE, 2004), uma vez que as observações maregráficas serão substituídas pela variação das altitudes elipsoidais da antena. Há também uma minimização dos erros de arre-dondamento do DRP (Diagrama de Redução de Profundi-dades) e cotidais, já que as altitudes elipsoidais represen-tam a oscilação de maré no local exato do levantamento. REMONDI et al. (1992) dizia que as correções de marés em tempo real empregando solução OTF eram possíveis. Medidas de marés pela técnica RTK também foram investigadas por KIELLAND e HAGGLUND (1995) e DE LOACH (1995). ASHKENAZI et al. (1990) também investigaram o uso do GPS para observação de maré, porém no contexto de estações maregráficas de longo período. A determinação da separação vertical entre o NR local e o elipsóide de referência é o que permite a aplica-ção das correções de marés GPS, dispensando o uso de estações maregráficas na costa (IHO, 2005). Os erros cotidais, em função da divisão em subáreas de redução, são substituídos por erros associados com a determinação do relacionamento entre o elipsóide de referência e o NR local, ao longo da área (WONG et al., 2000). A separação entre WGS-84 G1150 e NR tem sido refinada em todo o mundo, gerando modelos locais de separação similares aos modelos geoidais (CLARKE et al.,2005). A validação da aplicação da metodologia GPS para redução batimétrica depende de uma análise da contribui-ção de suas incertezas no modelo estatístico da determi-nação de Erro Total Propagado, porém o controle de qua-lidade realizado a posteriori, através da análise das linhas de verificação, garante a consistência dos dados coleta-dos, verificando a adequação do levantamento aos pa-drões mínimos recomendados.

O SIRBAT/GPS permite total controle do processo de redução batimétrica GPS, desde a aquisição dos dados, geração das correções T2 e análises de qualidade destas correções e das profundidades reduzidas, através do pro-cesso de linhas de verificação. Isto agrega maior clareza à pesquisa científica, isentando-a dos processos empregados pelos programas comerciais, muitas vezes não especifica-dos em seus manuais. 2.1 Diagramas de Redução de Profundidade (DRP) Em processos clássicos de redução batimétrica, o intervalo de amostragem das profundidades medidas pelo ecobatímetro é da ordem de segundos, enquanto o interva-lo de amostragem necessário para registrar variações perceptíveis na altura da maré é da ordem de dezena de minutos. Sendo assim, agrupam-se as correções de sonda-gem em torno de valores médios, para um determinado intervalo de tempo, de acordo com a precisão necessária para cada tipo de levantamento. Os intervalos são defini-dos em função da forma da curva de maré observada. Desta forma são gerados os Diagramas de Redução de Profundidades (DRP), conforme a Figura 3, ao final de cada dia de sondagem, a partir das leituras coletadas na estação maregráfica. A DHN adota um critério que des-preza as frações correspondentes até 1/4 da unidade de correção utilizada, de modo que o erro máximo da redu-ção não seja superior ao decímetro (DHN, 1998).

Figura 3 - Diagrama de Redução de Profundidades (DRP) Os erros de arredondamentos, inseridos pelos DRP, são eliminados da profundidade reduzida gerada pelo SIRBAT/GPS, uma vez que as correções T2 são calculadas por modelos matemáticos para o instante exato em que foi observada a sondagem. 3 SISTEMA DE REDUÇÕES BATIMÉTRICAS GPS (SIRBAT/GPS) O programa SIRBAT/GPS, cujo menu principal é apresentada na Figura 4, foi desenvolvido na plataforma Borland Delphi 4, empregando um banco de dados Para-dox. Composto por 12 diferentes formulários, com apro-ximadamente 6800 linhas de programação Turbo Pascal, o programa permite gerenciar todas as etapas da metodo-




logia de reduções batimétricas por GPS, inclusive a análi-se de qualidade das correções de marés GPS geradas e das profundidades reduzidas obtidas.

Figura 4 - Menu Principal do SIRBAT/GPS As principais operações realizadas pelo programa são: a) cálculo da altura da antena GPS (RTK ou RTG) em relação à linha d’água média da embarcação de sonda-gem, durante o período de observação, de acordo com o processo proposto por Goldan (1994); b) cálculo das correções de marés GPS a partir das altitu-des elipsoidais contidas nas mensagens NMEA disponibi-lizadas pelos receptores, gravadas diretamente por pro-gramas de comunicação, como HyperTerminal, ou através dos arquivos brutos (*.RAW) gerados pelo programa HYPACK, durante os levantamentos hidrográficos; c) análise de qualidade das correções de marés GPS, obti-das pela tendência da variação temporal das altitudes elipsoidais das antenas GPS, instaladas a bordo da embar-cação de sondagem; d) estimativa da qualidade das profundidades reduzidas, através do processo de análise das linhas de verificação; e e) exportação de dados em formatos ASCII e planilhas do Microsoft Excel. Foi necessária a compatibilização do SIRBAT/GPS com os dados do programa HYPACK porque este último tem sido empregado nos levantamen-tos realizados pela DHN, para o planejamento e aquisição de dados. 3.1 Dados de Entrada A primeira etapa do processamento das correções de marés GPS é a alimentação do banco de dados com as informações coletadas em campo, através das seguintes opções do menu Dados (Figura 5): a) Altitudes Elipsoidais: entrada de arquivos no formato ASCII, contendo as mensagens NMEA transmitidas pelos receptores GPS, e gravadas diretamente através de pro-gramas de comunicação do tipo HyperTerminal; ou b) Dados RAW: entrada dos arquivos brutos HYPACK (*.RAW), em formato ASCII, gravados durante a execu-ção dos levantamentos hidrográficos. Estes arquivos con-têm as mensagens NMEA habilitadas no receptor. O programa também pode trabalhar diretamente com os arquivos editados, através do módulo Single Beam

Editor do programa HYPACK (opção de entrada Dados Editados, da Figura 5). Normalmente os arquivos edita-dos sofreram correções para alinhamento entre os senso-res (offsets e latência), de atitude da embarcação, profun-didade do transdutor, velocidades de propagação do som na água e redução dos efeitos de marés.

Figura 5 - Entrada de Dados no SIRBAT/GPS A opção Coordenadas de Referência (Figura 5) permite a entrada de arquivos, no formato ASCII, conten-do as coordenadas de referência, geradas a partir de um posicionamento relativo cinemático das observações bru-tas GPS, realizado a priori., empregadas para a estimativa da acurácia horizontal e vertical dos receptores GPS. Os submenus Marés *.TDX e Componentes Harmônicas não foram desenvolvidos para este trabalho. 3.2 Maregramas GPS O próximo passo é a geração do maregrama GPS, de acordo com as variações temporais das altitudes elip-soidais da antena GPS, previamente carregadas no banco de dados. O programa extrai das mensagens NMEA GGA as altitudes elipsoidais associadas ao instante de tempo contido nas mensagens NMEA ZDA do receptor. O maregrama GPS é carregado através do subme-nu Marés RTG/RTK do menu Maregrama, conforme apresentado na Figura 6. É solicitado ao usuário que sele-cione uma taxa de amostragem das altitudes elipsoidais para geração do maregrama GPS. Esta taxa deverá ser maior que o intervalo de gravação dos dados (mensagens NMEA e arquivos *.RAW), permitindo reduzir o volume de dados a serem processados. O valor de 15 segundos proporciona uma boa amostragem da tendência das altitu-des elipsoidais.

Figura 6 – Geração do maregrama GPS (RTK ou RTG) 3.3 Cálculo da Altura da Antena GPS O fator mais importante na observação de maré baseada em navios é a determinação precisa da altura da antena em relação à linha d’água da embarcação, segundo Alkan e Palancioglu (1999). Goldan (1994) apresenta um método (Figura 7) para cálculo da altura da antena em situações quando não é possível a docagem da embarcação de sondagem. A embarcação deve ser posicionada próxima a uma estação




maregráfica onde sejam conhecidas as altitudes ortométri-cas e elipsoidais de pelo menos uma RN. A altura da antena (ai), de acordo com a Figura 7, é dada pela expressão:

PNPPAHhha refrefanti +−+−= (5)

onde:

hant Altitude elipsoidal da antena GPS href Altitude elipsoidal da RN; Href Altitude ortométrica da RN; e PA leitura instantânea da régua; e PNP altura do zero da régua em relação ao geóide,

determinado a partir de nivelamento geométrico.

Figura 7 – Método de Goldan (1994) para cálculo da altura da antena GPS em relação à linha d´água da embar-cação Estes parâmetros são inseridos na tela apresentada na Figura 8. O SIRBAT/GPS realiza o cálculo da altura da antena GPS, por meio de uma média dos valores obti-dos pela expressão (5) durante um determinado período de observação, onde PA corresponde às observações ma-regráficas, inseridas através da opção Maré Observada da Figura 6, e as altitudes elipsoidais (hant) são oriundas dos maregramas GPS.

Figura 8 – Análise das correções de marés GPS e cálculo da altura da antena em relação à linha d´água da embarca-ção de sondagem.

3.4 Cálculo das correções de marés GPS (T2) O processamento do maregrama GPS para a gera-ção das correções de marés T2 é realizada através do sub-menu Correções de Maré do menu Gráficos, habilitando a tela da Figura 9, de Correções Batimétricas para o receptor selecionado na etapa de carregamento do mare-grama GPS. O exemplo da Figura 9 apresenta o maregrama GPS, a partir das altitudes elipsoidais do sistema RTK Trimble, amostradas com uma taxa de 15 segundos. São selecionadas apenas as altitudes obtidas a partir de solu-ções RTK fixas, e combinadas com a altura da antena e separação vertical WGS84 – NR, de acordo com a expres-são (3), para geração das correções de marés GPS, clican-do-se no botão Executar Gráfico.

Figura 9 - Processamento das Correções de Marés A separação vertical poderá ser constante, a partir de apenas uma estação maregráfica, ou considerando-se linear a variação do nível de redução entre duas estações maregráficas de referência. Na etapa seguinte, o programa faz um ajustamento das correções T2, através de modelos matemáticos poli-nomiais (botão AP da Figura 9) ou baseados na equação harmônica da maré (botão MMQ da Figura 9), conforme apresentado na Figura 10. Também é possível empregar uma filtragem por média móvel (botão MM da Figura 9).

Figura 10 – Correções de marés T2 geradas pelo modelo matemático da equação harmônica de maré simplificada com intervalo de 60 segundos, no período de 08h44m59s a 16h38m08s do dia 28/07/06.




A opção Grau refere-se ao grau do polinômio empregado para ajustar as correções de maré, enquanto a opção Amostras permite selecionar a quantidade de ele-mentos para filtragem de média móvel, de acordo com a taxa de amostragem do maregrama GPS. O modelo da equação harmônica de maré simplificada é dado pela expressão (RAMOS e KRUEGER, 2006):

[ ]).sin(.).cos(.)(1

0 tbtaZtY kkkk

j

k

ωω ++= ∑=

(5)

Sendo j igual a quantidade de componentes har-mônicas principais (M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1) empregadas no cálculo do nível de redução, de acordo com os critérios de Courtier (1938) e Balay (1952). O uso de modelos matemáticos permite a criação de arquivos ASCII, cujas correções podem ser geradas em intervalos de tempo definidos pelo usuário, para o período selecionado. Isto elimina as incertezas nas profundidades reduzidas decorrentes dos erros de arredondamentos dos DRP. Os arquivos de correções também podem ser em-pregados pelos programas comerciais de processamento de dados batimétricos. 3.5 Aplicação das correções de marés e análise das linhas de verificação O SIRBAT/GPS não é um programa completo de processamento de dados batimétricos, portanto é necessá-rio um pré-processamento dos dados coletados em campo para aplicações de correções de alinhamento (absoluto e relativo) entre os sensores e de velocidade do som, além da remoção de erros grosseiros nas sondagens. Assim a aplicação das correções de marés GPS se dá sobre os dados editados pelo HYPACK (arquivos *.EDT). A determinação da acurácia de dados batimétricos não é tão trivial quanto em levantamentos topográficos ou fotogramétricos, onde é possível uma redundância de dados muito maior, além da disponibilidade dos valores “verdadeiros” que podem ser obtidos por outros métodos mais precisos. Diante da dificuldade de obtenção de me-didas redundantes no mar, são realizadas linhas de verifi-cação que cruzam as linhas de sondagem regular ortogo-nalmente, a fim de se gerar um segundo conjunto de ob-servações, a partir da mesma plataforma de instrumentos, em instantes distintos. A análise das linhas de verificação é acessada através do submenu Linhas de Verificação do menu Análise de Dados, habilitando a tela apresentada na Figura 11. Nesta tela é possível efetuar a redução batimétrica, através do grupo de opções Correções de Marés e botão Redução, empregando as correções T2 calculadas anteri-ormente, por meio dos modelos matemáticos ou da filtra-gem por média móvel. Para evitar possíveis inconsistên-cias, a análises das linhas de verificação só é disponibili-zada caso os dados editados (*.EDT) e as correções de marés GPS sejam oriundas do mesmo receptor.

Figura 11 – Aplicação das correções de marés e análise das linhas de verificação. A análise poderá ser realizada a partir dos Dados Editados (mais recomendável), oriundos do processa-mento pelo programa Single Beam Editor do HYPACK, ou a partir dos Dados Brutos (*.RAW). Esta última op-ção não é muito usual, uma vez que incorpora vários erros grosseiros decorrentes do processo de aquisição dos dados em campo (e.g. latência dos dados e alinhamento absoluto dos sensores). Deve ser escolhido o tamanho do Raio de Busca, em torno do qual o programa irá considerar, para efeito de estimativa da acurácia batimétrica, as diferenças entre as profundidades reduzidas contidas nas linhas de sondagem regular e de verificação. E por fim, deve-se indicar quais são as Linhas de Sondagem Regular e as Linhas de Verificação. Ao término do processamento é apresentado um sumário estatístico, cujos índices analisados são apresen-tados na Figura 11. Os resultados podem ser gravados no banco de dados do programa, para posterior consulta, e exportados para uma planilha do Microsoft Excel. O tempo de processamento vária de acordo com o volume de dados analisados, e da capacidade computa-cional. Neste trabalho, a análise de um bloco de sonda-gem de 9 km2, em um PC comum, durou em média três horas. 4 RESULTADOS Os resultados apresentados foram gerados pelo SIRBAT/GPS, a partir dos dados coletados durante os levantamentos batimétricos realizados na Baía de Guana-bara/RJ, visando a validação da metodologia de reduções batimétricas GPS. A separação vertical entre o NR e o elipsóide de referência do sistema WGS-84 G1150 foi calculada pre-viamente, através de operações de nivelamento e posicio-namento relativo estático das referências de nível (RRNN), de altitudes ortométricas conhecidas, pertencen-tes às estações maregráficas próximas à área do levanta-mento. Todas as coordenadas das estações de referência dos sistemas RTK foram recalculadas. Maiores detalhes sobre o levantamento realizado podem ser vistos em Ra-mos (2007).




Os dados para cálculo da altura das antenas foram obtidos através das altitudes elipsoidais fornecidas nas mensagens NMEA GGA dos receptores, gravadas através do programa de comunicação HyperTerminal, empregan-do uma taxa de amostragem de 1 segundo. Estas observa-ções foram realizadas durante os períodos em que a em-barcação de sondagem permaneceu atracada próxima aos marégrafos. Neste cálculo foram consideradas apenas as altitudes oriundas de soluções fixas, ou seja, cujos valores inteiros das ambigüidades tenham sido determinados. O método de Goldan (1994) permite o cálculo da altura da antena em relação a uma linha d´água média da embarcação de sondagem. Desta forma, os resultados são diretamente proporcionais às condições de carregamento da embarcação (RAMOS, 2007), conforme pode ser ob-servado nos resultados sumarizados pela Tabela 1. As alturas das antenas GPS calculadas durante o período do levantamento foram obtidas a partir das altitu-des elipsoidais gravadas nas mensagens NMEA GGA, extraídas pelo programa SIRBAT/GPS dos arquivos de dados brutos (*.RAW), gerados pelo programa hidrográ-fico de aquisição automática HYPACK. Estas alturas foram empregadas no cálculo das correções de marés GPS, utilizadas para a determinação das profundidades reduzidas, por terem apresentado melhor qualidade, con-forme pode ser observado na Tabela 2. Tabela 1 - Alturas das Antenas, em metros, calculadas pelo SIRBAT/GPS (método de Goldan, 1994)

Rec. Dia Alt. 2σ (m) Obs. Período 26/07 7,888 0,037 11 18h50 às 20h39 27/07 7,748 0,052 19 17h20 às 20h29

28/07 7,849 0,031 24 17h38 às 21h38

Tri

mbl

e 74

00

28/07(1) 7,699 0,049 47 08h45 às 16h37 26/07 8,102 0,486 82 18h46 às 08h23 27/07 8,070 0,573 84 28/07 8,165 0,272 90 17h53 às 09h09 C

-Nav

20

50M

28/07(1) 8,174 0,257 47 08h45 às 16h36 26/07 0,311 0,014 4 18h50 às 19h30 27/07 0,160 0,152 82 17h30 às 07h10 28/07 SOLUÇÕES FIXAS INSUFICIENTES F

lex-

Pak

28/07(1) 0,076 0,067 46 08h50 às 16h30 NOTAS: Alturas calculadas a partir da separação vertical NR – elipsóide WGS-84 da estação maregráfica da Ponta da Armação (1) alturas calculadas a partir da variação das altitudes elipsoidais obser-vadas durante o levantamento batimétrico. A Tabela 2 apresenta os resultados fornecidos pelo SIRBAT/GPS da análise de qualidade das correções de marés GPS, em função das alturas das antenas GPS e da separação vertical entre NR e elipsóide associado ao sis-tema WGS-84. As correções T2 de melhor qualidade são aquelas calculadas a partir das alturas das antenas GPS determinadas durante o período da sondagem, uma vez que refletem as reais condições de carregamento da em-barcação. Isto pode ser percebido pela ausência de erros sistemáticos (diferenças médias iguais a zero) e pela me-lhor acurácia, tomada em relação às correções de marés T1, através das observações maregráficas convencionais.

Tabela 2 - Acurácia das Correções de Marés GPS em função da altura da antena GPS

Diferenças (m) Rc. Dia

Altura (m) Média Máx.

Acurácia (m)

Corre-lação

27 0,160 0,000 0,157 0,0758 0,9655 28(1) 0,076 0,000 0,062 0,0333 0,9987 Fl

exPa

k

28 0,160 0,082 -0,021 0,0891 0,9988 26 7,888 0,003 0,020 0,0223 0,9750 27 7,748 0,000 0,033 0,0259 0,9910 28 7,849 0,001 0,032 0,0168 0,9970

28(1) 7,699 0,000 0,052 0,0249 0,9986

Tri

mbl

e

28 7,828 0,129 -0,077 0,1313 0,9986 26 8,102 -0,007 0,387 0,2305 0,8360 27 8,070 -0,016 0,373 0,2426 0,7569 28 8,165 -0,004 0,229 0,1296 0,9052

28(1) 8,174 0,000 0,188 0,1284 0,9361

C-N

av

28 8,112 -0,062 0,248 0,1426 0,9360 NOTA: Acurácia estimada a partir do marégrafo da Ponta da Armação (1) valores determinados para o período do levantamento batimétrico. O método de Goldan (1994) representa um proce-dimento expedito para cálculo da altura das antenas GPS, entretanto, o mais recomendável é a adoção de referenci-ais cartesianos em diques secos, para o alinhamento preci-so entre os sensores de uma embarcação de sondagem, conforme sugere Jubanski (2005). Os gráficos da Figura 12 apresentam o comporta-mento das correções de marés T2 dos sistemas RTK Flex-Pak (Figura 12a) e RTG C-Nav (Figura 12b). No gráfico do sistema RTK FlexPak são distingüidos dois momentos distintos. No primeiro instante (a), a embarcação encon-tra-se atracada próxima a estação maregráfica, no período noturno e sem tripulação a bordo. O instante (b) corres-ponde ao período de realização do levantamento batimé-trico.

(a) sistema RTK FlexPak

(b) sistema RTG C-Nav

Figura 12 - Correções de marés T2 geradas a partir de diferentes sistemas GPS




Na Figura 12a, percebe-se inicialmente uma maior variabilidade das altitudes elipsoidais durante o levanta-mento batimétrico (período b), em função dos ruídos inseridos pelas interações hidrodinâmicas entre o casco e a superfície da água decorrente do movimento da embar-cação, efeitos meteorológicos e variações de atitude. No primeiro período de observação (a), a embarcação apre-sentava uma condição de carregamento diferente daquela encontrada durante o levantamento, justificada pela altura da antena de 0,160 m, superior ao valor de 0,076 m, obti-do durante o período de sondagem (b). Como as correções T2 do gráfico da Figura 12a foram geradas a partir da mesma altura da antena obtida para a sondagem (0,076 m), nota-se um desvio sistemático entre as corre-ções de marés GPS FlexPak no período (a) e as correções padrão fornecidas pelo marégrafo, o que já não ocorre durante a sondagem, período (b). O sistema RTG C-Nav possui uma boa precisão vertical, contudo o efeito das marés terrestres sobre o marégrafo não é percebido no receptor móvel, ocasionan-do algumas diferenças em fase e amplitude entre a ten-dência da variabilidade de suas altitudes elipsoidais em relação ao comportamento do nível do mar instantâneo descrito pelo marégrafo, conforme pode ser observado na Figura 12b. Observam-se também falhas de continuidade na variação das altitudes elipsoidais. Isto pode ser atribuí-do a um período de convergência de aproximadamente 30 minutos (BISNATH et al. 2003), ou seja, o tempo neces-sário para se obter soluções de posição precisas, a partir do instante em que se liga o receptor, ou quando é perdido o sinal INMARSAT de correção. O bloco de sondagem foi elaborado de modo a maximizar a quantidade de pontos de checagem. Desta forma, foram planejados 272 pontos de intersecção entre as linhas de sondagem nos sentido N-S e E-W, ao longo de aproximadamente 8 horas de levantamento. Para a análise, admitiu-se um raio de busca de 2 m, igual a acu-rácia horizontal recomendada pela IHO para levantamen-tos de Ordem Especial. Os índices estatísticos considerados são baseados na diferença máxima, média e desvio padrão, entre as profundidades reduzidas das linhas de sondagem regular e de verificação. O ideal é que a diferença média seja a menor possível, o que significará que os erros sistemáti-cos são mínimos. Alguns serviços hidrográficos admitem a inexistência de erros sistemáticos a partir de diferenças médias inferiores a 6 cm, porém na maioria das vezes os resultados obtidos encontram-se entre 3 cm e 1,5 cm. Contudo é necessário um número adequado de intersec-ções a fim de se garantir que esta média esteja dentro de um intervalo compatível, ao nível de confiança de 95%. Sendo assim, buscou-se um máximo de pontos de cruza-mento, utilizando todas as sondagens, coletadas a uma taxa de 1 segundo, associadas a soluções de posição fixas. O resultado desta análise, fornecido pelo SIRBAT/GPS, é então apresentado, resumidamente, na Tabela 3.

Tabela 3 - Acurácias estimadas para as profundidades reduzidas

Correção Pontos ∆dm ∆dMax RMS (95%)

T1 1164 -0,007 0,83 0,250 T2 MMQ 1164 0,029 0,87 0,259 T2 MM 1164 0,025 0,85 0,255

Tri

mbl

e

T2 AP 1164 0,058 1,50 0,279 T1 1121 -0,015 3,27 0,728 T2 MMQ 1113 0,044 3,35 0,738 T2 MM 1113 0,034 3,34 0,736

Flex

Pak

T2 AP 1113 0,048 3,36 0,737 T1 1197 -0,014 0,81 0,248 T2 MMQ 1190 -0,051 0,84 0,460 T2 MM 1190 -0,049 0,85 0,455 C

-Nav

T2 AP 1190 -0,014 0,92 0,451 NOTAS: (1) Os valores de diferença média (∆dm), diferença máxima (∆dmax) e a acurácia estimada (RMS 95%) estão em metros. (2) Os termos MMQ, MM e AP significam que as correções T2 foram ajustadas e filtradas respectivamente pelo modelo matemático da equa-ção harmônica de maré simplificada, média móvel de 5 minutos e apro-ximação polinomial (grau 8). 5 CONCLUSÕES A principal contribuição do SIRBAT/GPS é a possibilidade de, pela primeira vez, ter-se acesso às esti-mativas de qualidade de um levantamento batimétrico, de forma clara e objetiva. Em todas as etapas de geração das correções de marés, através de métodos GPS diferenciais precisos, buscou-se estimar a qualidade dos dados forne-cidos pelo programa, pela comparação com os processos convencionais. Contudo a redução batimétrica convencio-nal ainda incorpora muitas incertezas, muitas destas não mensuráveis e estimadas simplesmente pela experiência em campo. As perspectivas de aplicação da metodologia GPS para controle vertical em levantamentos hidrográficos têm crescido sobremaneira, à medida que as técnicas de posi-cionamento GNSS incorporam cada vez mais precisão, como as redes de estações de referência, através dos con-ceitos de estações de referência virtuais (VRS - Virtual

Reference Station) e MAC (Master Auxiliary Concept), que constituem a base dos padrões RTCM 3.0 (2004) e RTCM 3.1 (2006). Em 2002 foi criado o Grupo de Trabalho 4.2 “Ver-

tical Reference Frames”, dentro da Comissão 4 (Hydro-

graphy) da FIG (Fédération Internationale des

Géomètres), que vem desenvolvendo juntamente com a Comissão 5 (Positioning and Measurements) pesquisas para o estabelecimento de uma superfície de referência vertical global para Hidrografia (VRSH - Vertical Refe-

rence Surface for Hydrography), através de modelos de transformação entre os diversos data locais e um datum vertical global para Hidrografia (ADAMS, 2005). Diante desta nova realidade, o SIRBAT/GPS bus-cará desenvolver novas possibilidades, tais como o em-prego da modelagem numérica da relação entre o nível de redução e o elipsóide de referência do sistema WGS-84, que associado ao emprego de sistemas de posicionamento com correções globais (C-Nav, SeaSTAR etc), permitirá sua aplicação em extensas áreas, onde torna-se inviável a




instalação e manutenção de quaisquer estações de refe-rência. São necessárias ainda a incorporação de rotinas de tratamento de erros no programa para que possa ser dis-ponibilizado à comunidade hidrográfica. REFERÊNCIAS ADAMS, R., TS 40.2 A Vertical Reference Surface for Hydrography - Status Report 2005, FIG Working Week 2005 and GSDI-8, Cairo, 2005, Proceedings… 6 p. ALKAN, R.M.; PALANCIOGLU, H.M. Determination of Mean Sea Level with GPS on Vessel. In: Institute of Navigation GPS 99, Nashville, 1999. Proceedings… p. 1323-1330. ASHKENAZI, V., G. A. BASKER AND T. F. BAKER. Monitoring Mean Sea Level with GPS. The Hydrographic Society SP.26, HYDRO 90, Proceedings of 7th Biennial Symposium of the Hydrographic Society, Southampton, 1990. BALAY,M.A., La cote du plan, Revue Hydrographic Internationale. v. XXIV, n. 2, p. 109, 1952. BISNATH,S.; WELLS,D.; DODD,D. Evaluation of commercial carrier phased-based WADGPS services for marine applications. In: Institute of Navigation GPS/GNSS 2003, Portland, 2003. Proceedings… CLARKE, J.E.H., DARE, P., BEAUDOIN, J., BARTLETT, J. A stable vertical reference for bathymetric surveying and tidal analysis in the high Artic. U.S. Hydrographic Conference, US HYDRO 2005, 2005, San Diego. Proceedings... COURTIER, A. Marées, Service Hydrographique de la Marine, Paris, 1938. DE LOACH, S. R. GPS Tides and Datums. The Hydrographic Journal no.75, Janeiro, pp. 3-7, 1995. DIRETORIA DE HIDROGRAFIA E NAVEGAÇÃO (DHN), INSTRUÇÃO TÉCNICA H-01 – Critérios para correções a serem efetuadas nas sondagens para representação nas FB. Rio de Janeiro: Base de Hidrogra-fia da Marinha em Niterói, 1998 GOLDAN, H.-J., Tide Observations with Kinematic GPS on Ships. In: International Symposium on Marine Positioning INSMAP 94, 1994, Hannover. Proceedings INSMAP 94. Rockville: PIP PRINTING, 1994.595 p. p.585-595. International Hydrographic Organization (IHO). IHO Standards for Hydrographic Surveys. Special Publication n. 44. 4.ed. Principado de Monaco: International Hydrographic Bureau, 1998, 26 p.

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