Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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1 Diagnóstico preliminar da Rede GNSS local da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), campus Santa Mônica: realidade atual e perspectivas futuras no contexto das ciências geodésicas Maria Lígia Chuerubim 1 Plínia Guedes Gomes 1 Ana Carolina Gonzaga Pires 1 Lorena Araújo Silva 1 Stephanie Cristina Matos 1 1 Universidade Federal de Uberlândia UFU/FECIV Caixa Postal Uberlândia - MG, Brasil marialigia@feciv.ufu.br plinia_guedes@hotmail.com anacarolina.g.p@hotmail.com araujo.lorena.s@gmail.com stephaniecmatos@gmail.com Abstract. This paper describes the methodology of analysis quality of network Global Navigation Satellite Systems (GNSS) local of Federal University Uberlândia (UFU), Santa Mônica campus, as well as research and investments derived from this research project. Therefore, procedures are described practical field aiming to analyze the feasibility of using these stations on research involving knowledge and topographic surveying and monitoring of engineering works, among others. Through the obtained results, diagnosed that the network GNSS location of UFU has 6 year old and the 30 stations that initially implanted, only 17 are in a position of use, since lack of use and the lack of community UFU most points were removed from the site or relocated wrongly, mainly due to the expansion project of the campus. With the adjustment of the data processing and Global Positioning System (GPS) was found accuracies of seasons varies the order of millimeters to a few centimeters, reaching higher values for the components of the altimetric stations and landmarks located in forested regions and near building, by virtue of accuracy degradation with increasing cycle losses due to the effect of multipath and the obstruction of the signal. Palavras-chave: Redes geodésicas, Rede GNSS local da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), GNSS, GPS. 1. Introdução Atualmente, todos os trabalhos realizados em território nacional voltados ao desenvolvimento de pesquisas científicas ou às atividades práticas que necessitem de informações espaciais associadas ao conhecimento da forma da Terra e suas dimensões como, por exemplo, posicionamento, mapeamento e obras de engenharia, são executados no país por meio do apoio geodésico oferecido pelas estações que fazem parte da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). A RBMC compreende as redes altimétrica, planimétrica e gravimétrica do Brasil, sendo que as coordenadas geodésicas das estações estão vinculadas ao Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) cujo referencial oficial é o Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas (SIRGAS2000), na época de referência 2000,4. Estas estações fornecem dados diários e contínuos disponibilizados gratuitamente pelo IBGE no endereço ftp://geoftp.ibge.gov.br/rbmc/dados, no formato Receiver Independent Exchange Format (RINEX). Neste contexto, a participação de organizações responsáveis por atividades que contemplam ciência, tecnologia, implantação, processamento e análises de redes geodésicas GNSS, bem como o desenvolvimento de produtos como a Universidade Federal de Uberlândia (UFU), em especial da Faculdade de Engenharia Civil (FECIV), é de essencial 4799

2 contribuição ao desenvolvimento de pesquisas nas mais diversas áreas das Geociências e, em especial, em um país de extensão continental como o Brasil. Atualmente, a UFU/FECIV administra a estação MGUB (Uberlândia/MG) da RBMC e fornece apoio ao IBGE no que se refere a suporte e demais atividades da estação UBER localizada no mesmo município e administrada pela Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG). Além disso, a FECIV vem contribuindo com a comunidade geodésica por meio do processo de materialização e densificação da rede GNSS local da UFU, campus Santa Mônica, com aproximadamente 17 estações passivas. Dentre estas estações tem-se o vértice de centragem forçada IBGE93618, cujas coordenadas foram homologadas do IBGE. As estações da rede GNSS local da UFU foram materializadas de acordo com a Norma de Padronização de Marcos Geodésicos do IBGE (IBGE, 2008). Essa norma compreende as instruções para a monumentação dos marcos e pilares das estações que compõem o SGB, fornecendo instruções sobre as etapas de construção, manutenção, reconstrução e reparo destes marcos (IBGE, 2008). A materialização das estações seguiu as recomendações da norma que especifica que este processo possa ser realizado de três formas: chapa cravada em superfície estável já existente no local; marco ou pilar de concreto com chapa embutida no seu topo; e pilar de concreto com dispositivo de centragem forçada embutida no topo e chapa cravada na lateral. Em todos estes casos, a estação geodésica deve ser identificada por meio de legendas estampadas nas chapas (IBGE, 2008). A etapa que compreende a materialização é de extrema relevância na fase de um projeto que envolve, em especial, a implantação de redes geodésicas (MONICO, 2008; CHUERUBIM, 2009). Portanto, a escolha do local em que se deseja instalar um marco deve ser feita com muito critério de forma a assegurar sua permanência ao longo de muitos anos, obedecendo, por exemplo, o plano diretor de uma cidade, afloramentos rochosos de grande porte (afastados ou a beira da estrada), base de grandes monumentos, soleiras de igrejas ou edifícios públicos, dentre outros (IBGE, 2008). Em áreas urbanizadas deve-se dar preferência ao adensamento do SGB por meio de chapas cravadas, uma vez que estes locais oferecem maiores chances de preservação das estações. Sendo assim, para as estações da rede GNSS local da UFU, utilizaram-se as três formas de materialização. No caso dos marcos ou pilares de concreto, utilizaram-se corpos de prova cedidos pelo Laboratório de Estruturas da FECIV. Desta forma, estes marcos foram materializados no solo e, posteriormente, tiveram cravadas em seu topo as chapas metálicas por meio de resinas específicas como recomenda a norma (IBGE, 2008). Este trabalho encontra-se inserido em um Projeto de Pesquisa aprovado junto à Pró- Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação (PROPP) da UFU, referente ao Edital N 004/2012, e tem por objetivo estabelecer uma metodologia de integração e densificação de redes GNSS locais na UFU, campus Santa Mônica, com o intuito de manter uma rede geodésica interna que sirva de suporte às pesquisas, atividades de extensão e aulas práticas desenvolvidas no campus. Além disso, visa integrar essa solução local no contexto de uma solução regional para o Brasil, com base na utilização de dados das estações da RBMC, vinculando esta rede ao SGB e contribuindo à manutenção e densificação da rede SIRGAS na América do Sul. Neste contexto, este artigo apresenta os resultados preliminares derivados do diagnóstico da rede GNSS local da UFU e do processamento e ajustamento dos dados GPS obtidos com o rastreio das estações por meio de receptores GPS de simples frequência em três campanhas diferentes, com o intuito de se avaliar as coordenadas das estações e as suas respectivas precisões, bem como a viabilidade da utilização destas estações em projetos de pesquisa e extensão. 4800

3 2 Metodologia Nesta metodologia, inicialmente, avaliou-se a qualidade da rede GNSS UFU local préexistente, verificando a viabilidade da utilização destes marcos nesta pesquisa. Nesta etapa, foi verificado o estado de conversação dos marcos e se os mesmos tinham sido realocados ou removidos. Posteriormente, os marcos selecionados com base em seu critério de conservação e localização foram reocupados por meio do rastreio com receptores Global Positioning System (GPS) modelo Promark2 de simples frequência da ASHTECH, em três dias siderais distintos e em diferentes intervalos do dia, com duração mínima de 30 minutos, visando avaliar a influência dos erros inerentes ao multicaminho local, ionosfera, troposfera, entre outros, como ilustram as Figuras 2 e 3. Figura 1. Rastreio das estações da rede GNSS local da UFU. Figura 2. Marco geodésico da rede GNSS local da UFU identificado por uma chapa metálica. Nesta fase, os dados GPS da rede local e os arquivos RINEX da estação MGUB, bem como as órbitas precisas e os parâmetros de calibração absoluta, foram processados e ajustados com o software de processamento e ajustamento de dados GNSS Topcon Tools versão 8.2, obtendo-se as coordenadas das estações e suas respectivas precisões. Estes dados, posteriormente, foram comparados com as informações já existentes desta rede e identificados junto aos descritivos do Laboratório de Topografia da FECIV, como forma de verificar a confiabilidade das coordenadas das estações e eventuais pontos realocados. Feita a análise da rede realizou-se a implantação estratégica de novos marcos geodésicos, ou seja, o adensamento da rede GNSS local da UFU, considerando-se o plano de expansão do campus Santa Mônica. Para tanto, foram utilizadas formas de materialização recomendadas pelo IBGE como chapas metálicas cravadas diretamente em superfícies estáveis e em marcos de concreto fincados em solo, como ilustram as Figuras 4 e

4 Figura 4. Modelo de marco de concreto implantados no campus Santa Mônica. Figura 5. Chapa metálica fixada sobre os marcos com resinas. Os novos marcos serão rastreados na segunda etapa do projeto de pesquisa, e seus dados e os arquivos RINEX da estação MGUB, serão processados e ajustados, obtendo-se as coordenadas das novas estações. Foram implantados nesta fase mais de 20 marcos e chapas metálicas. Também na segunda fase do projeto, será feita a integração da rede pré-existente com as novas estações implantadas, com base na ocupação de estações de conexão (pertencentes à rede antiga) e estações da RBMC como a MGUB, com base no processamento, ajustamento e estimativa das coordenadas de todas as estações envolvidas. Finalmente, será feita a tabulação e análise dos resultados obtidos, o que permitirá identificar a consistência, a acurácia e a confiabilidade da metodologia proposta, contribuindo a obtenção de séries temporais, por meio das quais é possível identificar efeitos sazonais e locais, o que viabilizará a utilização desta rede em pesquisas, aulas práticas e trabalhos de extensão. 3 Experimentos e resultados preliminares Inicialmente, realizou-se o diagnóstico da rede GNSS local pré-existente na UFU, campus Santa Mônica. Verificou-se, que a rede foi implantada há aproximadamente 6 anos e que sofreu alterações e degradações em função do plano de expansão do campus e pela falta de informação dos servidores, que arrancavam os marcos implantados mesmo com o aviso de protegido por Lei presente nas placas cravadas sobre os mesmos, como ilustra a Figura 6. Figura 6. Marco da rede GNSS local UFU removido. 4802

5 Verificou-se que das 30 estações implantadas há seis anos somente 17 foram localizadas e encontram-se em condições para serem reutilizadas e fazerem parte do projeto de integração e densificação de redes geodésicas locais. As estações da rede GNSS local da UFU selecionadas foram CIV1, CIV2, CIV3, CIV5, CIV6, FECIV1, FECIV2, FECIV3, FECIV4, FECIV8, FECIV10, FECIV13, FECIV14, FECIV17, FECIV19, FECIV20 e IBGE93618 e encontram-se ilustradas na Figura 7. Figura 7. Rede GNSS local da UFU, campus Santa Mônica. Fonte: Google Earth (2012). Das estações ilustradas na Figura 7 verificou-se que algumas foram realocadas e suas coordenadas não foram alteradas nos descritivos da FECIV como, por exemplo, a estação FECIV2. Por esta razão, as 17 estações selecionadas foram reocupadas em três épocas distintas e em diferentes intervalos do dia com uma duração de rastreio de 30 minutos aplicando-se o método de posicionamento relativo. Adotou-se a altura de 2 metros como padrão para todos os pontos, visando minimizar a influência do multicaminho local. Os resultados obtidos com o software Topcon Tools, resultaram na estimativa das coordenadas e precisões das 17 estações pertencentes à rede GNSS local da UFU, obtidas em três épocas distintas e em diferentes intervalos do dia. Nesta etapa, as coordenadas da estação MGUB foram estimadas com injunções relativas na etapa de combinação das equações normais pelo módulo de ajustamento com adição de novas observações (GEMAEL, 1994). As coordenadas e precisões das estações em SIRGAS2000 como ilustra a Tabela

6 Tabela 1. Coordenadas e respectivas precisões obtidas após o rastreio e ajustamento das estações da rede GNSS local da UFU em SIRGAS2000 (época 2000,4). Coordenadas Geodésicas das estações da Rede GNSS local UFU (SIRGAS 2000,4) Altitude σ λ (m) Geométrica Estação Latitude (φ) σ φ (m) Longitude (λ) (h) σ h (m) CIV '04,82934"S 0, '18,93878"W 0, ,078 m 0,014 CIV '07,44485"S 0, '18,32384"W 0, ,65 m 0,005 CIV '07,62058"S 0, '20,33917"W 0, ,904 m 0,006 CIV '05,69046"S 0, '22,30829"W 0, ,949 m 0,003 CIV '02,55437"S 0, '22,82877"W 0, ,341 m 0,012 FECIV '07,95383"S 0, '26,11376"W 0, ,044 m 0,005 FECIV '03,45413"S 0, '27,01196"W 0, ,021 m 0,014 FECIV '02,78438"S 0, '22,73563"W 0, ,585 m 0,006 FECIV '02,07531"S 0, '19,56998"W 0, ,437 m 0,008 FECIV '07,63344"S 0, '22,23196"W 0, ,706 m 0,038 FECIV '08,96679"S 0, '31,27476"W 0, ,597 m 0,005 FECIV '11,65786"S 0, '29,86662"W 0, ,251 m 0,004 FECIV '12,88945"S 0, '34,50328"W 0, ,973 m 0,269 FECIV '13,52208"S 0, '37,41100"W 0, ,036 m 0,002 FECIV '14,27437"S 0, '43,28612"W 0, ,912 m 0,010 FECIV '45,04423"S 0, '50,81412"W 0, ,415 m 0,002 IBGE ,74641 S 0, ,57903 W 0, ,165 m 0,000 Verifica-se por meio da Tabela 1 que as precisões obtidas variam da ordem milimétrica a centimétrica. Ressalta-se que as piores precisões foram observadas para as estações localizadas próximas edificações e localizadas sob densa cobertura vegetal, fatores que contribuem para a obstrução do sinal, ou seja, as perdas de ciclo e também ao efeito do multicaminho. Com o intuito de facilitar a interpretação dos erros encontrados para as componentes planimétricas (latitude e longitude) e altimétrica, gerou-se o Gráfico 1, em que se verifica a precisão em metros para cada componente das estações da rede GNSS local da UFU: 4804

7 Gráfico 1. Erros para as componentes planimétricas e altimétricas das estações da rede GNSS local da UFU. Verifica-se por meio do Gráfico 1 que o nível de precisão obtida para as estações rastreadas para a componente Leste (E) foi de ordem milimétrica para a maioria das estações, com exceção das estações CIV1, FECIV2, FECIV8 e FECIV14 em que os valores foram da ordem centimétrica. Ressalta-se, contudo, que estas estações se localizam em regiões muito arborizadas e próximas a várias edificações, o que consequentemente acarreta erros sistemáticos em razão principalmente do multicaminho local. Um comportamento semelhante foi observado para a componente Norte (N) das estações, em que as maiores discrepâncias foram encontradas para as estações, excetuando-se as estações CIV1, FECIV8 e FECIV14. Para a componente Vertical (Up), como já previsto, os erros foram maiores atingindo valores centimétricos para as estações CIV1, CIV6, FECIV2, FECIV8, FECIV14 e FECIV19. Observa-se, que embora algumas estações apresentem valores mais discrepantes, em sua maioria a magnitude destas discrepâncias varia em média em torno de 1 cm para as componentes Este e 2 cm para Norte, enquanto que para a componente vertical é em média de 3 cm. 5 Conclusões e considerações finais Com base nos experimentos realizados neste trabalho constatou-se a deficiência da rede GNSS local da UFU, campus Santa Mônica, bem como a necessidade da densificação da mesma, de forma a contribuir efetivamente ao desenvolvimento das atividades de ensino, pesquisa e extensão. Embora sejam constatadas inúmeras limitações, vários trabalhos têm sido desenvolvidos com recursos financeiros oriundos do projeto de pesquisa intitulado Integração e densificação de redes GNSS locais na UFU, campus Santa Mônica aprovado junto à PROPP da UFU. Além disso, destaca-se o apoio efetivo da FECIV em termos de recursos humanos e equipamentos. Em decorrência deste projeto, a FECIV aprovou a compra de 3 receptores GPS de simples frequência, que serão utilizados tanto no desenvolvimento desta pesquisa como em atividades de ensino e extensão. Ademais, com base neste projeto estão sendo desenvolvidas pesquisas 4805

8 na área de posicionamento geodésico, integração de Topografia e Geodésia e monitoramento de obras de engenharia. Verifica-se, portanto, que embora o projeto ainda esteja com resultados preliminares, por meio deste foi possível à captação de recursos que posteriormente serão doados a própria instituição, bem como a mobilização e conscientização de pesquisadores e alunos para a manutenção e densificação desta rede. Agradecimento Agradecimentos especiais a Faculdade de Engenharia Civil (FECIV) da Universidade Federal de Uberlândia, campus Santa Mônica, por ter fornecido os equipamentos necessários à realização deste trabalho, e à Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação (PROPP) da UFU pela aprovação do Projeto de Pesquisa junto Edital N 004/2012 e pelos recursos financeiros destinados ao desenvolvimento desta pesquisa junto ao Edital, referente ao Edital N 004/2012. Referências Bibliográficas Chuerubim; M. L. Integração de rede GNSS locais ao SIRGAS p. Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente Gemael, C. Ajustamento de observações: aplicações à Geodésia. Curitiba: UFPR, p. Google Earth Imagens GEOEYE da rede GNSS local da UFU, campus Santa Mônica, localiza na cidade de Uberlândia-MG referentes ao ano de Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Padronização de marcos geodésicos. Diretoria de Geociências (DGC) e Coordenação de Geodésia (CGED). Rio de Janeiro: IBGE, Monico, J. F. G. Posicionamento pelo GNSS: Descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora UNESP, p. 4806