TECNOLOGIA DA GEOGRAFIA: Comparação de instrumental técnico para levantamento elementar de pontos

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA UFPB CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA DEPARTAMENTO DE GEOCIÊNCIAS CURSO DE GEOGRAFIA ANTONIO AURÉLIO SILVA TECNOLOGIA DA GEOGRAFIA: Comparação de instrumental técnico para levantamento elementar de pontos JOÃO PESSOA -PB 2007

2 ANTONIO AURÉLIO SILVA TECNOLOGIA DA GEOGRAFIA: Comparação de instrumental técnico para levantamento elementar de pontos Monografia apresentada à Coordenação do Curso de Geografia da Universidade Federal da Paraíba, para obtenção do grau de bacharel no curso de Geografia. Orientador: Prof. Ms. Paulo Roberto de Oliveira Rosa JOÃO PESSOA -PB 2007

3 ANTONIO AURÉLIO SILVA TECNOLOGIA DA GEOGRAFIA: Comparação de instrumental técnico para levantamento elementar de pontos Aprovado em: / /. BANCA EXAMINADORA Prof. Ms. Paulo Roberto de Oliveira Rosa Orientador Prof. Dr. Ronei Marcos de Moraes Examinador Ms Pablo Rodrigues Rosa Examinador Convidado

4 Dedico este trabalho, a minha mãe (in memoriam), por sempre ter me acompanhado neste caminho, a minha esposa Maria de Fátima Nobre Nunes e meus filhos pela a ajuda e compreensão para que eu alcançasse o fim deste trabalho, meu pai Raimundo Antonio da Silva e a todos que participaram direta ou indiretamente na minha formação pessoal e profissional.

5 AGRADECIMENTOS Ao meu orientador, Prof. Ms. Paulo Roberto de Oliveira Rosa, pela a sua simplicidade e humildade em contribuir na conclusão deste trabalho, transmitindo para seus alunos, muita segurança e responsabilidade em suas práticas didáticas. À Empresa Millennium Inorgânic Chemicals Mineração Ltda e aos seus funcionários. Aos meus colegas de curso que me deram incentivos e apoio ao longo do percurso. acadêmica. A minha família, aos meus amigos e a todos que participaram da minha formação

6 Sabemos nós, enfim que o que dá o verdadeiro sentido ao encontro é a busca e que é preciso andar muito para alcançar o que está perto. (José Saramago)

7 RESUMO O uso de sistemas de posicionamento geográfico tem se difundido bastante e o alcance da população aos aparelhos autônomos de localização geográfica vêm possibilitando uma gama de versatilidades num amplo espectro de utilização. A abertura do sinal possibilitou um ganho na qualidade final de acurácia, porém, o erro ainda é grande quando se necessita de posicionamento extremamente preciso. O objetivo deste trabalho foi o de comparar em campo o resultado de coletas entre os equipamentos Garmin GPS 60CSx e um par de GPS Ashtech modelo Promark2 que opera em L1. Tendo o Promark2 trabalhado em par, sendo um a base e o outro o coletor. Considera-se ao final do experimento que levantamentos expedidos podem ser feitos com equipamentos da categoria do Garmin, que foi utilizado para a experiência, mas que levantamentos geográficos onde feições mais precisas sejam necessárias, este equipamento demanda desvios significativos em relação a posição mais precisa obtida com equipamento do tipo do Promark2. Palavras chaves: GPS, Posicionamento relativo, receptor GPS de navegação

8 ABSTRACT The use of GPS devices has spread over the world. The easiness of access to these devices by the population has created a wide range of possibilities. The openness of the signal has developed a gain in quality and accuracy, although the errors are still considerable when it comes to an extremely precise positioning. The objective of this paper is to compare in field the results achieved between the devices Garmin GPS 60CSx and a pair of GPS Ashtech model Promark2, which operates in L1. The Promark2 works in pair: one works as the base, as the other works as the collector. After the experiment we came to the conclusion that the Garmin may be used for surveys that don t need to be too precise. In cases that demand a very accurate positioning, the Promark2 is recommended, for its better results. Keywords: GPS, relative positioning, hand-held GPS receiver

9 LISTA DE QUADROS Quadro 1: Planejamento: Lista de valores de DOP Quadro 2: Planejamento: Elevação e Azimute Quadro 3: Valores dos pontos coletados em relação aos conhecidos, e diferenças entre pontos com e sem o ajuste. Todas as coordenadas em WGS84, salvo no valor da BASE que está informado em SAD69 também Quadro 4: Comparação dos valores resultantes da L1 e Garmin para os pontos de coleta Quadro 5: Diferenças entre L1 e Garmin 60Csx... 25

10 LISTA DE FIGURAS Figura 01: Detalhes do planejamento em 13/10/2006 com perspectivas para o dia da Missão Figura 02: Monografia de marcos que descreve o RN da biblioteca central Figura 03: Preparação dos equipamentos para coleta Figura 04: Adaptação para facilitar a coleta dos dados com a menor diferença no tempo possível Figura 05: Bastão do GPS base sob o marco da Estação MR Figura 06: Coleta do ponto de Controle Figura 07: Ao fundo o poste que serviu como ponto de controle, denominado de COL, e em primeiro plano o ponto BASE, cujo RN MR-66, homologado na PMJP se encontra Figura 08: Dispersão entre dados resultantes da L1 e do Garmin 60CSx sob a diferença entre coleta 1 e coleta Figura 09: Comparação do erro médio entre levantamentos do Garmin dentre o levantamento 1 e 2 e da L1dentre o levantamento 1 e Figura 10: Comparação do erro médio entre os dados obtidos pelo Garmin em relação aos dados obtidos pela L1 dos pontos coletados no levantamento

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO CONCEITUAL Limiares Diferenças MATERIAL E MÉTODOS RESULTADOS E DISCUSSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS... 30

12 12 1 INTRODUÇÃO O GPS (Global Positioning System), ou NAVSTAR-GPS (NAVigation Sattellite WithTime And Ranging) é um sistema de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América DOD (Department of Defense), com o intuito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Ele resultou da fusão de dois programas financiados pelo governo norte-americano para desenvolver um sistema de navegação de abrangência global: Timation e System 621B, sob responsabilidade da Marinha e da Força Aérea, respectivamente. Em razão da alta acurácia proporcionada pelo sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, uma grande comunidade usuária emergiu dos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas etc.) (MONICO, 2000). A maior fonte de erro no posicionamento por ponto com o GPS era devida à técnica SA (Selective Availability), desativada às 04 horas TU de 02 de maio de Essa técnica consistia da manipulação das efemérides transmitidas e desestabilização sistemática do oscilador do satélite, deteriorando as coordenadas e os relógios dos satélites para usuários que utilizavam o código C/A para obter medidas da pseudodistâncias. Nestas condições, o posicionamento instantâneo de um ponto apresentava precisão horizontal, vertical e de tempo, de 100 m, 156 m e 340 ns, respectivamente, com nível de confiança de 95%. Atualmente, com a desativação da SA melhorou-se cerca de 10 vezes a precisão do posicionamento GPS (MONICO, 2000). Os sinais GPS, no seu caminho entre o satélite e a antena da estação de rastreio, propagam-se na atmosfera dinâmica, atravessando camadas de diferentes naturezas e estados variáveis. Assim sendo, sofrem diferentes tipos de influências, que podem provocar variações na direção e velocidade de propagação, na polarização e na potência do sinal (SEEBER, 1993). Esse meio de propagação compreende, basicamente a troposfera (até 50 km) e a

13 13 ionosfera ( km), com características bem diferentes. A troposfera, para freqüências abaixo de 30 GHz, comporta-se como um meio não dispersivo, ou seja, a refração é independente da freqüência do sinal transmitido, dependendo apenas das propriedades termodinâmicas do ar. A ionosfera, como um meio dispersivo, afeta a modulação e a fase da portadora, fazendo com que sofram, respectivamente, um retardo e um avanço (Leick, 1995). O objetivo desta monografia é mostrar o uso de um GPS de navegação modelo garmin em comparação a um modelo L1 e a realização do pós-processamento dos dados obtidos. As coordenadas obtidas foram comparadas com as coordenadas verdadeiras para avaliação da acurácia obtida.

14 14 2 FUNDAMENTAÇÃO CONCEITUAL 2.1 Limiares O conceito de limiar na visão de Dolfuss significa que os fenômenos que ocorrem na natureza e na vida humana, surgem sob certas circunstâncias, e os efeitos são limitados a área de ocorrência, surgindo e desaparecendo no próprio local onde ocorreu, entretanto, é necessário que tenhamos conhecimento dos fatores que interferem nos limiares do espaço e do tempo, embora sua determinação seja constituída de algumas variáveis, é possível em cada limiar, estudarmos seu funcionamento, evolução, continuidade e sua extensão espacial. Em todo sistema, uma característica comum, é a existência de um fator para a descontinuidade do fato, causado por uma alteração no processo limiar, o que nos força a investigarmos as forças que causaram ou contribuíram para essas mudanças. 2.2 Diferenças A categoria Diferenças na tecnologia da geografia, aliada à categoria da Distribuição são os elos entre o real e a representação do real na questão dos limites e limiares, posto que diferenças entre entes permitem um delineamento regional quando são levantados em sua distribuição espacial.

15 15 3 MATERIAL E MÉTODOS O campo experimental deste trabalho foi no Campus-I da Universidade Federal da Paraíba, no dia 14/10/2006 (VER ANEXO 1). O planejamento do trabalho foi realizado no dia anterior utilizando-se o software Trimble Planning Software, (Ver Quadro 1 e 2). Nome da Estação João Pessoa Latitude 7 08' Longitude 34 50' Altitude 0 [m] Intervalo de Tempo 14/10/2006/08:00:00-14/10/2006/11:00:00 Zona Horária Hora oficial do Brasil (DST) Elevação Mínima 10 Editor de Obstrução 0% GPS Satélites Tempo GDOP TDOP PDOP HDOP VDOP GPS GLN Total 08: : : : : : : : : : : : : : : : : Quadro 1: Planejamento: Lista de valores de DOP

16 16 Nome da Estação João Pessoa Latitude 7 08' Longitude 34 50' Altitude 0 [m] Intervalo de Tempo 14/10/2006/08:00:00-14/10/2006/11:00:00 Zona Horária Hora oficial do Brasil (DST) Elevação Mínima 10 Editor de Obstrução 0% GPS Satélites Tempo: G05 G06 G07 G14 G15 G18 G21 G22 G26 G29 G30 G31 09: Tempo: G06 G07 G14 G15 G16 G18 G21 G22 G26 G29 G30 G31 09: Tempo: G06 G07 G14 G15 G16 G18 G21 G22 G26 G30 G31 10: : : : Tempo: G06 G07 G14 G16 G18 G21 G22 G30 G31 10: : : Quadro 2: Planejamento: Elevação e Azimute Verificou-se o horário com PDOP s mais adequado para o rastreamento dos satélites. O horário de início foi as 09:45 e o término foi as 10:25. Foram utilizados os equipamentos Garmin GPS 60CSx e um par de GPS Ashtech modelo Promark2. (VER ANEXO 2 e 3). A figura 01 mostra os detalhes de visibilidade dos Satélites.

17 17 Figura 01: Detalhes do planejamento em 13/10/2006 com perspectivas para o dia da Missão A experiência foi elaborada da seguinte maneira: Iniciou-se a missão acoplando os GPS Ashtech Promark2 nas respectivas antenas para um servir como ponto base coletando os dados para posterior correção e o outro foi usado juntamente com o Garmin GPS 60 CSx no modo de coleta manual, onde em cada ponto de coleta de dados foi registrado por 30 Segundos os dados informado pelos Satélites no Ashtech Promark2 e posteriormente inserido no GPS Garmin a informação registrada naquele instante. Após os dados serem registrados foi utilizado o Software freeware GPS trackmaker para captura dos dados do Garmin. Denominou-se Col 1 a coleta dos pontos numa primeira fase e de Col 2 a coleta numa segunda fase, cujo intervalo de tempo foi de aproximadamente de 02 minutos.

18 18 Figura 02: Monografia de marcos que descreve o RN da biblioteca central Este marco foi utilizado como base e nas coletas foi denominado de BASE.

19 19 Figura 03: Preparação dos equipamentos para coleta Figura 04: Adaptação para facilitar a coleta dos dados com a menor diferença no tempo possível

20 20 Figura 05: Bastão do GPS base sob o marco da Estação MR-66 Figura 06: Coleta do ponto de controle.

21 21 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO O levantamento de pontos com Garmin e com Ashtech demonstram diferenças que se conhece antes mesmo da efetuação das coletas, estas estão ligadas aos tipos de freqüência em que operam, níveis de ruído no sinal dentre outros como situação atmosférica e posicionamento dos satélites, por exemplo. Entretanto, obter um equipamento com L1, no caso do Ashtech, é oneroso diante do acesso a um equipamento como o Garmin. Imbuídos dessa premissa efetuou-se comparações para saber o comportamento dos resultados dos dois aparelhos em levantamentos elementares. O primeiro resultado obtido, por ordem hierárquica de confiança, foi o da comparação das medidas do próprio ponto principal, já conhecido previamente, o qual denominou-se de BASE. Esse ponto equivale a um RN (Referência de Nível) da PMJP (Prefeitura Municipal de João Pessoa), vide Quadro 3. Quadro 3: Valores dos pontos coletados em relação aos conhecidos, e diferenças entre pontos com e sem o ajuste. Todas as coordenadas em WGS84, salvo no valor da BASE que está informado em SAD69 também.

22 22 Pode ser observado que a posição do ponto denominado BASE, coletado pelo Ashtech (L1), reportou posição bem diferente do informado pelo RN na condição longitudinal, foram 75,14 metros de diferença enquanto que na latitude observa-se apenas 1,436m. No processamento foi utilizado o valor do RN como referência e um ponto de controle de visada foi utilizado (Figura 5) para que comparações entre o ajuste pudessem ser feitas. Tanto com ajuste como sem ajuste os resultados flutuaram em torno de 1m. Apesar de terem sido apresentados valores altimétricos no quadro anteriores, eles têm apenas caráter ilustrativo para o leitor, pois não foram feitas comparações no eixo altimétrico. Figura 07: Ao fundo o poste que serviu como ponto de controle, denominado de COL, e em primeiro plano o ponto BASE, cujo RN MR-66, homologado na PMJP se encontra. Ainda em relação ao quadro anterior pode ser visto que a diferença maior se encontra entre o valor do ponto BASE coletado com a L1 e sua posição homologada (RN).

23 23 Entretanto tanto antes do ajuste como após o ajuste, a progressão dos valores se mostra similar indicando que o sinal da L1 permite uma confiança, não apenas na posição quando estas são corrigidas em função de um ponto conhecido, mas também em relação ao seu ciclo de coleta, cujos valores obtidos mantem uma proporção que não extrapola a progressão dos valores. Esta comparação prévia denotou a resolução de coleta do L1. Não foram efetuadas comparações utilizando o Garmin 60CSx em relação à BASE, posto que esse ponto serve apenas de referência para o processamento dos dados da L1. Para o início das comparações entre os dois aparelhos o ponto de referência utilizado foi o COLETA (col 1 e 2) (Figura 7). No Quadro 4, podem ser observados os valores comparativos entre os valores da L1 e o Garmin 60CSx para os pontos levantados. Quadro 4: Comparação dos valores resultantes da L1 e Garmin para os pontos de coleta.

24 24 Os valores resultantes das coletas com L1 passaram a ser a referência para se comparar os resultados do levantamento com o aparelho Garmin 60CSx. No dia da coleta o PDOP se encontrava em torno de 2.7 resultando num erro médio na coleta do aparelho Garmin entre 5 e 7 metros. Este erro permite que o valor apresentado esteja inserido num raio aproximado dentro desse erro. Para melhor compreender essa situação, na Figura 8 observa-se a dispersão dos valores entre os aparelhos. Os dados da L1 se mantêm coesos, ou seja, a diferença entre uma coleta e outra não afeta veemente o resultado, enquanto que o Garmin se torna mais suscetível às flutuações apresentando dados mais dispersos, ou seja, com grandes diferenças entre uma tomada e outra. Figura 08: Dispersão entre dados resultantes da L1 e do Garmin 60CSx sob a diferença entre coleta 1 e coleta 2. De acordo, ainda com os resultados do Quadro 4, gerou-se o Quadro 5, onde podem ser vistas as principais diferenças observadas, agora, comparando-se os resultados obtidos com o Garmin 60CSx em relação a L1, tanto na coleta 1 como na coleta 2.

25 25 Quadro 5: Diferenças entre L1 e Garmin 60Csx Os erros maiores, onde por erros computamos a diferença entre a referência que é o valor da L1 em cada ponto, se encontram em X, isto é, na longitude. No ponto Col1 a diferença entre a posição de X é de 32,821 m em relação ao coletado pela L1, enquanto que em Y o valor é 0,749 m. Já na segunda coleta tais valores aumentam, em X tem-se 40,171 e em Y o valor sobe para 5,726. Como a subida e descida de tais valores não se mantêm fixas nas coletas com o Garmin, ou melhor, crescentes do levantamento 1 para o 2, haja vista no levantamento dois, por exemplo, ter sido observado a diminuição do erro no ponto BP07, valor 25,544 em X donde na coleta 1 foi de 35,249, fica difícil explicar uma causa para tal ocorrência, entretanto a tendência crescente dos erros entre a coleta 1 e 2 parecem ter aumentado na segunda coleta que foi efetuada poucos minutos após a coleta 1, podemos inferir elementarmente que o sol encaminhando-se para o zênite pode ser um fator para diminuição da qualidade do sinal captada no Garmin 60Csx. Mas seriam necessárias maiores coletas em condições similares para afirmar com mais rigor se essa hipótese é ou não procedente. Podemos dizer que esta observação se mostra mais proeminente no Garmin CSx do que na coleta com a L1 a partir

26 26 dos resultados vistos na Figura 8, pois se vê que a diferença do erro médio, tendo como referência a coleta 1 de cada aparelho, mantêm-se pequena nos dados da L1 enquanto que no Garmin 60CSx os valores são de 8 vezes e 6 vezes superiores em X e Y respectivamente, vide Figura 9 em que são mostradas as dispersões de um equipamento e do outro. Figura 09: Comparação do erro médio entre levantamentos do Garmin dentre o levantamento 1 e 2 e da L1dentre o levantamento 1 e 2 A Figura 10 expressa o erro médio observado no Quadro 3, onde se percebe que as diferenças mais proeminentes entre os dados obtidos pelo Garmin 60Csx em relação a L1 se encontram na projeção longitudinal. Já nas latitudes as diferenças são menores, mas mesmo assim estão acima das expectativas de erro que o equipamento apresenta na hora da coleta (5 e 7 metros).

27 Figura 10: Comparação do erro médio entre os dados obtidos pelo Garmin em relação aos dados obtidos pela L1 dos pontos coletados no levantamento 1 27

28 28 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 1. Levantamentos expedidos com equipamentos da categoria do Garmin podem ser executados independente da escala final, pois a precisão obtida com ele permite uma boa identificação dos limiares das feições geográficas; 2. Entretanto o uso de equipamentos da categoria do Garmin para levantamento de áreas cuja escala do produto final gire em torno de 1:2000 e que sejam feições geográficas com limites precisos, já mostra desvios significativos, principalmente de pontos. Escala esta usada em folhas cadastrais, utilizadas para representar maiores detalhamentos. 3. Para escalas maiores o uso da L1 é recomendado; pois com estes receptores usando a freqüência emitida em 1575,42 Mhz poderemos realizar acuradamente levantamentos topográficos precisos.

29 29 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOLFUSS, Olivier. A análise geográfica. Trad. Heloysa de Lima Dantas. São Paulo: DIFEL, Col. Saber Atual. LEICK, A.. GPS satellite surveying. 2º.ed. New York: John Wiley & Sons, p. MONICO, João Francisco Galera. Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: descrição, fundamentos e aplicações. São Paulo: Editora UNESP, SEEBER,G.:Satellite Geodesy:Foundations,Metods and Applications.Berlin -New York,2003. Ashtech Corporation Manual Reference of Promark2 Garmin Corporation Owners Manual Reference of GPS60CSx Google earth - Acessado em 2007 Trimble Corporation Manual Operation Software Planning

30 ANEXOS 30

31 ANEXO 1 Local da Missão. 31

32 ANEXO 2 Características do Produto ProMark2 32

33 ANEXO 3 33