15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental MAPEAMENTO E MODELAGEM DE DESCONTINUIDADES EM AFLORAMENTOS UTILIZANDO A TECNOLOGIA LIDAR (LIGHT DETECTION AND RANGING) E SUA APLICAÇÃO EM GEOLOGIA/GEOTECNIA Francisco Celso Ponte Filho 1 ; Francisco Fabio A. Ponte ; Ciro Jorge Appi 3 Resumo A análise geológico-geotécnica com a utilização da tecnologia de aquisição LIDAR (Light Detection and Ranging) envolve a extração de dados geológicos estruturais, representados pelas descontinuidades geológicas obtidas através do imageamento por escâner a laser de afloramentos rochosos. Estes dados, adquiridos através do TLS (Terrestrial Laser Scanner) suportam as pesquisas geológicas em várias áreas de aplicação como na geotécnica, com importância na contenção e monitoramento de taludes. A extração e modelagem dos dados estruturais, obtidos de modo preciso e diretamente a partir da nuvem de pontos, são fundamentais na elaboração do projeto geotécnico nos afloramentos de difícil acesso. O uso de software e modelos estatísticos e matemáticos suportam a interpolação e extrapolação dos dados estruturais. Abstract The geological-geotechnical analysis through LIDAR technology (Light Detection and Ranging) involves the extraction of geological discontinuities data, as fractures and faults, through outcrops imaging, using laser scanner acquisition. These data, acquired through the TLS (Terrestrial Laser Scanner), can be used in some geological application areas as in the geotechnical area where these data are applied in the slope stabilization projects. The extraction and modelling of these georeferenced data obtained through high precision laser imaging is the key of success in case of inaccessibility rock outcrops. The use of technologies like mathematical algorithms, statistical models and the right software, are way to minimize greatly the spend time and assure the quality of geotechnical design. Palavras-Chave Instabilidade de encostas; Descontinuidades; Modelo digital de terreno; Terrestrial Laser Scanner; LIDAR. 1 3 Geól., MSc, CEGeo Centro de Excelência em Geociências Ltda.: Petrópolis-RJ, celso@cegeo.com.br Tec. Petróleo., MSc, CEGeo Centro de Excelência em Geociências Ltda.: Petrópolis-RJ, fabio@cegeo.com.br Geól, DSc., Consultor CEGeo Centro de Excelência em Geociências Ltda.: Petrópolis-RJ, ciro.appi@yahoo.com.br 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO Ao ser iniciado um projeto geológico-geotécnico que envolva a aquisição de dados em campo, seja ele de estudo de análogos para a pesquisa petrolífera ou de contenção de encostas e taludes, a boa prática consiste em analisar as dificuldades técnicas que frequentemente são encontradas no levantamento de dados e no imageamento do afloramento rochoso. Se tratando de estudos geotécnicos para estabilidade de taludes, uma equipe multidisciplinar envolvendo competências em geologia, engenharia e computacionais analisa as informações e propõe um modelo considerado ótimo sob critérios de eficiência e segurança. A análise geológico-geotécnica irá fornecer parâmetros para suporte ao estudo que envolve a extração de dados geológicos estruturais, como planos de falhas e fraturas e suas atitudes em afloramentos. Este trabalho tem como objetivo descrever a tecnologia LIDAR, os métodos envolvidos e sua aplicabilidade nas pesquisas geológico-geotécnicas.. MATERIAIS E MÉTODOS O projeto de análise geológico-geotécnica está dividido em quatro etapas: (1) Aquisição de dados através de laser scanner; () Controle de qualidade dos dados (nuvem de pontos); (3) Modelagem (Modelos Matemáticos e Modelos Digitais de Elevação) e calibração de campo; (4); Interpretação geológico-geotécnica. A figura 1 ilustra as etapas de aquisição e processamento dos dados para avaliação geológico-geotécnica de afloramentos a partir da tecnologia LIDAR..1. AQUISIÇÃO DE DADOS Os dados são adquiridos por imageamento da superfície através de escâner a laser (TLS - Terrestrial Laser Scanner) localizados em posições estratégicas que permitam a melhor cobertura do afloramento. Em alguns casos, que dependem da distância e dificuldades de imageamento da superfície, o escâner pode ser acoplado a veículos aéreos controlados remotamente (drones). Figura 1. Fluxo de trabalho da pesquisa geológico-geotécnica a partir da tecnologia LIDAR 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

3 .. CONTROLE DE QUALIDADE DOS DADOS Os dados adquiridos através do imageamento por escâner compõem uma nuvem de pontos 3D posicionados de acordo com seus parâmetros espaciais (X, Y, Z). A nuvem de pontos deverá estar no formato de Modelo Digital de Elevação de alta precisão. A estes dados são aplicados modelos matemáticos computacionais para identificação e medição de estruturas geológicas na imagem digital. As figuras e 3 ilustram, respectivamente, o afloramento, retratado em fotografia e a refletividade da superfície, representada pela nuvem de pontos 3D (X, Y, Z) obtida através da tecnologia LIDAR e processamento PCM (point cloud modeller). Figura. Imagem fotográfica do afloramento, intercalações de arenitos/siltitos e folhelhos/ ardósia do período carbonífero 360 a 300 Ma (SLOB, 010). Figura 3. Nuvem de pontos da janela do afloramento da Figura (SLOB, 010)..3. MODELAGEM E CALIBRAÇÃO DE CAMPO.3.1. Modelos Matemáticos Aplicação de modelos matemáticos (tratamento geoestatístico) para discretizar a nuvem de pontos em formato de malha regular com alta resolução a partir das técnicas de krigagem. A krigagem é uma técnica de estimação local que usa o formalismo das funções aleatórias para se referir ao estimador linear que seja melhor estimador linear não-viesado. Fundamentase na estimação de valores em locais não amostrados pela combinação linear dos dados disponíveis usando coeficientes de ponderação. O resultado é a construção de uma imagem do fenômeno que honra os pontos amostrais e garante que os valores estimados não diferem muito dos valores reais nos locais não amostrados. Com a malha regular é possível visualizar a superfície mapeada, as descontinuidades e os lineamentos para posterior simulações de escorregamento de taludes..3.. Modelos Digitais de Elevação A aplicação de técnicas computacionais em imagem, PCA (Principal Components Analysis) e modelos digitais de elevação (DTE), permitem a extração das informações estruturais dos blocos de rochas: direção, mergulho e volume. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 Em DTE, para obter-se informações em cada nó de uma superfície, emprega-se uma matriz base 3x3 (Figura 4), que é deslocada por toda a malha regular, calculando os valores de cada ponto pelo método das diferenças finitas (VEIGA,1996). Figura 4. Matriz empregada para cálculo do gradiente em malha regular Na estimativa do gradiente por diferença finita, em cada ponto central de uma cela da malha regular, utiliza-se um estimador médio local que fornece peso maior para o ponto central da matriz base: z x z y z z z z z z dx z z z z z z dy O gradiente é dado por: tan z x z y A direção do gradiente é dada por: z tan y z x para - Onde, Z é o valor de altura e x, y as coordenadas do nó 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 Na Figura 5 está representado um modelo de classificação dos planos de descontinuidade, resultante das estimativas dos gradientes. Figura 5. Exemplo de classes individuais de planos resultante de modelo DTE, segundo (SLOB, 010) Calibração de Campo Adicionalmente à aquisição dos dados levantados através da tecnologia LIDAR, executa-se um levantamento de campo (check de campo) para verificação e calibração dos dados da nuvem de pontos. Este mapeamento geológico expedito tem como objetivo identificar as zonas de falhas e fraturas e as alterações do maciço rochoso. Durante esta fase do trabalho são avaliados também os possíveis locais de instabilidade de talude rochoso e a cobertura de solo. Os dados de campo, integrados àqueles gerados pela modelagem computacional, fornecem os subsídios para a interpretação geológico-geotécnica que atuará como suporte ao projeto de pesquisa..4. INTERPRETAÇÃO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICA Os modelos computacionais resultantes da etapa de modelagem, calibrados com a investigação de campo, são analisados através do levantamento dos planos de falhas e fraturas e de estereogramas (Figura 6) com o objetivo de mapear estas descontinuidades e entender os campos de tensões atuantes na área. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 Figura 6. Identificação das classes comuns de planos através do estereograma (SLOB, 010). 3. CONCLUSÕES A tecnologia LIDAR, aliada aos métodos tradicionais de levantamento de dados de campo, tornou-se uma poderosa ferramenta de suporte às pesquisas geológicas, notadamente na geotecnia, quando aplicada ao mapeamento de descontinuidades nas análises de estabilização e contenção de taludes, especialmente em regiões de difícil acesso. REFERÊNCIAS SLOB, S. Automated rock mass characterisation using 3-D terrestrial laser scanning. Technische Universiteit Delft. Delft, Netherlands S. Slob. ISBN ITC dissertation number 17. Tese de doutorado. VEIGA, L. A. K. Cálculo de declividade em modelos digitais do terreno. Universidade de São Paulo - USP, São Paulo Dissertação de Mestrado. 169p. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6