ALEXANDRE DO NASCIMENTO SOUZA SILVIO JACKS DOS ANJOS GARNÉS ANTONIO FERNANDES DA SILVA

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1 Presidente Prudente - SP, de julho de 2017 p ANÁLISE ALTIMÉTRICA UTILIZANDO MÉTODOS DE POSICIONAMENTO GNSS, PERFILAMENTO A LASER E NIVELAMENTO TRIGONOMÉTRICO: ESTUDO DE CASO VILA CLAUDETE CABO DE SANTO AGOSTINHO - PE ALEXANDRE DO NASCIMENTO SOUZA SILVIO JACKS DOS ANJOS GARNÉS ANTONIO FERNANDES DA SILVA Centro Universitário dos Guararapes - UNIFG Universidade Federal de Pernambuco - UFPE Universidade Cidade de São Paulo - UNICID alexandre0363@gmail.com sjgarnes@gmail.com antoniofachuca@hotmail.com RESUMO - Este trabalho consiste na comparação entre três métodos de levantamento altimétrico: um obtido através do levantamento por LIDAR aerotransportado; outro por nivelamento trigonométrico com estação total e; o outro, usando o posicionamento GNSS RTK, na Vila Claudete na cidade de Cabo de Santo Agostinho, Pernambuco. Foi utilizado neste trabalho o método de nivelamento geométrico com estação total na área pesquisada, com transporte de coordenadas utilizando classe IIN conforme NBR , entre estações pertencentes ao Sistema Geodésico Brasileiro e o local da pesquisa. Para o levantamento GNSS, foi utilizado o método de levantamento relativo cinemático em tempo real (RTK) com a utilização de receptores L1/L2, para a coleta de diversos pontos no local da pesquisa. O levantamento por perfilamento a laser foi realizado com o fornecimento da nuvem de pontos obtidos em coordenadas UTM no sistema de referência SIRGAS2000, pela empresa GEOMENSURA. O método consistiu em buscar pontos homólogos utilizando o software AstGeoTop, entre os pontos levantados pelos três métodos, e fazer a comparação entre eles, buscando as discrepâncias entre esses pontos. Concluiu-se que o levantamento com a Estação Total apresentou a melhor qualidade nos resultados entre os pontos homólogos encontrados no levantamento por perfilamento a laser e GNSS. Palavras chave: GNSS, LIDAR, nivelamento geométrico, RTK. ABSTRACT - This project carried out in Vila Claudete (Cabo de Santo Agostinho - PE) consists of a comparison of three methods of altimetric survey: a) survey by airbone LIDAR; B) survey by GNSS RTK positioning RTK, and c) survey by geometric level with total station.the survey by LIDAR (laser profiling) was performed with the supply of the cloud of points obtained in UTM coordinates in the reference system SIRGAS2000 by the company GEOMENSURA.The GNSS positioning survey was performed by the real-time kinematic method (RTK), using L1 / L2 receivers, to collect several points at the research site.the trigonometric leveling survey was obtained through a total station in the surveyed area, with coordinate transport. Class IIN was used between stations belonging to the Brazilian Geodetic System and the research site, according to NBR The method consists in searching corresponding points observed by three methods. For this, the software AstGeoTop was used. Finally, a comparison was made between them in order to seek for the discrepancies among these points. It was concluded that the survey by trigonometric level obtained by means of total station presented better precision in the results than the homologous points found in the survey by laser profiling and by GNSS positioning. Key words: GNSS, LIDAR, Geometricleveling, RTK.

2 1 INTRODUÇÃO O levantamento por perfilamento a laser (LIDAR, 2017) vem popularizando-se e crescendo devido a sua inovação no campo do levantamento topográfico convencional e na fotogrametria, por sua rapidez na obtenção de dados e por possuir recursos tecnológicos avançados, tendo a vantagem de obter pontos na superfície do terreno mesmo em áreas na qual a cobertura da vegetação é densa e de difícil acesso tais como: florestas, montanhas e obstáculos variados, onde a obtenção desses dados por alguns métodos de levantamentos convencionais (Levantamento planialtimétrico com estação total (VEIGA et al, 2012), fotogrametria (CASACA et al, 2013) e Levantamento GNSS em campo (HOFMANN-WELLENHOF e LICHTENEGGER, 1994)) apresentam restrições. O perfilamento a laser não apresenta essas restrições, pois com apenas o envio de um pulso à superfície do terreno, é possível determinar a altura dos pontos (levantamento altimétrico) e pela posição instantânea por GNSS, conhecer também a planimetria da superfície do terreno (CENTENO E MITISHITA, 2007). Com o conjunto desses pontos, pode-se produzir o Modelo Digital de Elevação (MDE), que são conjunto de pontos com objetos naturais ou artificiais sobrepostos ao terreno e Modelo Digital de Terreno (MDT), que são conjunto de pontos que atingiram a superfície do terreno (FALAT, 2008). Neste trabalho é comparado três métodos de levantamento altimétrico: por nivelamento trigonométrico utilizando estação total, com transporte de RN (Referência de Nível) da Estação Geodésica pertencente ao SGB (Sistema Geodésico Brasileiro) até próximo ao local da pesquisa, posicionamento GNSS pelo método cinemático em tempo real RTK (Real Time Kinematic) utilizando receptor L1/L2; e perfilamento a laser LiDAR aerotransportado, em área localizada no bairro Vila Claudete, na cidade do Cabo de Santo Agostinho, PE. Figura 1 Área de estudo na Vila Claudete dos levantamentos utilizando perfilamento a laser, GNSS RTK e nivelamento trigonométrico com estação total. Foi utilizada a RN 2439M / IBGE, pertencente ao SGB com coordenadas em SIRGAS 2000: Latitude= ' 09 " S; Longitude ' 16 "W; H=9,8571 (altitude ortométrica) para transporte de RN (Figura 2), até o meio fio em frente ao SENAI ( Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial) do Cabo de Santo Agostinho (Figura 3), onde foram materializados dois pontos JM-3 (Figura 4) e JM-4. O transporte de RN do RN 2439M até os pontos no meio fio foi realizado por nivelamento geométrico utilizando nível automático TOPCON AT-B4, com contranivelamento a cada 500 m e distância percorrida de 2,2 km, utilizando classe IIN (NBR 13133, 1994). 2 METODOLOGIA 2.1 Área de estudo A pesquisa foi realizada em área localizada entre a Av. Alm. Paulo Moreira e Antiga Estrada de Gaibú no Bairro da Vila Claudete, localizado no município do Cabo de Santo Agostinho no estado de Pernambuco (Figura 1). Figura 2 - Estação 2439M IBGE utilizada para transporte de RN para o local do levantamento. Fonte: IBGE(2016)

3 Figura 3 - SENAI Cabo de Santo Agostinho Figura 4: Ponto JM-3 materializado no calçamento em frente ao SENAI. 2.2 Levantamentos de campo 2.3 Levantamento LIDAR Figura 5 - Área de levantamento perfilamento a laser. Fonte: Geomensura (2013) A primeira etapa do levantamento de campo foi o serviço de perfilamento a laser com sensor laser devidamente calibrado aerotransportado e elaboração do Modelo Digital de Elevação (MDE) e Modelo digital de Terreno (MDT), com obtenção de curvas de nível com equidistância de 1,0 metro e pontos cotados em locais notáveis (cumes e depressões) (Figura 5). A altura de voo, ângulo de abertura do feixe e a frequência de varredura foram calculadas de forma a produzir no mínimo três pontos por metro quadrado e que permitiu ainda o registro de intensidade dos feixes laser refletidos pelo terreno. Foram obtidas as altitudes ortométricas a partir das altitudes geométricas obtidas com o GNSS e modelo geoidal local, com rastreio de RN's existentes na área do levantamento (Figura 6). (GEOMENSURA, 2013).

4 Figura 6 - Pontos de apoio na área de levantamento perfilamento a laser. Fonte: Geomensura (2013) 2.4 Levantamento GNSS - RTK (Real Time Kinematic) A segunda etapa foi a realização do levantamento GNSS utilizando o método RTK, foram utilizados dois receptores L1/L2 JAVAD modelo TRIUMPH-1 (Figura 8), um receptor utilizado como estação base e outro utilizado como móvel acompanhado de uma coletora de dados. Foi utilizada a configuração de gravação da base com intervalo de 5 segundos e máscara de elevação de 10º. O sistema geodésico de referência foi o SIRGAS2000 para coordenadas UTM (Universal Transversa de Mercator) no fuso 25. A Figura 7 apresenta os 888 pontos coletados na área de estudo. Transformação de Sistemas do software AstGeoTop Versão 2017 (Figura 9). A Figura 10 apresenta os pontos do levantamento por nivelamento trigonométrico na área em estudo. Figura 7 - Pontos coletados no levantamento GNSS RTK. Figura 9 Módulos: Transformações de Coordenadas e Transformações de Sistemas Geodésicos do AstGeoTop(2017). O módulo Transformação de coordenadas foi para transformar de coordenadas UTM em geodésicas (latitude, longitude) e vice versa. O módulo transformação de sistemas geodésicos foi para transformar latitude e longitude de SAD69 para o SIRGAS2000 em latitude e longitude também. Os parâmetros de transformação default entre esses dois sistemas usam os valores fornecidos na RPR 01 de 2005, do IBGE. Figura 8 - Receptor base montado no local de estudo. 2.5 Nivelamento Trigonométrico A terceira etapa foi o levantamento topográfico altimétrico da área por nivelamento trigonométrico que foi realizado com estação total CYGNUS com transporte de coordenadas a partir dos pontos JM-3 (Figura 4) e JM- 4 com coordenadas UTM SAD69 e posterior transformação de coordenadas para SIRGAS2000 utilizando os módulos: transformação de coordenadas e Figura 10 - Pontos do levantamento por nivelamento trigonométrico. 2.6 Processamento dos dados Lidar

5 A empresa GEOMENSURA forneceu a nuvem de pontos-lidar, em coordenadas UTM no SIRGAS2000. Para realizar a compatibilização das altitudes dos três métodos de levantamento a um mesmo referencial altimétrico e assim ter as inferências estatísticas, foi utilizado o módulo: cartografia, MDT e MDE do software AstGeoTop(2017) ( Figura 11). entre os dois referenciais foi de 14,9 cm, mas a precisão dada pelo desvio padrão das discrepâncias mostra uma dispersão de 4,31 m. Foram feitas buscas num arquivo lidar de pontos e num arquivo GPS com 888 pontos (Figura 13). Figura 12 - Calibração dados LIDAR X GPS Figura 11 - Tela do Módulo: MDT & MDE do software AstGeoTop(2017). 3 RESULTADOS 3.1 Modelos MDT e MDE AstGeoTop A calibração de modelos LIDAR em relação a uma rede altimétrica de controle, permite realizar buscar entre pontos de posição homóloga no terreno. Esses pontos homólogos são definidos com personalização de uma distância horizontal, como default essa distância é de 15 cm. Todos os pontos de ambos os arquivos são varridos e uma estatística de média e desvio padrão são apresentadas em relação às discrepâncias nos pontos altimétrico (d=hi-hi). A média permite saber quanto um referencial está deslocado em relação ao outro e o desvio padrão amostral das discrepâncias permite saber o quão preciso é o modelo que está sendo calibrado. Às vezes é preciso realizar uma filtragem para pontos posicionados muito perto um do outro, exemplo, um no solo e outro em cima do telhado de uma casa. Vai haver uma discrepância superior ao pé direito da casa. O ponto de cima da casa deve ser filtrado, isto é, eliminado. Para fazer isso, o programa apresenta como estratégia de filtro o critério de 2 x desv. Padrão que vem selecionado, mas pode ser alterado pela experiência do analista. Após a filtragem uma nova média do deslocamento é realizada. Quando o resultado da filtragem é considerado adequado, aplica-se e deslocamento médio aos dados e assim ambos os levantamentos estarão no mesmo referencial altimétrico, neste estudo de caso, altitude ortométrica. 194 Z =18,8256 Linha = d =0,131 Z =13,110 dz =-5, Z =16,7861 Linha = d =0,139 Z =11,140 dz =-5, Z =17,6681 Linha = d =0,125 Z =12,160 dz =-5, Z =21,9766 Linha = d =0,119 Z =16,480 dz =-5, Z =21,9771 Linha = d =0,061 Z =16,580 dz =-5, Z =13,4683 Linha = d =0,102 Z =7,840 dz =-5, Z =4,4041 Linha = d =0,119 Z =7,040 dz =2, Z =3,7746 Linha = d =0,127 Z =6,740 dz =2, Z =4,5757 Linha = d =0,147 Z =7,320 dz =2, Z =3,6927 Linha = d =0,146 Z =6,640 dz =2, Z =13,6982 Linha = d =0,034 Z =16,460 dz =2, Z =3,4137 Linha = d =0,086 Z =6,240 dz =2, Z =3,3872 Linha = d =0,075 Z =6,240 dz =2, Z =1,5978 Linha = d =0,075 Z =5,950 dz =4, Z =3,0138 Linha =14180 d =0,139 Z =5,920 dz =2, Z =1,571 Linha =65817 d =0,026 Z =6,290 dz =4, Z =2,9329 Linha =27173 d =0,067 Z =5,810 dz =2, Z =2,6919 Linha =69109 d =0,086 Z =5,940 dz =3, Z =2,3951 Linha =99311 d =0,149 Z =5,330 dz =2, Z =2,7617 Linha = d =0,148 Z =5,610 dz =2, Z =16,7861 Linha = d =0,139 Z =11,140 dz =-5, Z =17,6681 Linha = d =0,125 Z =12,160 dz =-5, Z =21,9766 Linha = d =0,119 Z =16,480 dz =-5, Z =2,7617 Linha = d =0,148 Z =5,610 dz =2, pontos tiveram aproximação com valor inferior a 0,15m Figura 13 - Relatório individual de busca de cada ponto no arquivo O Primeiro Z corresponde as altitudes do arquivo LIDAR e o segundo Z as altitudes do GPS; d corresponde a distância horizontal dos pontos considerados homólogos; linha a posição do ponto dentro do arquivo de nuvem de pontos; dz a discrepância entre as duas altitudes nos dois referenciais. 3.3 Calibração LIDAR X Estação Total Foi realizado o levantamento com estação total e repetido o procedimento para 418 pontos (estação total) contra os pontos LIDAR (Figura 14). 3.2 Calibração LIDAR X GNSS No caso do LIDAR x GNSS (Figura 12), com a altitude do GPS transformada para altitude ortométrica usando o modelo MAPGEO 2015, o deslocamento médio Figura 14 - Calibração dados LIDAR x Estação Total

6 Para esses arquivos foram encontrados apenas 9 pontos homólogos, com proximidades menor do que 15 cm. O deslocamento médio foi de 13,0 cm e um desvio padrão de 15,7 cm (Figura 15). 74 Z =6,194 Linha = d =0,088 Z =6,230 dz =0, Z =5,922 Linha = d =0,124 Z =6,030 dz =0, Z =6,393 Linha = d =0,110 Z =6,770 dz =0, Z =6,191 Linha = d =0,087 Z =6,470 dz =0, Z =6,255 Linha = d =0,147 Z =6,580 dz =0, Z =6,369 Linha = d =0,070 Z =6,370 dz =0, Z =6,236 Linha = d =0,121 Z =6,330 dz =0, Z =5,877 Linha = d =0,057 Z =5,850 dz =-0, Z =5,826 Linha = d =0,131 Z =5,800 dz =-0,026 9 pontos tiveram aproximação com valor inferior a 0,15m Figura 15 - Relatório individual de busca de cada ponto no arquivo e Tecnologias da Geoinformação, Recife, PE. Setembro de GARNÉS, S. J. A. AstGeoTop (2017). Software. Departamento de Engenharia Cartográfica. Universidade Federal de Pernambuco. Recife GEOMENSURA ENGENHARIA E AEROLEVANTAMENTOS LTDA. Elaboração de base cartográfica digital de SUAPE - Complexo Industrial Portuário Governador Eraldo Gueiros e entorno imediato através de recobrimento aerofotogramétrico e perfilamento a laser. Ipojuca - PE, Janeiro CONCLUSÕES As análises efetuadas na comparação entre o levantamento LIDAR X GPS indicam que ocorreram discrepâncias acima do esperado para o posicionamento altimétrico. A baixa quantidade de pontos homólogos do GPS em relação ao LIDAR, pode ter influenciado na qualidade do comparativo entre os métodos. É importante ressaltar que a área em análise apresentava grande densidade de vegetação onde ocorreram problemas na fixação de ambiguidade (float) e multicaminhamento no levantamento GNSS RTK, o que pode ter contribuído para esta grande discrepância no posicionamento altimétrico, sendo então necessário fazer o levantamento em outras áreas com características diversificadas de modo a obter uma verificação mais abrangente. No caso de a comparação entre o levantamento LIDAR X Estação Total, as discrepâncias encontradas ficaram dentro do esperado para este tipo de levantamento e posicionamento altimétrico, com os resultados encontrados de excelente qualidade. É possível concluir que o levantamento com a Estação Total apresentou a melhor qualidade nos resultados entre os pontos homólogos encontrados no levantamento LIDAR. HOFMANN-WELLENHOF, B.; LICHTENEGGER, H.; COLLINS, J. Global positioning system: theory and practice. 3. ed. New York: Spring-Verlag Wien, IBGE RPR n 01 de 25 de fevereiro de Disponível em ftp://geoftp.ibge.gov.br/metodos_e_outros_documentos _de_referencia/normas/rpr_01_25fev 2005.pdf LIDAR Light Detection and Ranging. Disponível em: tecnologia.htm. acessado em 10 de janeiro de NBR Execução de levantamento topográfico Associação Brasileira de Normas Técnicas, maio de VEIGA, L. A. K.; ZANETTI M. A. Z.; FAGGION P. L. Fundamentos de topografia. Engenharia Cartográfica e de Agrimensura, Universidade Federal do Paraná. Curitiba - PR, REFERÊNCIAS CASACA J. M.; MATOS J. L.; DIAS J. M. B. Topografia Geral. 4ª Ed. atualizada e aumentada, ISBN LTC. Rio de Janeiro CENTENO J. A. S.; MITISHITA E. A. Laser scanner aerotransportado no estudo de áreas urbanas: A experiência da UFPR. Anais XIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianópolis, Brasil, abril 2007, INPE, p FALAT D. R.; Perfilamento a laser: uma alternativa rápida e precisa para a identificação de alterações na superfície. II Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas