MARCOS ALMIR DE OLIVEIRA. Compatibilização de Dados, em diferentes Referenciais, para Atualização Cartográfica: Estudo de Caso na SABESP.

Transcrição

1 MARCOS ALMIR DE OLIVEIRA Compatibilização de Dados, em diferentes Referenciais, para Atualização Cartográfica: Estudo de Caso na SABESP. São Paulo 2006

2 MARCOS ALMIR DE OLIVEIRA Compatibilização de Dados, em diferentes Referenciais, para Atualização Cartográfica: Estudo de Caso na SABESP. Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. São Paulo 2006

3 MARCOS ALMIR DE OLIVEIRA Compatibilização de Dados, em diferentes Referenciais, para Atualização Cartográfica: Estudo de Caso na SABESP. Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. Área de Concentração: Engenharia de Transportes Orientador: Prof. Dr. Edvaldo Simões da Fonseca Junior São Paulo 2006

4 Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. São Paulo, 13 de dezembro de Assinatura do autor Assinatura do orientador FICHA CATALOGRÁFICA Oliveira, Marcos Almir de Compatibilização de dados, em diferentes referenciais, para atualização cartográfica : estudo de caso na SABESP / M.A. de Oliveira. -- São Paulo, p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Transportes. 1. Cartografia 2. Sistema de posicionamento global 3. Coordenadas terrestres 4. Sistemas geodésicos de referência I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Transportes II. t.

5 DEDICATÓRIA Aos meus familiares e em especial a minha esposa Marlene e meus filhos Bruno e Carolina.

6 AGRADECIMENTOS Aos amigos e professores da Poli, em especial ao meu orientador Professor Doutor Edvaldo Simões da Fonseca Junior. Aos amigos: Jefferson Rocco, Daniel Silva Costa, Mario Alexandre de Abreu, Adilson Haroldo Piveta e Flávio Vaz pela cooperação e companheirismo. Aos colegas de trabalho da SABESP, em especial aos da equipe da Cartografia: Ari Francisco de Paula, Alfredo da Silva Vida, Geraldo José da Silva, Isac Ferraz, Osvaldo Souza Coutinho Filho, Stela Alexandrina Matutat e William Dias. Aos amigos da empresa Base Aerofotogrametria, em especial aos engenheiros Antonio Carlos e Ivan Idoeta, pela colaboração nos processamentos dos dados apresentados neste trabalho. E a todos que direta ou indiretamente colaboraram na execução desse trabalho.

7 RESUMO Um dos propósitos deste trabalho foi apresentar a metodologia envolvida na estimação de parâmetros de transformação entre dois Sistemas Geodésicos, em função da implantação do Sistema de Informações Geográficas no Saneamento (SIGNOS) pela SABESP. Este estudo foi desenvolvido no Município de São Paulo, onde foram calculados parâmetros de transformação entre os Sistemas SAD-69 (South American Datum 1969) e Córrego Alegre. Os parâmetros obtidos neste estudo foram comparados com os parâmetros disponíveis atualmente. Outro estudo, deste trabalho, é a proposta para compatibilização do sistema altimétrico da SABESP. O sistema atual é formado por diversas redes altimétricas (IBGE, SABESP, EMPLASA e IGG) que são divergentes entre si. O objetivo final é verificar as diferenças regionais e estabelecer a unificação do sistema altimétrico da SABESP na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Palavras Chave: Cartografia. Sistema de Posicionamento Global. Parâmetros de Transformação. Sistema Geodésico. Nivelamento Geométrico.

8 ABSTRACT One of the purposes of this work was introduce the methodology involved in the estimate of the transformation parameters between two Geodetic Systems, in function of the implantation of the Geographical Information System by SABESP. This work has been developed in São Paulo City, where transformation parameters were calculated between systems SAD-69 (South American Datum 1969) and Córrego Alegre. The estimated parameters at this work had been compared with the available parameters nowadays. Another study, of this work, is the proposal for compatibility of the altimetric system of SABESP. The current system is formed by diverse altimetric nets (IBGE, SABESP, EMPLASA and IGG) that are divergent between themselves. The final objective is to verify the regional differences and to establish the unification of the altimetric system in São Paulo Metropolitan Region (RMSP). Keywords: Cartography. Global Position System. Transformation Parameters. Geodesic System. Geometric Leveling.

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Relação entre o Sistema Geodésico e o Sistema Cartesiano...27 Figura 2 - Distribuição geográfica dos 750 vértices da rede clássica do SCM...43 Figura 3 - Ajustamentos da rede altimétrica (RAAP) entre 1948 e Figura 4 - Ilustração do vetor translação entre dois sistemas cartesianos...51 Figura 5 - Ilustração da transformação tridimensional de Helmert...54 Figura 6 - Nivelamento Geométrico com Nível Digital...57 Figura 7 - Desdobramento das folhas, segundo as diversas escalas Figura 8 - Desenho Esquemático da formação do nome do arquivo digital...67 Figura 9 - Áreas geográficas abrangidas pela implantação do SIG na RMSP...72 Figura 10 - Logotipos adotados para o SIG da SABESP...73 Figura 11 - Áreas da SABESP integradas pelo Sistema SIGNOS...73 Figura 12 - Distribuição Geográfica das Estações Monitoras do sistema GPS...78 Figura 13 - Ilustração do sinal GPS básico Figura 14 - Estrutura dos sinais GPS após a modernização...90 Figura 15 - Satélite do Bloco IIR-M...91 Figura 16 - Exemplo de Monografia de Vértices da Rede Clássica do SCM Figura 17 - Distribuição espacial dos Vértices utilizados Figura 18 - GPS TOPCON LEGACY Figura 19 - Exemplo do formulário utilizado nas ocupações GPS Figura 20 - Esquema da Reocupação dos vértices da rede clássica com GPS Figura 21 - Vista e detalhe do Vértice

10 Figura 22 - Vista do Vértice Figura 23 - Vista do Vértice Figura 24 - Vista e detalhe do Vértice Figura 25 - Vista e detalhe do Vértice Figura 26 - Vista do Vértice Figura 27 - Vista e detalhe do Vértice Figura 28 - Vista e detalhe do Vértice Figura 29 - Vista e detalhe do Vértice Figura 30 - Vista e detalhe do Vértice Figura 31 - Vista e detalhe do Vértice Figura 32 - Vista e detalhe do Vértice Figura 33 - Vista e detalhe do Vértice Figura 34 - Vista e detalhe do Vértice Figura 35 - Vista do Vértice Figura 36 - Vista e detalhe do Vértice Figura 37 - Vista e detalhe do Vértice Figura 38 - Vista e detalhe do Vértice Figura 39 - Vista e detalhe do Vértice Figura 40 - Resumo do Processamento da observação com GPS dos vértices V3021, V3514, V3516, V3519 e V Figura 41 - Planilha Excel - Transformação de coordenadas UTM em Geodésicas Figura 42 - Planilha Excel - Transformação de coordenadas Geodésicas em Cartesianas...125

11 Figura 43 - Tela do programa GEOBASE utilizado na transformação de Datum Figura 44 - Resíduos nas coordenadas UTM com a aplicação dos Sete Parâmetros Figura 45 - Resíduos nas coordenadas UTM com a aplicação dos Três Parâmetros Figura 46 - Resíduos nas coordenadas UTM com a aplicação dos Parâmetros do IBGE Figura 47 - Aplicação dos Parâmetros no bairro de Itaquera (V 3070) Figura 48 - Aplicação dos Parâmetros no bairro da Casa Verde (V 3516) Figura 49 - Localização das RRNN do IGG, SABESP e GEGRAN na RMSP Figura 50 - Exemplo de Chapa usada na implantação da rede altimétrica Figura 51 - Croquis sem escala dos circuitos nivelados no município de Carapicuíba Figura 52 - Unidades de Negócio da SABESP no município de São Paulo Figura 53 - Diferenças entre as Redes Altimétricas por município na RMSP Figura 54 - Mapa Coroplético com as diferenças altimétricas médias por município na RMSP Figura 55 - Exemplo de Monografia com as novas informações inseridas Figura 56 - Distribuição geográfica das RRNN do IBGE comparadas com as RRNN do IGG...161

12 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Dimensão das Cartas do SCM...64 Tabela 2 - Simbologia, Layers e atributos adotados pela SABESP...68 Tabela 3 - Exatidão das Efemérides...81 Tabela 4 - Fontes de erro e seus efeitos...82 Tabela 5 - Vértices do SCM ocupados com GPS (Coordenadas em metros) Tabela 6 - Módulos do programa comercial GPSURVEY Tabela 7 - Desvio padrão nas coordenadas dos vértices observados com GPS Tabela 8 - Coordenadas cartesianas dos vértices reocupados e os parâmetros pontuais de transformação Tabela 9 - Valores Ajustados pelo método dos sete parâmetros Tabela 10 - Valores Ajustados pelo método dos três parâmetros Tabela 11 - Valores dos três parâmetros divulgados pelo IBGE Tabela 12 - Valores dos resíduos no método dos sete parâmetros Tabela 13 - Valores dos resíduos no método dos três parâmetros Tabela 14 - Valores dos resíduos utilizando-se parâmetros divulgados pelo IBGE 133 Tabela 15 - RRNN e Vértices implantados pela SABESP no projeto SIGNOS Tabela 16 - RRNN do IBGE que tiveram novas altitudes atribuídas Tabela 17 - RRNN do IBGE utilizados como injunção Tabela 18 - RRNN da SABESP e do IGG reocupadas na implantação da rede altimétrica Tabela 19 - RRNN do GEGRAN reocupadas na implantação da rede altimétrica Tabela 20 - RRNN da SABESP e do GEGRAN interligados com a nova rede altimétrica Tabela 21 - Resultado da interligação das Redes altimétricas no município de São Paulo Tabela 22 - Diferenças médias entre as redes altimétricas por município Tabela 23 - Comparação das Altitudes referentes ao IGG e ao IBGE Tabela 24 - Ajustes efetuados em linhas de nivelamento do IBGE, entre 1986 e

13 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT ARNSs AS BIH C/A CAD CEP CIGNET CIS CNG COMASP CPRM CTP CTRS CTS DGH DGPS DoD DOP DoT Associação Brasileira de Normas Técnicas Aeronautical Radio Navigation Services Anti-Spoofing Bureau International de L Heure Coarse-Acquisition Computer Aided Design Código de Endereçamento Postal Cooperative International GPS Network Conventional Terrestrial System Conselho Nacional de Geografia Companhia Metropolitana de Água de São Paulo Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais Conventional Terrestrial Pole Conventional Terrestrial Reference System Conventional Terrestrial System Datum Geodésico Horizontal Differential Global Positioning System Department of Defense Dilution of Precision Department of Transport DSG Diretoria do Serviço Geográfico do Exército EGM96 Earth Gravity Model 1996 EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service EMPLASA Empresa Paulista de Planejamento Metropolitano S.A EPUSP Escola Politécnica da USP ESA European Spatial Agency GALILEO Sistema de Posicionamento Global Europeu GEGRAN Grupo Executivo da Grande São Paulo

14 GIOVE-A GIS GLONASS GNSS GPS GRS-67 IAG IAGS IAG/USP IBGE IERS IGC IGG IGS IGSN-71 IPGH IPT IRM IRP ITRF ITRS HIRAN LLR MMQ MVC NASA NAVSTAR NGS NIMA NMM ONU Galileo In-Orbit Validation Element Geographical Information System Global naya Navigatsionnay Sputnikovaya Global Navigation Satellite System Global Positioning System Elipsóide de Referência do SAD-69 International Association of Geodesy Inter-American Geodetic Survey Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da USP Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística International Earth Rotation Service Instituto Geográfico e Cartográfico Instituto Geográfico e Geológico International GNSS Service International Gravity Standardization Net-1971 Instituto Pan-Americano de Geografia e História Instituto de Pesquisas Tecnológicas International Reference Meridian International Reference Pole IERS Terrestrial Reference Frame International Terrestrial Reference System High Precision Short-Range Navigation Lunar Laser Range Método dos Mínimos Quadrados Matriz Variância-Covariância National Aeronautics and Space Administration Navigation System with Time and Ranging National Geodetic Survey National Imagery and Mapping Agency. Nível Médio do Mar Organização das Nações Unidas

15 PDOP Position Dilution of Precision PEC Padrão de Exatidão Cartográfico PMSP Prefeitura do Município de São Paulo PMRG Projeto de Mudança do Referencial Geodésico PNT Posicionamento Navegação e Tempo PPS Precise Positioning Service RAAP Rede Altimétrica de Alta Precisão RGFB Rede Gravimétrica Fundamental Brasileira RMSP Região Metropolitana da Grande São Paulo RRNN Referências de nível SABESP Companhia de Saneamento Básico de São Paulo SAD-69 South American Datum 1969 SCG SCM SCN SGB SGE SGR SIG SIGNOS SIRGAS SISRE SLR UERE UFPR UGGI UE UTM VDOP VLBI WAAS Sistema Cartesiano Geodésico Sistema Cartográfico Metropolitano Sistema Cartográfico Nacional Sistema Geodésico Brasileiro Serviço Geográfico do Exército Sistemas Geodésicos de Referência Sistema de Informações Geográficas Sistema de Informações Geográficas no Saneamento Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas Signal In Space Range Error Satellite Laser Range User Equivalent Range Error Universidade Federal do Paraná União Geodésica e Geofísica Internacional União Européia Universal Transversa de Mercator Vertical Dilution of Precision Very Long Baseline Interferometry Wide Area Augmentation System

16 SUMÁRIO CAPÍTULO - 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO...21 CAPÍTULO - 2 SISTEMAS DE REFERÊNCIA SISTEMAS DE COORDENADAS DATUM GEODÉSICO Sistemas de referência clássicos Sistemas de referência modernos COORDENADAS GEODÉSICAS SISTEMA DE COORDENADAS CARTESIANAS SISTEMA GEODÉSICO BRASILEIRO - SGB SISTEMAS DE REFERÊNCIA USADOS NO BRASIL Sistema Geodésico Córrego Alegre Sistema Astro Datum Chuá Datum Sul-americano - SAD Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas - SIRGAS SISTEMA ALTIMÉTRICO Datum Vertical Altitude ortométrica SISTEMA GRAVIMÉTRICO...39

17 CAPÍTULO - 3 IMPLANTAÇÃO E COMPATIBILIZAÇÃO DE REDES IMPLANTAÇÃO DE REDES PLANIMÉTRICAS Implantação das Redes de Apoio Geodésico do SCM IMPLANTAÇÃO DE REDES ALTIMÉTRICAS Primeiras Redes Altimétricas no Brasil Rede altimétrica da EMPLASA Rede altimétrica da SABESP COMPATIBILIZAÇÃO DE SISTEMAS GEODÉSICOS Compatibilização Planimétrica Método dos Três Parâmetros Método dos Sete Parâmetros Compatibilização de Redes Altimétricas...56 CAPÍTULO - 4 CARTOGRAFIA E SIG CARTOGRAFIA Mapas, Cartas, Plantas e Folhas Padrão de exatidão Cartográfico - PEC Sistema Cartográfico Nacional (SCN) e Metropolitano (SCM) Implantação do Sistema Cartográfico Metropolitano - SCM Base Cartográfica da SABESP SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS - SIG SIG na SABESP...70

18 CAPÍTULO - 5 SISTEMAS DE POSICIONAMENTO GLOBAL NAVSTAR-GPS Segmento Espacial Segmento dos usuários Segmento de Controle Características atuais dos Sinais GPS Efemérides Efemérides Transmitidas Efemérides Precisas Fonte de Erros Transporte de Coordenadas com GPS Planejamento e Coleta de Dados As observáveis GPS Posicionamento relativo Processamento Determinação da Ambigüidade Ajustamento A modernização do GPS SISTEMA DE NAVEGAÇÃO GLOBAL POR SATÉLITE - GLONASS Segmento Espacial Segmento de Controle e Monitoramento Segmento do Usuário Características dos Sinais GLONASS Modernização do Sistema GLONASS GALILEO GNSS...97

19 CAPÍTULO - 6 ESTIMATIVA DE PARÂMETROS DE TRANSFORMAÇÃO Compatibilização da Base Cartográfica da SABESP Definição dos Vértices a serem reocupados Reocupação dos vértices do SCM com receptores GPS Campanhas GPS Outros vértices utilizados Processamento e ajustamento dos dados GPS Determinação dos parâmetros de transformação Discrepâncias encontradas Considerações sobre os valores obtidos CAPÍTULO - 7 DIFERENÇAS ENTRE AS REDES ALTIMÉTRICAS INTEGRAÇÃO DAS REDES ALTIMÉTRICAS NA RMSP Definição das RRNN a serem niveladas Ligações efetuadas na RMSP Ligações efetuadas no município de São Paulo Processamento dos dados do nivelamento e análise das diferenças Considerações sobre os valores obtidos Correção do banco de dados altimétricos Considerações sobre os ajustes das Redes Altimétricas do IGG e IBGE CAPÍTULO - 8 CONCLUSÕES e RECOMENDAÇÕES CONCLUSÕES RECOMENDAÇÕES REFERÊNCIAS...168