ÍNDICE RESUMO 1 1. INTRODUÇÃO 2 2. EQUIPAMENTO 2 3. METODOLOGIA 4 3.1. Preparação do levantamento 5 3.2. Execução do levantamento batimétrico 7 3.3. Processamento dos dados 7 3.4. Informação complementar 8 3.5.Modelo numérico de batimetria 8 4. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 11 BIBLIOGRAFIA 13 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Equipamento utilizado. 3 Figura 3.1 Principais etapas da metodologia utilizada. 6 Figura 3.2 Processamento no Hypack. 8 Figura 3.3 Exemplos de superfícies geradas por alguns dos métodos testados 9 Figura 3.4 Curvas de nível e linhas de água geradas sobre algunsa dos métodos testados 10
Direcção de Serviços de Recursos Hídricos Maria Teresa Álvares, Sónia Fernandes, Ana Catarina Mariano, Maria Teresa Pimenta, Maria Raquel Veríssimo Brito Calrão, Abel Gonzaga e Francisco Negrão RESUMO A restruturação das redes de monitorização de recursos hídricos que o Instituto da Água (INAG), vem a empreender desde 1996 incide, entre outras actividades, na revitalização da rede sedimentológica. Para tal, foi adquirido em 1999 equipamento hidrográfico para elaboração de levantamentos batimétricos em albufeiras e cursos de água. Estes trabalhos permitem conhecer a respectiva batimetria e determinar volumes de sedimentos depositados bem como a sua evolução no tempo, possibilitando assim o cálculo e actualização de volumes de armazenamento e de curvas de capacidade das albufeiras, necessárias à modelação e gestão de albufeiras e bacias hidrográficas. O equipamento utilizado é constituído por uma sonda hidrográfica, um sistema de posicionamento diferencial que funciona em tempo real e com inicialização em movimento (dupla frequência) e, um software de navegação e processamento da informação batimétrica. Neste relatório apresenta-se a metodologia a utilizar na monitorização batimétrica das albufeiras que fazem parte da actual rede sedimentológica Nacional. Descrevem-se os procedimentos de preparação dos levantamentos e os cuidados a ter na sua execução, as rotinas de pós-processamento da informação recolhida e, os cálculos efectuados em Sistema de Informação Geográfica (SIG). Apresenta-se ainda o processo de selecção do melhor método de interpolação para geração dos modelos numéricos de batimetria. PALAVRAS-CHAVE: Batimetria, sedimentação, sonda hidrográfica, Sistema Posicionamento Global (GPS), Sistema Informação Geográfica (SIG). Dezembro de 2001 1/13
1. INTRODUÇÃO O processo de restruturação das redes de monitorização de recursos hídricos (já em fase avançada de execução), contempla a implementação da rede sedimentológica, que inclui, entre outras acções, a realização periódica de levantamentos batimétricos em albufeiras para determinação da sedimentação, cálculo de volumes de armazenamento e actualização das curvas de capacidade das albufeiras, necessárias à modelação e gestão de recursos hídricos. Neste âmbito, e para que seja também possível uma análise evolutiva dos fundos das albufeiras a monitorizar, tem sido recolhida e processada toda a informação cartográfica existente, anterior e posterior à construção das barragens. Os levantamentos batimétricos existentes no INAG, prévios a este novo procedimento, têm sido realizados pelos serviços regionais que possuem uma sonda hidrográfica cujo posicionamento é obtido por métodos de topografia clássica. O aparecimento recente de pequenas sondas hidrográficas ligadas a sistemas de posicionamento por satélite e a computadores, elimina por completo o processo da digitalização da informação em gabinete, tornando a tarefa dos levantamentos hidrográficos mais fiável e menos morosa. Toda esta informação recolhida é disponibilizada no Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos (SNIRH), do Ministério do Ambiente e Ordenamento do Território (MAOT), com acesso através da página da Internet do INAG, onde poderão ser consultados os relatórios, bem como os mapas temáticos através de ferramentas de SIG. Actualmente, os levantamentos batimétricos combinam, em tempo real, medidas de posicionamento e leituras de profundidade provenientes de sondas hidrográficas. O equipamento utilizado para determinar as posições exactas das profundidades na água em tempo real é o GPS (Global Position System - Sistema de Posicionamento Global). A correspondência entre as medições de posição (fornecidas pelo GPS) e as medições de profundidade (fornecidas pela sonda) permitem obter um conjunto de pontos, referenciados geograficamente, a partir dos quais se estimam as superfícies do fundo de albufeiras ou de troços de rios, podendo ser expressas em profundidades ou em cotas. Adicionalmente, a utilização de um software de navegação permite que a informação batimétrica existente e a recolher em trabalhos futuros sejam coincidentes, de acordo com o plano de navegação pré-definido para cada albufeira. 2. EQUIPAMENTO O equipamento utilizado actualmente para realizar periodicamente os referidos levantamentos, é constituído essencialmente por uma sonda hidrográfica, um sistema de posicionamento global - GPS - e um software para navegação e processamento da informação batimétrica (Figura 2.1). Dezembro de 2001 2/13
Execução de levantamento batimétrico Unidade de referência GPS Computadores com software da sonda e navegação Bastão com as antenas (rádio e unidade móvel GPS) e transdutor Sonda hidrográfica e transdutor Figura 2.1 - Equipamento utilizado nos levantamentos batimétricos. A sonda hidrográfica é um modelo portátil da marca SIMRAD, funcionando com um transdutor de 200 khz - indicado para detectar profundidades de 0.80 m até aos 600 m em água doce com uma precisão de 1 cm. O GPS é um sistema diferencial de dupla frequência para funcionar em tempo real, da marca LEICA (série 300) que permite obter, para medições de fase, precisões na ordem dos 5 a 10 mm + 1 ppm em modo estático e em modo cinemático - tempo real - valores de 10 mm + 2 ppm, em posicionamento horizontal. A precisão altimétrica é aproximadamente 2 vezes menor que a planimétrica. Uma caracterização mais detalhada deste equipamento consta do relatório Monitorização Batimétrica de Albufeiras Aspectos Metodológicos. A sincronização entre a sonda e o GPS faz-se através do software de navegação que correlaciona e guarda os dois tipos de medições (posição e profundidade). Para a execução dos levantamentos utiliza-se o GPS em modo dinâmico (modo cinemático com inicialização em movimento on the fly ). As medições com este método fornecem a trajectória da unidade móvel, sem a necessidade de realizar uma inicialização estática para a resolução de ambiguidades, sendo no entanto determinante a existência de sinal de rádio entre as duas antenas (referência e móvel). Para se obter um levantamento com posições precisas (erros de 2, 3 centímetros) é necessário: Dezembro de 2001 3/13
uma constelação de satélites com um número mínimo de 5 satélites, com uma geometria favorável, ou seja, bem distribuídos relativamente ao utilizador, com valores de GDOP (Geometrical Dilution of Precision) baixos; não ocorrerem perdas de sinal nos primeiros 4 a 5 minutos do movimento, para a resolução de ambiguidades iniciais; que a distância entre receptores (referência e móvel), não seja superior a 10 km. O software de navegação utilizado é o Hypack Max. Este software é constituído por vários módulos utilizados nas fases de planeamento, levantamento e processamento dos dados recolhidos: módulo Survey, utilizado para a preparação e execução do levantamento, com o qual se definem as linhas guia ou fiadas de navegação e se executa o levantamento de acordo com o planeamento de navegação previamente estabelecido; módulo Single Beam Processing, que permite o pós-processamento dos dados recolhidos durante o levantamento; módulo Final Product utiliza os dados processados para obter perfis transversais na área de levantamento, para determinar o volume entre perfis, para calcular superfícies e para exportar a informação processada. Este módulo possui apenas um método para cálculo de superfícies - TIN (Triangular Irregular Network). No levantamento utiliza-se o módulo Survey que aliado ao GPS e à sonda hidrográfica, permite a sua execução sobre as linhas de navegação definidas durante a fase de preparação. Na fase de pós-processamento utiliza-se o módulo Single Beam Processing para efectuar um primeiro tratamento da informação recolhida e para exportar os dados. Neste trabalho, o módulo Final Product não é utilizado uma vez que o cálculo do modelo batimétrico é feito no SIG por este dispor de maiores e melhores capacidades de processamento. Optou-se por esta solução porque se pretendeu fazer uma comparação entre vários métodos de interpolação e efectuar uma análise estatística dos resultados, para aferir a qualidade da informação recolhida e produzida. Para além disso, é necessário também estimar as superfícies do fundo das albufeiras a partir de cartografia já existente, não sendo isto possível no Hypack. 3. METODOLOGIA Para a definição da metodologia foram verificadas e testadas algumas funcionalidades e operacionalidade do equipamento, como sejam: utilização de linhas de navegação, também denominadas fiadas, definidas pelo nível de pleno armazenamento da albufeira (contorno da albufeira), transversais e longitudinais; diferentes distâncias entre fiadas; variação da frequência da emissão de sinal sonoro (ping); influência da velocidade do barco na qualidade dos dados obtidos; interferência de obstáculos na comunicação de rádio entre as unidades de GPS. No tratamento dos dados testaram-se também alguns dos procedimentos a executar, tais como: análise qualitativa dos dados recolhidos; Dezembro de 2001 4/13
número de pontos utilizados na determinação da superfície batimétrica; definição do tamanho da quadrícula da referida superfície numérica; utilização de diferentes métodos de interpolação na estimação da superfície. A metodologia estabelecida inclui uma sequência de procedimentos de gabinete e de campo esquematizados na Figura 3.1 e apresentados nas alíneas 3.1 a 3.5. 3.1. Preparação do levantamento As coordenadas obtidas pelo GPS referem-se ao datum global WGS84 e a cartografia de trabalho do INAG está referenciada ao datum Lisboa. Para transformação das coordenadas de um datum no outro, aplica-se um dos modelos de transformação existentes: Molodensky ou Bursa-Wolf. Para um posicionamento mais rigoroso, no sistema de coordenadas militares (datum Lisboa), do levantamento batimétrico a efectuar é necessário determinar os parâmetros de transformação locais (Bursa-Wolf) para a área do levantamento, uma vez que os parâmetros de transformação de Molodensky globais (para todo o país) calculados pelo IPCC não produzem os resultados desejados. Assim, na fase de preparação do levantamento batimétrico a efectuar, seleccionam-se os marcos geodésicos circundantes à albufeira e pela análise das distâncias entre estes, resulta a selecção daqueles que servem de base para o cálculo dos referidos parâmetros de transformação. Com base em estudos de visibilidade em SIG é também determinado um ponto com maior alcance visual, que irá servir de unidade de referência à execução do levantamento. De um modo geral este primeiro ponto de referência situa-se perto do coroamento da barragem. É efectuada em modo estático uma missão GPS para obtenção de coordenadas WGS84 dos marcos geodésicos circundantes à albufeira, seleccionados anteriormente. Nesta fase, o equipamento que serve de referência é estacionado no ponto previamente seleccionado. Em gabinete determinam-se os parâmetros de transformação locais utilizando o programa de pós-processamento (SkiPro da Leica) e introduzem-se nas unidades GPS (referência e móvel). Assim, aquando do levantamento batimétrico, a transformação de coordenadas é feita automaticamente pelo GPS que envia para o software Hypack coordenadas militares corrigidas. Em gabinete são também definidas, no Hypack, as linhas de navegação que irão servir de linhas guia do levantamento batimétrico a efectuar. O levantamento é então efectuado desenvolvendo-se ao longo destas fiadas, que cobrem toda a superfície inundada da albufeira. Dezembro de 2001 5/13
MISSÃO GPS Coordenadas dos marcos geodésicos Unidade de referência SIG Selecção de marcos geodésicos SKI PRO Cálculo de parâmetros de transformação locais GPS Posicionamento SOFTWARE DA SONDA Execução dos perfis batimétricos HYPACK Planeamento das linhas orientadoras de navegação HYPACK Visualização e execução dos perfis batimétricos HYPACK Processamento dos dados (1ª triagem de resultados) VISUAL BASIC Eliminação de sondas batidas HYPACK Selecção automática dos pontos Levantamento digital ou, Levantamento topográfico CAD Digitalização de outros levantamentos VISUAL BASIC Transformação de profundidades em cotas SIG Visualização, edição e cálculo de superfícies SIG Cálculo de superfícies e curvas de capacidade Legenda: Operações em gabinete, operações no campo Figura 3.1 Principais etapas da metodologia utilizada. 3.2. Execução do levantamento batimétrico Inicialmente considerou-se que o levantamento se deveria fazer com fiadas paralelas ao paredão e de jusante para montante, devido à forma geométrica mais comum das albufeiras. No entanto, o nível das albufeiras decresce consideravelmente durante o Dezembro de 2001 6/13
período de estiagem (que coincide com o período de rega nas albufeiras destinadas para este uso), pelo que se revelou ser mais eficaz realizar primeiro uma fiada representativa do contorno da albufeira e executar todo o levantamento de montante para jusante. No primeiro levantamento foram também testadas diferentes funcionalidades e operacionalidade de todo o equipamento, como por exemplo: distância entre fiadas e frequência de emissão de sinal da sonda ping de 1, 0.5, 0.2 e 0.1 segundo, tendo-se optado por uma distância entre fiadas de 20 metros e um ping de 0.1 segundo. 3.3. Processamento dos dados Após o levantamento batimétrico, o processamento dos dados inicia-se com a visualização, no Hypack, dos perfis efectuados eliminando automaticamente os dados que não apresentam um correcto posicionamento ou que tenham valores anómalos de profundidade. Na Figura 3.2 apresenta-se um exemplo desta fase do processamento no Hypack. No primeiro gráfico, a azul, é representada a fiada planeada e a navegada, em planta. No segundo gráfico, a vermelho, apresenta-se o perfil vertical da respectiva fiada navegada. No quadro inferior são listados para todos os pontos dessa fiada, os valores dos parâmetros recolhidos como sejam: tempo, evento, profundidades obtidas, posição entre outros. O software permite eliminar automaticamente valores nulos ou mínimos de profundidade, definidos pelo utilizador. Como se pode ver no segundo gráfico da Figura 3.2, a detecção e eliminação de valores anómalos de profundidade é também de fácil execução, onde com um simples arrastar do rato são seleccionados os pontos a apagar. Como o Hypack não possui uma rotina que permita eliminar os pontos com igual posição e diferentes profundidades, denominados por sondas batidas, foi desenvolvido um programa em Visual Basic (VB) que processa os ficheiros provenientes do Hypack. A experiência adquirida após vários levantamentos permitiu constatar que nem sempre ocorrem sondas batidas e que a sua frequência pode ter origem nas diferentes velocidades de comunicação entre os equipamentos bem como da alteração da configuração dos satélites durante o levantamento. No Hypack o novo ficheiro, sem sondas batidas, é alvo de uma selecção de pontos distanciados de um raio de 5 metros a partir dos quais é estimada uma superfície batimétrica para detecção de lacunas na informação processada. Caso estas existam é efectuado novo levantamento somente nesses locais. Seguidamente, os dados de profundidade são convertidos em cotas considerando o nível de armazenamento da albufeira em cada dia do levantamento, utilizando também um programa em VB. A informação assim obtida é exportada para o SIG sendo então estimada a superfície batimétrica. Dezembro de 2001 7/13
Figura 3.2 - Processamento no Hypack. 3.4. Informação complementar O levantamento batimétrico deve ser complementado, visto existir sempre uma área não reconhecida pela sonda, correspondente à altura de água acima da profundidade a que está colocado o transdutor e à zona que se encontra a seco à data de execução do levantamento. Esta informação complementar pode ser obtida a partir de um levantamento topográfico da zona envolvente à área inundada até ao nível de pleno armazenamento da albufeira ou com um modelo digital do terreno de alta resolução actualizado proveniente de um levantamento de fotografia aérea digital. Esta informação é também integrada nos dados de batimetria para o cálculo do modelo numérico de batimetria. 3.5. Modelo numérico de batimetria A primeira superfície calculada em SIG é depois visualizada, sendo alvo de uma análise qualitativa detalhada e de uma nova edição para eliminar os pontos com qualidade duvidosa ou deficiente. Após esta última análise e edição da informação processada, calcula-se a superfície batimétrica final. Para seleccionar o método de estimação do modelo numérico de batimetria calcularamse várias superfícies batimétricas com diversos métodos e parâmetros de interpolação como sejam: IDW (Inverse Distance Weighted) quadrático e cúbico com diferente número de vizinhos; IDW quadrático e cúbico com raios de diferentes dimensões; Spline com 12 vizinhos; TIN (Triangular Irregular Network) e o comando TOPOGRID do Arc/Info. Na Figura 3.3 apresentam-se exemplos de alguns destes métodos. Dezembro de 2001 8/13
TOPOGRID Spline TIN IDW 2 com raio de 60 metros Figura 3.3 Exemplos de superfícies geradas por alguns dos métodos testados. Para testar os diferentes métodos de interpolação utilizou-se o método de validação cruzada retirando uma amostra de 10% aos pontos medidos. Calculadas as superfícies (com os restantes 90%), compararam-se os valores estimados nestas superfícies com os valores observados, correspondentes às mesmas posições geográficas da amostra retirada. A selecção do método de interpolação mais adequado implicou a comparação de diversos parâmetros estatísticos de acordo com Nicolau et al, 1999: Coeficiente de correlação Pearson entre valores observados e estimados (Correlação). Erro médio (EM). Erro percentual absoluto médio (EAM%). Erro quadrático médio (EQM). Foram também comparadas as estatísticas descritivas para os valores estimados e observados: valor médio, mediana, desvio padrão, valor mínimo e valor máximo. Estes resultados revelam que os métodos que melhor representam o terreno são o TOPOGRID e o TIN. Dezembro de 2001 9/13
Adicionalmente, foram geradas curvas de nível e linhas de água, a partir das superfícies em análise, como um método adicional de verificação da qualidade das superfícies geradas (Granado, 1996). Com base na análise visual e comparação destes resultados concluiu-se que os métodos que melhor parecem representar o terreno são o TOPOGRID e o Spline (Figura 3.4). TOPOGRID Spline TIN IDW quadrático com raio de 60 metros Figura 3.4 Curvas de nível e linhas de água geradas sobre alguns dos métodos testados. Calculado o modelo numérico de batimetria é possível, utilizando ferramentas próprias do SIG (como sejam o 3D Analyst do Arcview ou o comando CUTFILL do Arc/Info), calcular a área e o volume de armazenamento para diferentes cotas ou níveis de albufeira, ou seja, uma nova curva de capacidades da albufeira. A construção de um modelo batimétrico 3D, com base em levantamentos efectuados em anos anteriores, permite determinar perdas de capacidade de armazenamento e taxas de sedimentação. Pela diferença entre os modelos batimétricos de diferentes datas, é possível calcular a perda de capacidade de armazenamento da albufeira e as alterações da morfologia de fundo, nesse período de tempo. Dezembro de 2001 10/13
4. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS A metodologia agora apresentada servirá de base para a execução de futuros levantamentos batimétricos nas albufeiras constantes na rede sedimentológica a implementar (Álvares et al, 2001 (a)), introduzindo apenas pequenas alterações de acordo com as diferentes áreas em estudo. As considerações aqui expostas são fruto da experiência adquirida nos primeiros trabalhos efectuados. Nos levantamentos a executar será efectuada uma primeira fiada de contorno, prosseguindo para toda a área inundada em fiadas transversais ou longitudinais, relativamente à barragem e aos braços da albufeira, de acordo com a sua área e forma geométrica. A frequência de emissão de sinal (ping) da sonda poderá variar entre os 0.1 e 0.5 segundo conforme a dimensão da albufeira, devendo o levantamento ser efectuado com velocidades inferiores a 4 nós. O processamento de dados em gabinete, indica que a distância entre as fiadas não deverá exceder os 30 metros, devendo ser mais apertada em zonas com acentuada mudança de direcção. Quanto mais baixo for o nível de enchimento da albufeira, à data do levantamento batimétrico, maior é a área a cobrir pelo levantamento topográfico ou aerofotogramétrico. Os trabalhos de batimetria devem, por isso, realizar-se, preferencialmente, com a albufeira na sua capacidade máxima de armazenamento, devendo o levantamento complementar ser efectuado quando tiver ocorrido uma baixa de nível considerável, evitando assim áreas de sombra (não reconhecidas) e aumentando a área de sobreposição da informação. O método de interpolação utilizado para cálculo do modelo numérico de batimetria da albufeira será o comando TOPOGRID do Arc/Info pois foi aquele que conduziu a melhores resultados quer visualmente, quer nos vários testes realizados: parâmetros estatísticos; estatísticas descritivas e geração de curvas de nível e linhas de água. A eventual utilização de métodos de geoestatística, nomeadamente da Krigagem, permitirá determinar o número mínimo de pontos necessários na estimativa das superfícies batimétricas que representem a realidade do mesmo modo. A digitalização dos levantamentos existentes para todas as albufeiras está praticamente concluída pelo que a análise temporal das alterações morfológicas do fundo da albufeira é uma tarefa que será desenvolvida, paralelamente aos trabalhos de batimetria em curso. A disponibilização da informação cartográfica ao público é feita com acesso ao site do Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos (SNIRH), do Ministério do Ambiente e Ordenamento do Território (MAOT), onde poderão ser consultadas as superfícies batimétricas estimadas para cada albufeira através de ferramentas de SIG (Arc IMS). Também os relatórios produzidos são disponibilizados ao público em geral. A conjugação dos resultados obtidos a partir da monitorização batimétrica em albufeiras e cursos de água, com os dados de transporte sólido das estações de medição de caudal sólido - também contempladas na nova rede sedimentológica - permitirá avaliar o equilíbrio dos regimes fluviais dos principais cursos de água e a vulnerabilidade de estruturas e orgãos hidráulicos. Serão também implementados modelos de erosão e transporte sólido, onde serão integrados os dados de batimetria e transporte sólido para verificação destes dados e calibração dos modelos utilizados. Para dar resposta às actuais exigências ambientais e legislativas, a nova rede sedimentológica prevê ainda, no seu programa, a implementação de recolha de sedimentos de fundo para caracterização granulométrica, química e biológica. O processo de selecção do equipamento de recolha e dos procedimentos laboratoriais necessários está concluído, estando a sua aquisição prevista para breve. Dezembro de 2001 11/13
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