Apostila ( 06 )- Topografia

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Autora:

Profª Maria Cecília Bonato Brandalize – PUC-PR

8.6. Medida Eletrônica

De acordo com alguns autores, a medida eletrônica de distâncias não pode ser considerada um tipo de medida direta pois não necessita percorrer o alinhamento a medir para obter o seu comprimento.

Nem por isso deve ser considerada um tipo de medida indireta, pois não envolve a leitura de réguas e cálculos posteriores para a obtenção das distâncias.

Na verdade, durante uma medição eletrônica, o operador intervém muito pouco na obtenção das medidas, pois todas são obtidas automaticamente através de um simples pressionar de botão.

Este tipo de medição, no entanto, não isenta o operador das etapas de estacionamento, nivelamento e pontaria dos instrumentos utilizados, qualquer que seja a tecnologia envolvida no processo comum de medição.

Segundo LOCH e CORDINI (1995) os instrumentos eletrônicos apresentam inúmeras vantagens em relação aos tradicionais processos de medida, tais como: economia de tempo, facilidade de operação e, principalmente, precisão adequada aos vários tipos de trabalhos topográficos, cartográficos e geodésicos.

A medida eletrônica de distâncias baseia-se na emissão/recepção de sinais luminosos (visíveis ou não) ou de microondas que atingem um anteparo ou refletor. A distância entre o emissor/receptor e o anteparo ou refletor é calculada eletronicamente e, segundo KAVANAGH e BIRD (1996), baseia-se no comprimento de onda, na freqüência e velocidade de propagação do sinal.

Embora o tópico em discussão seja o da medida eletrônica de distâncias, alguns dos equipamentos que serão descritos em seguida também medem ângulos eletronicamente.

Assim, entre os principais equipamentos utilizados atualmente na medida eletrônica de distâncias e/ou ângulos, pode-se citar:

a)Trena Eletrônica

dispositivo eletrônico composto de um emissor/receptor de sinais que podem ser pulsações ultra-sônicas ou feixe de luz infravermelho;

o alcance depende do dispositivo;

normalmente, para a determinação de distâncias acima de 50 metros, é necessário utilizar um alvo eletrônico para a correta devolução do sinal emitido;

como explicitado anteriormente, o cálculo da distância é feito em função do tempo que o sinal emitido leva para atingir o alvo, ser refletido e recebido de volta; a freqüência e o comprimento do sinal são conhecidos pelo dispositivo;

o sinal é então recebido e processado e a distância calculada é mostrada num visor de cristal líquido (LCD);

alguns destes dispositivos são capazes de processar, entre outras coisas, áreas, volumes, adição e subtração de distâncias, etc.;

funciona com pilhas ou bateria, do tipo encontrado em supermercado;

o custo deste dispositivo, bem como, dos demais dispositivos que serão descritos mais adiante, varia muito e depende da tecnologia envolvida, das funções que disponibiliza e do fabricante.

As figuras a seguir ilustram trenas eletrônicas de diferentes fabricantes (SOKKIA e LEICA), selecionadas a partir de páginas da INTERNET.

     

A figura a seguir ilustra uma medição interna utilizando trena eletrônica onde a parede é o anteparo que reflete o sinal emitido. No caso, estão sendo tomadas a altura e largura de um aposento.

b)Teodolito Eletrônico

é um dispositivo com ótica de alto rendimento, mecânica de precisão, facilidade de utilização e altíssima confiabilidade;

normalmente faz parte de um sistema modular que permite adaptar outros equipamentos de medição (distanciômetro ou trena eletrônica) que se adeqüem às suas novas necessidades a um custo reduzido;

A figura a seguir ilustra um teodolito eletrônico da marca LEICA (modelo T460d) e uma trena eletrônica, também da LEICA, a ele acoplada para a medição das distâncias.

não utiliza, necessariamente, sinais refletores para a identificação do ponto a medir, pois é um equipamento específico para a medição eletrônica de ângulos e não de distâncias;

assim, possibilita a leitura de ângulos (Hz e V) contínuos em intervalos que variam de 20”, 10”, 7”, 5”, 3”, 2”, 1.5”, 1” e 0.5", dependendo da aplicação e do fabricante;

dispõe de prumo ótico ou a laser, como indica a figura a seguir, e com magnitude (focal) de até 2X;

possui visor de cristal líquido (LCD) com teclado de funções e símbolos específicos que têm por finalidade guiar o operador durante o levantamento;

o teclado, bem como o equipamento, são relativamente resistentes a intempéries;

alguns fabricantes já disponibilizam teodolitos à prova d’água;

funciona com bateria específica, porém, recarregável;

a luneta tem uma magnitude (focal) que varia de 26X a 30X;

permite medições sob temperaturas que variam de -20C a +50C, dependendo das especificações do fabricante;

pode ser utilizado em trabalhos de engenharia que envolvam medição de deformações em grandes obras (barragens, hidrelétricas, pontes, estruturas metálicas, etc.), medição industrial, exploração de minérios, em levantamentos topográficos e geodésicos, etc..

A figura a seguir ilustra um teodolito eletrônico da marca ZEISS (modelo eth2lrg). Percebem-se os visores LCD correspondentes ao ângulo vertical e horizontal medidos pelo aparelho.

c)Distanciômetro Eletrônico

é um equipamento exclusivo para medição de distâncias (DH, DV e DI);

a tecnologia utilizada na medição destas distâncias é a do infravermelho;

a precisão das medidas depende do modelo de equipamento utilizado;

A figura a seguir ilustra a vista posterior (teclado e visor) e anterior (emissor e receptor do infravermelho) de um distanciômetro da marca LEICA, modelo DI3000s.

 

é normalmente utilizado acoplado a um teodolito ótico-prismático convencional ou a um teodolito eletrônico;

o alcance deste equipamento varia entre 500m a 20.000m e depende da quantidade de prismas utilizados para a reflexão do sinal, bem como, das condições atmosféricas;

o prisma é um espelho circular, de faces cúbicas, utilizado acoplado a uma haste de metal ou bastão e que tem por finalidade refletir o sinal emitido pelo aparelho precisamente na mesma direção em que foi recebido;

o sinal refletor (bastão + prismas) deve ser posicionado sobre o ponto a medir, na posição vertical, com a ajuda de um nível de bolha circular ou de um bipé; e, em trabalhos de maior precisão, deverá ser montado sobre um tripé com prumo ótico ou a laser;

A figura a seguir ilustra um bastão, um prisma e um tripé específico para bastão, todos da marca SOKKIA.

                        

quanto maior a quantidade de prismas acoplados ao bastão, maior é o alcance do equipamento;

As figuras a seguir ilustram dois tipos de conjunto de prismas: o primeiro, com três prismas e alvo; o segundo, com nove prismas. Percebe-se que ambos estão acoplados a uma base triangular que pode ser nivelada e que pode ser apoiada sobre tripé apropriado.

                    

quando se utiliza o prisma acoplado a um bastão, é possível ajustar a altura do mesmo, que é graduado em centímetros e polegadas;

a determinação das distâncias é feita em poucos segundos e os resultados são visualizados através de um visor LCD;

funciona com bateria específica, porém, recarregável;

îpode ser utilizado em levantamentos geodésicos pois as distâncias reduzidas são corrigidas automaticamente dos efeitos da curvatura terrestre e da refração atmosférica.

d)Estação Total

de acordo com KAVANAGH e BIRD (1996), uma estação total é o conjunto definido por um teodolito eletrônico, um distanciômetro a ele incorporado e um microprocessador que automaticamente monitora o estado de operação do instrumento;

îportanto, este tipo de equipamento é capaz de medir ângulos horizontais e verticais (teodolito) e distâncias horizontais, verticais e inclinadas (distanciômetro), além de poder processar e mostrar ao operador uma série de outras informações, tais como: condições do nivelamento do aparelho, número do ponto medido, as coordenadas UTM ou geográficas e a altitude do ponto, a altura do aparelho, a altura do bastão, etc.;

a tecnologia utilizada na medição das distâncias é a do infravermelho;

îas medidas obtidas com o levantamento podem ser registradas em cadernetas de campo convencionais, através de coletores de dados, ou, como no caso dos equipamentos mais modernos, através de módulos específicos (tipo cartão PCMCIA) incorporados ao próprio aparelho;

o coletor de dados é normalmente um dispositivo externo (que pode ser uma máquina de calcular), conectado ao aparelho através de um cabo e capaz de realizar as etapas de fechamento e ajustamento do levantamento;

A figura a seguir ilustra um coletor de dados TOPCON, o cabo pelo qual está conectado à estação total e uma ampliação do visor LCD com informações sobre a medição.

na maioria das estações, os dados registrados pelo coletor podem ser transferidos para um computador através de uma interface RS 232 padrão (mesma utilizada nos computadores para ligação de scanners, plotters,  etc.);

a utilização de módulos ou cartões especiais (tipo PMCIA), quando cheios, podem ser removidos e transferidos para um computador (com slot PCMCIA ou com leitor externo) para processamento posterior.

A figura a seguir ilustra um cartão PCMCIA com capacidade de armazenamento entre 512 Kb a 4 Mb.

as estações são relativamente resistentes a intempéries e alguns fabricantes dispõem de modelos a prova d’água;

funcionam com bateria específica, porém, recarregável;

são muito utilizadas atualmente em qualquer tipo de levantamento, topográfico ou geodésico.

A figura a seguir ilustra uma estação total da LEICA, modelo TC600, com intervalo angular de 3”, precisão linear de 1,5mm e alcance de 2 km com um único prisma.

e)Nível Digital

é um nível para medição eletrônica e registro automático de distâncias horizontais e verticais ou diferenças de nível, portanto, não mede ângulos;

o seu funcionamento está baseado no processo digital de leitura, ou seja, num sistema eletrônico de varredura e interpretação de padrões codificados;

para a determinação das distâncias o aparelho deve ser apontado e focalizado sobre uma régua graduada cujas divisões estão impressas em código de barras (escala binária), como mostra a figura a seguir;

este tipo de régua, que pode ser de alumínio, metal ínvar ou fibra de vidro, é resistente à umidade e bastante precisa quanto à divisão da graduação;

os valores medidos podem ser armazenados internamente pelo próprio equipamento ou em coletores de dados. Estes dados podem ser transmitidos para um computador através de uma interface RS 232 padrão;

a régua é mantida na posição vertical, sobre o ponto a medir, com a ajuda de um nível de bolha circular, como mostra a figura a seguir;

o alcance deste aparelho depende do modelo utilizado, da régua e das condições ambientais (luz, calor, vibrações, sombra, etc.);

funciona com bateria específica, porém, recarregável;

é utilizado essencialmente em nivelamentos convencionais e na construção civil.

As figuras a seguir ilustram dois modelos de nível digital de diferentes fabricantes. O primeiro é da LEICA, modelo NA3000. O segundo é da SOKKIA, modelo SDL30.

    

f)Nível a Laser

é um nível automático cujo funcionamento está baseado na tecnologia do infravermelho;

assim como o nível digital, é utilizado na obtenção de distâncias verticais ou diferenças de nível e também não mede ângulos;

para a medida destas distâncias é necessário o uso conjunto de um detetor laser que deve ser montado sobre uma régua de alumínio, metal ínvar ou fibra de vidro;

A figura a seguir ilustra uma régua metálica com detetor laser adaptado, ambos da marca SOKKIA.

este tipo de nível é um aparelho peculiar pois não apresenta luneta nem visor LCD; a leitura da altura da régua (FM), utilizada no cálculo das distâncias por estadimetria, é efetuada diretamente sobre a mesma, com o auxílio do detetor laser, pela pessoa encarregada de segurá-la;

os detetores são dotados de visor LCD que automaticamente se iluminam e soam uma campainha ao detectar o raio laser emitido pelo nível;

alguns modelos de nível e detetores funcionam com pilha alcalina comum; outros, com bateria específica recarregável;

o alcance deste tipo de nível depende do modelo e marca, enquanto a precisão, depende da sensibilidade do detetor e da régua utilizada;

assim como para o nível digital, a régua deve ser mantida na posição vertical, sobre o ponto a medir, com a ajuda de um nível de bolha circular;

é utilizado em serviços de nivelamento convencional e na construção civil.

As figuras a seguir ilustram dois níveis a laser de diferentes fabricantes. O primeiro é um nível WILD LNA10 e, o segundo, um SOKKIA LP31. Estes níveis se auto nivelam (após ajuste grosseiro da bolha circular) e possuem um sistema giratório de emissão do infravermelho. O LNA10 tem um alcance de 80m e o LP31 de 120m.

             

g)Equipamentos Motorizados, Automáticos e Robotizados

podem ser teodolitos ou estações total;

são aparelhos destinados a medições de precisão em Geodésia;

os motorizados são indicados para medição em que não há necessidade de contato com o objeto a ser medido e em tarefas que requerem valores medidos a intervalos regulares de tempo;

têm como principal característica o auto-nivelamento (eletrônico) e o alinhamento automático;

os automáticos combinam a tecnologia dos motorizados com o reconhecimento automático do alvo (estático ou dinâmico);

os robotizados combinam a tecnologia dos automáticos com o acionamento por controle remoto;

A seqüência de figuras a seguir ilustra como é o procedimento, em campo, para:

a)      a)      Um levantamento utilizando uma estação total convencional com um operador realizando as etapas de estacionamento, nivelamento, prumo, pontaria e registro das leituras e um auxiliar para segurar o sinal refletor na posição vertical.

b)      b)      Um levantamento utilizando uma estação total com reconhecimento automático do alvo com um operador realizando as etapas de estacionamento, nivelamento, prumo, pontaria grosseira e registro das leituras e um auxiliar para segurar o sinal refletor.

c)      c)      Um levantamento utilizando uma estação total robotizada com um operador realizando as etapas de estacionamento, nivelamento e prumo e um auxiliar para segurar o sinal refletor e controlar remotamente a estação. Neste caso, uma única pessoa poderia comandar o serviço sozinha.

      

os equipamentos mais modernos dispensam o sinal refletor para distâncias inferiores a 80m. Acima desta distância e com um alcance de 300m, ao invés de um sinal refletor, pode ser utilizada uma fita adesiva reflexiva. Com um prisma somente, o alcance destes equipamentos pode chegar a 5.000m;

como a base de funcionamento destes aparelhos é o infravermelho e a comunicação é por telemetria, o sistema pode ser utilizado, com eficiência, durante a noite e por uma única pessoa;

alguns destes aparelhos funcionam com tecnologia de microondas, o que permite um alcance superior a 50.000m;

são aplicados, principalmente, em trabalhos de controle e monitoramento de obras, medição de deformações e deslocamentos de terras.

Obs.: segundo alguns fabricantes, o raio infravermelho emitido pelos equipamentos eletrônicos de medição, visível ou não, é inofensivo e enviado por um diodo que pertence à classe dos laser 1. Este raio é normalmente afetado pelas variações bruscas de temperatura, pressão atmosférica e umidade. Portanto, é aconselhável que os levantamentos sejam efetuados em dias de boas condições atmosféricas.

8.7. Erros na Medida Eletrônica

Os erros que ocorrem durante a medida eletrônica de ângulos e distâncias não diferem muito dos que ocorrem com a medida indireta. São eles:

erro linear de centragem do instrumento: já descrito anteriormente.

erro linear de centragem do sinal-refletor: ocorre quando a projeção do centro do sinal não coincide com a posição do ponto sobre o qual está estacionado. Uma das maneiras de se evitar este tipo de erro é utilizar um bipé para o correto posicionamento do sinal sobre o ponto.

erro de calagem ou nivelamento do instrumento: já descrito anteriormente.

erro de pontaria: ocorre quando o centro do retículo do aparelho (cruzeta) não coincide com o centro do prisma que compõe o sinal refletor.

erro de operação do instrumento: ocorre quando o operador não está familiarizado com as funções, programas e acessórios informatizados (coletores) que acompanham o instrumento.

9. Posicionamento por Satélites

O posicionamento por satélites se dá através da utilização de um equipamento denominado GPSGlobal Positioning System.

O GPS não é um equipamento utilizado na medida de ângulos e/ou de distâncias, porém, é muito empregado atualmente em serviços de Topografia e Geodésia pois possibilita a localização espacial de um ponto no terreno em tempo real.

Esta localização espacial do ponto inclui a sua determinação através de coordenadas planas UTM (E, N) ou através de coordenadas Geográficas (f, l), além da altura ou altitude (h).

O sistema GPS foi originalmente idealizado pelo Departamento de Defesa (DOD) dos Estados Unidos da América e, embora esteja sendo utilizado por milhares de civis em todo o mundo, é operado exclusivamente pelos militares americanos.

Segundo P. H. DANA (1998) este sistema consiste de três segmentos distintos, são eles:

9.1. Sistema Espacial

É composto de 24 satélites artificiais (21 operacionais e 3 reservas) que orbitam ao redor da Terra distribuídos em 6 planos orbitais (4 satélites por plano) espaçados de 60º e inclinados, em relação ao plano do Equador, de 55º.

Cada satélite completa uma órbita ao redor da Terra em aproximadamente 12 horas, a uma altitude de 20.200 km.

Esta distribuição e cobertura permite que um observador localizado em qualquer ponto da superfície terrestre tenha sempre disponível entre 5 a 8 satélites visíveis para a determinação da sua posição.

O primeiro satélite GPS foi lançado em fevereiro de 1978 e todos eles funcionam através de painéis solares, transmitindo informações em três freqüências distintas.

A freqüência rastreada pelos receptores GPS civis é conhecida como “L1” e é da ordem de 1575,42 MHz.

Cada satélite tem uma vida útil de 10 anos e o programa americano prevê a constante substituição dos mesmos até o ano de 2006.

A figura a seguir ilustra a constelação de satélites disponíveis e sua respectiva distribuição nos planos orbitais.

9.2. Sistema de Controle

Consiste de estações de rastreamento espalhadas pelo mundo. Estas têm a função de computar os dados orbitais e corrigir o relógio de cada satélite.

A figura a seguir ilustra a distribuição das estações de rastreamento no mundo.

A figura a seguir ilustra como a estação de rastreamento ou controle, o satélite e o receptor GPS interagem entre si.

9.3. Sistema do Usuário

Consiste dos receptores GPS e da comunidade de usuários.

Cada satélite emite uma mensagem que, a grosso modo, significa: “Eu sou o satélite X, minha posição atual é Y e esta mensagem foi enviada no tempo Z”.

Os receptores GPS estacionados sobre a superfície terrestre recebem estas mensagens e, em função da diferença de tempo entre a emissão e a recepção das mesmas, calculam as distâncias de cada satélite em relação aos receptores.

Desta forma, é possível determinar, com um mínimo de três satélites, a posição 2D (E,N ou f,l) dos receptores GPS. Com quatro ou mais satélites, também é possível determinar a altitude (h), ou seja, a sua posição 3D.

Se a atualização da posição dos receptores GPS é contínua, é possível determinar a sua velocidade de deslocamento e sua direção.

Além do posicionamento, os receptores GPS são também muito utilizados na navegação (aviões, barcos, veículos terrestres e pedestres).

A precisão alcançada na determinação da posição depende do receptor GPS utilizado, bem como, do método empregado (Estático, Dinâmico, etc.).

O custo de um levantamento utilizando receptores GPS é diretamente proporcional à precisão requerida. Assim, receptores de baixo custo (»U$500.00) proporcionam precisão de 100m a 150m, enquanto receptores de alto custo (»U$40,000.00) proporcionam precisão de 1mm a 1cm.

É importante salientar que o receptor GPS não pode ser empregado para determinar posições onde não é possível detectar o sinal emitido pelos satélites, ou seja, no interior da maioria dos edifícios, em áreas urbanas muito densas, em túneis, minas e embaixo d’água; e o funcionamento destes aparelhos independe das condições atmosféricas.

As figuras a seguir ilustram um dos satélites GPS e um receptor GPS da GARMIN com precisão de 100m.

         

10. Dispositivos de Segurança

Durante todo e qualquer levantamento topográfico ou geodésico os cuidados com o equipamento e com o pessoal envolvido são fundamentais para o bom andamento dos serviços.

Assim, em alguns países, é obrigatório a utilização de certos dispositivos de segurança que permitem a visualização e o reconhecimento de equipamentos e pessoas à distância, bem como, de controle e desvio do tráfego em áreas urbanas ou em estradas.

As figuras a seguir ilustram alguns destes dispositivos.

            

 

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