15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICO EXPEDITO DE

BOÇOROCAS COM TELÊMETRO A LASER

Samuel Barsanelli Costa 1; Thiago Bueno de Araujo 2

Resumo – O levantamento topográfico planialtimétrico é uma etapa fundamental em projetos de controle de processos erosivos e inúmeras técnicas têm sido estudadas e aplicadas a esse fim, dentre as quais se apresentam os telêmetros a laser (Laser Rangefinder), sensores de distância que se destacam pela facilidade de uso, alta produtividade e possibilidade de emprego simultâneo com sensores de inclinação (hipsômetros), bússolas eletrônicas e receptores DGPS, compondo soluções de mapeamento de baixo custo e média acurácia. Com o objetivo de aplicar essa tecnologia na caracterização de processos erosivos, este trabalho apresenta o levantamento topográfico expedito da boçoroca de reativação da cabeceira do córrego do Grito (Rancharia/SP), demonstrando seu potencial na representação de seções transversais e delimitação de contornos, com destaque às funcionalidades de triangulação e georreferenciamento de pontos remotos.

Abstract – Land surveying is a key step in erosion control projects and numerous techniques have been studied and applied for this purpose, among which are laser rangefinders, distance sensors that overcomes by its user friendly operation, high productivity and the possibility of running together with tilt sensors, electronic compass and DGPS receivers, making low cost mapping solutions with medium accuracy. In order to apply this technology in the characterization of gullies, this work presents a moderate accuracy survey over the headward erosion of Grito’s stream (Rancharia/SP), showing its potential in representing cross-sections and delimiting boundaries, highlighting its laser offset functionality.

Palavras-Chave – EROSÃO; BOÇOROCA; MAPEAMENTO; LEVANTAMENTO TOPOGRÁFICO EXPEDITO; HIPSÔMETRO; TELÊMETRO; LASER.

1 Eng. Amb., Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT: São Paulo – SP, (11) 3767-4096, sbcosta@ipt.br

2 Eng. Amb., Universidade Federal do ABC: Santo André – SP, thiagob.araujo@hotmail.com

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1. INTRODUÇÃO

O levantamento topográfico planialtimétrico é uma etapa fundamental em projetos de controle de processos erosivos. Em conjunto com a caracterização geológico-geotécnica, proporciona o entendimento da sua dinâmica de evolução superficial e subsidia a proposição de medidas de engenharia para a estabilização de seus taludes e redução dos riscos às áreas adjascentes.

Inúmeras técnicas têm sido estudadas e aplicadas à representação planialtimétrica de erosões, para fins de obtenção de seções transversais representativas da massa de solo erodida e volumes de perda de solo. Nesses estudos, os métodos topográficos convencionais, tais como estações totais, são sistematicamente comparados com novas técnicas de sensoriamento remoto e varredura laser (terrestre e aerotransportada), em termos de acurácia e produtividade (BREMER; SASS, 2012; CASTILLO et al., 2012; DESPRATS et al., 2013; GÓMEZ-GUTIÉRREZ et al., 2014; PERROY et al., 2010; RESOP; HESSION, 2010; VINCI et al., 2015).

Dentre as novas tecnologias que buscam otimizar tempo e custo, produzindo levantamentos de campo com confiabilidade, apresenta-se o telêmetro a laser (Laser Rangefinder), que utiliza feixes de laser para determinar a distância a um objeto, baseado na estimativa de tempo que o pulso de laser leva para chegar ao alvo, ser refletido e retornar ao equipamento. Tal tecnologia foi apontada como melhor prática no levantamento morfológico de canais fluviais pelo Serviço Florestal dos Estados Unidos da América (LANIGAN et al., 2013), devido à sua facilidade de uso, produtividade e reduzido tempo de treinamento das equipes.

Atualmente, encontram-se disponíveis no mercado produtos que incorporam sensores a laser de distância (telêmetros), sensores de inclinação (hipsômetros) e bússolas eletrônicas, produzindo rotinas de cálculos trigonométricos que integram as leituras de forma simultânea.

Comparados com técnicas de referência, reconhecidas por sua comprovada acurácia e alta densidade de aquisição, os hipsômetros-telêmetros a laser são classificados como medidores de média acurácia. O tempo de levantamento é comparável ao de uma estação total. Se comparado à varredura laser terrestre (Terrestrial Laser Scanner), os custos chegam a ser trinta vezes menores, com erros percentuais (em área) da ordem de 10%, subestimando as seções transversais. Tal erro, no entanto, pode ser reduzido desde que calibrações prévias sejam conduzidas em campo (CASTILLO et al., 2012).

O objetivo deste trabalho é apresentar a aplicação de uma solução de mapeamento a laser, composta por um telêmetro-hipsômetro e um GPS diferencial (DGPS), no levantamento topográfico expedito de um processo erosivo localizado no município de Rancharia/SP.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Caracterização da área de estudo

O processo erosivo levantado localiza-se no município de Rancharia/SP, ao sul da Avenida Dom Pedro II (Figura 1). Trata-se de uma boçoroca de reativação da cabeceira do córrego do Grito, afluente do ribeirão Rancharia/ribeirão Capivari/rio Paranapanema. Sua bacia de contribuição abrange a porção oeste da área urbana do município.

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Figura 1. Localização da área de estudo.

O substrato rochoso da área de estudo é composto pelos arenitos da Formação Adamantina, correlata ao Grupo Bauru, de idade cretácea (Bacia do Paraná). O relevo caracteriza-se por colinas amplas, com declividades predominantes entre 0 - 3% e 3 - 6% e amplitudes locais de até 100 m. Predominam solos do tipo Latossolo Vermelho-Amarelo fase arenosa, ocorrendo também solos hidromórficos e depósitos aluvionares junto às linhas de drenagem. Os perfis de alteração são caracterizados por um horizonte de 6 a 8 m de solo superficial arenoso, homogêneo e de cor vermelha-castanho. A passagem para o horizonte de solo saprolítico ou residual jovem é gradual. Afloramentos do saprolito ou do arenito alterado só se fazem presentes em alguns trechos dos talvegues das drenagens (INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS, 1997).

2.2. Metodologia

O levantamento topográfico expedito, proposto para fins de definição de diretrizes e recomendações para estabilização da boçoroca do córrego do Grito, consistiu na delimitação de sua borda (crista dos taludes laterais, onde se identifica uma mudança brusca de declividade, a partir do qual o relevo apresenta suas características morfológicas originais) e na representação geométrica de algumas seções transversais ao longo do processo.

Foi utilizado um hipsômetro-telêmetro a laser modelo TruPulse 360B, produzido pela Laser Technology, e um receptor DGPS modelo MobileMapper 20, produzido pela Spectra Precision (Figura 2). Nessa solução de mapeamento, o hipsômetro-telêmetro é responsável pelo cálculo das distâncias, ângulos e azimutes, e o DGPS pela amarração geográfica dos pontos de estacionamento do hipsômetro-telêmetro (estações base). Os equipamentos foram montados em um tripé de fibra de carbono e distanciados em 50 cm, devido à sensibilidade da bússola a objetos metálicos e eletrônicos.

Segundo os fabricantes, a acurácia esperada do TruPulse 360B para distâncias é da ordem de 30 cm (para alvos típicos) a 1 m (para alvos de baixa reflexão), 0,25º para ângulos de inclinação e 1º para azimute. Quanto ao MobileMapper 20, a acurácia para posicionamento pós-processado é da ordem de 70 cm.

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Figura 2. Hipsômetro-telêmetro (A) e DGPS (B) montados em um tripé de fibra de carbono (C).

O hipsômetro-telêmetro utilizado possibilita a medição direta de alvos, tendo o seu eixo como referencial da triangulação (Figura 3) ou a medição de alvos remotos (Missing Line), retornando como resposta a triangulação entre dois pontos afastados do seu eixo (Figura 4). As leituras de distância em projeção horizontal (HD), projeção vertical (VD), distância inclinada (SD), ângulo de inclinação (INC) e azimute (AZ) são exibidas na ocular do equipamento e a cada nova medição os dados anteriores são perdidos (não há memória interna de armazenamento).

As informações exibidas pelo equipamento foram transcritas em planilhas de campo, tradicionalmente utilizadas em levantamentos topográficos, com tomada das coordenadas da estação base (pós-processadas a posteriori), altura do equipamento, identificação do ponto visado, altura da baliza, distancia horizontal, vertical e inclinada, ângulo de inclinação e azimute. Foi elaborada uma placa reflexiva, instalada sobre baliza, com altura ajustável (Figura 5), para facilitar a visualização do alvo na ocular do hipsômetro-telêmetro; no caso medições na própria superfície do relevo (sem uso de baliza), a altura da baliza na planilha foi identificada por “zero”.

Figura 3. Hipsômetro-telêmetro em modo de medição direta.

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Figura 4. Hipsômetro-telêmetro em modo de medição de alvos remotos (Missing Line).

Figura 5. Placa reflexiva montada sobre uma baliza, com altura ajustável.

A solução de mapeamento empregada também possibilita a realização de georreferenciamento remoto de pontos a partir de uma única estação base, facilitando a delimitação da borda da boçoroca. Para essa rotina, são necessárias as coordenadas (projetadas) da estação base, as distâncias horizontais para os alvos e os azimutes (em radianos), aplicados na forma da Equação 1 (coordenada EW) e Equação 2 (coordenada NS). Para a leitura correta do Azimute, o hipsômetro-telêmetro possibilita a definição da declinação magnética na área de estudo, para o momento da realização do levantamento.

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[ ( ) ] (1)

[ ( ) ] (2)

3. RESULTADOS

A Figura 6 apresenta as dez seções transversais levantadas na boçoroca e a delimitação de sua borda, em planta. As seções transversais foram alocadas de forma a melhor representar as diferenças morfológicas ao longo do processo erosivo. Devido ao porte da vegetação, principalmente na margem esquerda (Figura 7), algumas medições foram dificultadas, motivo pelo qual as seções não apresentam seu traçado perfeitamente retilíneo e o levantamento das seções C, D e E não foi estendido para além dos limites da borda.

Figura 6. Vista em planta das seções transversais e da borda da boçoroca. Na nomenclatura das estacas, a primeira letra refere-se à estaca cravada (E), a segunda à seção (A a J) e a terceira à margem (D, direita).

A cota topográfica das estacas foi obtida por meio de nivelamento e contranivelamento (para fins de correção de eventuais erros de medição), atribuindo-se à estaca EAD a cota de referência 100 m. As estacas (margem direita) também foram definidas como origem cartesiana das seções (x = 0 m). Um sumário desse levantamento é apresentado na Tabela 1, Figura 8 e Figura 9. Todas as seções são apresentadas com o referencial de visada para montante (menores valores do eixo x representando a margem direita).

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Figura 7. Vista do talude lateral esquerdo, densamente vegetado.

Tabela 1. Cota das seções transversais

Figura 8. Detalhe da seção A (medidas em metros, exagero vertical de 3x).

Seção Cota (m)

A 100,0

B 98,7

C 97,0

D 97,7

E 95,0

F 92,4

G 90,7

H 87,9

I 84,6

J 83,3

Seção A

Seção B

Seção C

Seção D

Seção E

Seção F

Seção G

Seção H

Seção I

Seção J

Figura 9. Seções transversais (medidas em metros, exagero vertical de 4x).

75

80

85

90

95

100

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

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Os trabalhos de campo demonstraram que, apesar da capacidade de resposta do hipsômetro-telêmetro em alvos não reflexivos (diretamente na superfície do relevo), obteve-se maior confiabilidade na medição sobre a placa reflexiva instalada na baliza. Entretanto, leituras sobre alvos não reflexivos são possíveis, desde que seja possível garantir que não haja obstrução no caminho a ser percorrido pelo feixe laser. A presença de folhas de arbustos ou gramíneas, por exemplo, tanto próximas ao equipamento quanto próximas ao alvo, podem obstruir o feixe e produzir uma falsa resposta na medição. Cabe ao operador, nesses casos, a percepção sobre a coerência da leitura.

A exemplo, comparando-se medições sobre taludes com solo exposto (Figura 10), sem obstrução da visada, em distâncias da ordem de 20 metros, não foram observadas diferenças nas leituras com e sem a utilização do alvo reflexivo.

Figura 10. Talude com solo exposto, onde foram obtidas medidas iguais com e sem o uso de alvo reflexivo, em distâncias da ordem de 20 m.

Nesse contexto, considera-se importante que futuros trabalhos adotem como protocolo a calibração metódica, in loco, a partir da medição de distâncias horizontais conhecidas (medidas com trena, por exemplo) sobre alvos distintos, reflexivos e não reflexivos (solos com diferentes características de cor e textura, vegetação, diferentes condições de luminosidade), a fim de identificar possíveis erros sistemáticos de leitura.

Por fim, destacam-se, ainda, os seguintes aspectos da aplicação da solução de mapeamento a laser, apresentada nesse trabalho, no levantamento topográfico expedito de boçorocas:

i. A exatidão nominal do hipsômetro-telêmetro (30 cm) mostrou-se satisfatória, uma vez que o levantamento topográfico expedito não apresenta critérios de exatidão. Apesar de não ter sido conduzida nenhuma comparação sistemática com outros métodos, a percepção dos operadores foi de medições com erros inferiores ao nominal para pequenas distâncias, demonstrando a necessidade de comparação com outros métodos em futuros trabalhos;

ii. A utilização de GPS diferencial para georreferenciamento das estações base é fundamental, a fim de garantir a confiabilidade do levantamento. Ele é necessário, principalmente, para a delimitação das bordas, uma vez que essa atividade demanda

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a movimentação constante do equipamento, posicionando-o em pontos de visada favoráveis aos diversos trechos a serem levantados;

iii. Visadas parcialmente obstruídas por árvores ou gramíneas devem ter atenção redobrada, uma vez que obstáculos com possibilidade de movimento com o vento podem, subitamente, interceptar o feixe laser, gerando falsa leitura. Uma vez mais, cabe ao operador a percepção sobre a coerência das medições;

iv. Vislumbra-se a possibilidade de utilização dessa solução de mapeamento em levantamentos topográficos expeditos com produção de mapas de curvas de nível, sendo necessário o desenvolvimento de estudos que definam os limites aceitáveis de equidistância das curvas, de acordo com a acurácia do equipamento e condições de uso.

4. CONCLUSÕES

A utilização de hipsômetros-telêmetros a laser tem sido ampliada nos últimos anos, em especial por sua capacidade de georreferenciamento e triangulação de pontos remotos, aumentando a produtividade dos trabalhos de campo e proporcionando maior segurança aos operadores em locais de difícil acesso. O presente trabalho demonstrou seu potencial de uso na caracterização de processos erosivos, sendo que os resultados mostraram-se satisfatórios para levantamentos topográficos expeditos de média acurácia.

Para futuros trabalhos, recomenda-se a calibração prévia do hipsômetro-telêmetro in loco, a partir da medição de distâncias horizontais conhecidas sobre alvos distintos, reflexivos e não reflexivos, a fim de identificar possíveis erros sistemáticos de leitura.

REFERÊNCIAS

BREMER, M.; SASS, O. Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion

and deposition by a debris flow event. Geomorphology, v.138, n.1, p.49–60, 2012.

CASTILLO, C. et al. Comparing the Accuracy of Several Field Methods for Measuring Gully

Erosion. Soil Science Society of America Journal, v.76, n.4, p.1319, 2012.

DESPRATS, J. F. et al. Mapping Linear Erosion Features Using High And Very High Resolution

Satellite Imagery. Land Degradation & Development, v.24, n.1, p.22–32, 2013.

GÓMEZ-GUTIÉRREZ, Á. et al. Using 3D photo-reconstruction methods to estimate gully headcut

erosion. CATENA, v.120, p.91–101, 2014.

INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS. Diagnóstico e proposição de medidas

emergenciais e corretivas para 03 erosões de grande porte, localizadas no perímetro urbano do

município de Rancharia/SP. IPT, 1997. (Parecer Técnico 7.146).

LANIGAN, S. et al. Aquatic and Riparian Effectiveness Monitoring Program: 2012 Annual Report.

USDA Forest Service/USDI Bureau of Land Management, 2013.

PERROY, R. L. et al. Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based

LiDAR on Santa Cruz Island, California. Geomorphology, v.118, n.3,–n.4, p.288–300, 2010.

RESOP, J. P.; HESSION, W. C. Terrestrial Laser Scanning for Monitoring Streambank Retreat:

Comparison with Traditional Surveying Techniques. Journal of Hydraulic Engineering, v.136, n.10,

p.794–798, 2010.

VINCI, A. et al. Measuring rill erosion by laser scanning. CATENA, v.124, p.97–108, 2015.