Noções Básicas de Cartografia

I - INTRODUÇÃO

1 - HISTÓRICO

Mesmo considerando todos os avanços científicos e tecnológicos produzidos pelo homem através dos tempos, é possível, nos dias de hoje, entender a condição de perplexidade de nossos ancestrais, no começo dos dias, diante da complexidade do mundo a sua volta. Podemos também intuir de que maneira surgiu no homem a necessidade de conhecer o mundo que ele habitava.

O simples deslocamento de um ponto a outro na superfície de nosso planeta, já justifica a necessidade de se visualizar de alguma forma as características físicas do "mundo". É fácil imaginarmos alguns dos questionamentos que surgiram nas mentes de nossos ancestrais, por exemplo: como orientar nossos deslocamentos? Qual a forma do planeta? etc..

O conceito de Cartografia tem suas origens intimamente ligadas às inquietações que sempre se manifestaram no ser humano, no tocante a conhecer o mundo que ele habita.

O vocábulo CARTOGRAFIA, etmologicamente - descrição de cartas, foi introduzido em 1839, pelo segundo Visconde de Santarém - Manoel Francisco de Barros e Souza de Mesquita de Macedo Leitão, (1791 - 1856). A despeito de seu significado etmológico, a sua concepção inicial continha a idéia do traçado de mapas. No primeiro estágio da evolução o vocábulo passou a significar a arte do traçado de mapas, para em seguida, conter a ciência, a técnica e a arte de representar a superfície terrestre.

Em 1949 a Organização das Nações Unidas já reconhecia a importância da Cartografia através da seguinte assertiva, lavrada em Atas e Anais:

"CARTOGRAFIA - no sentido lato da palavra não é apenas uma das ferramentas básicas do desenvolvimento econômico, mas é a primeira ferramenta a ser usada antes que outras ferramentas possam ser postas em trabalho."(1)

(1) ONU, Departament of Social Affair. MODERN CARTOGRAPHY - BASE MAPS FOR WORLDS NEEDS. Lake Success.

O conceito da Cartografia, hoje aceito sem maiores contestações, foi estabelecido em 1966 pela Associação Cartográfica Internacional (ACI), e posteriormente, ratificado pela UNESCO, no mesmo ano: "A Cartografia apresenta-se como o conjunto de estudos e operações científicas, técnicas e artísticas que, tendo por base os resultados de observações diretas ou da análise de documentação, se voltam para a elaboração de mapas, cartas e outras formas de expressão ou representação de objetos, elementos, fenômenos e ambientes físicos e socioeconômicos, bem como a sua utilização."

O processo cartográfico, partindo da coleta de dados, envolve estudo, análise, composição e representação de observações, de fatos, fenômenos e dados pertinentes a diversos campos científicos associados a superfície terrestre.

2 - FORMA DA TERRA

A forma de nosso planeta (formato e suas dimensões) é um tema que vem sendo pesquisado ao longo dos anos em várias partes do mundo. Muitas foram as interpretações e conceitos desenvolvidos para definir qual seria a forma da Terra. Pitágoras em 528 a.C. introduziu o conceito de forma esférica para o planeta, e a partir daí sucessivas teorias foram desenvolvidas até alcançarmos o conceito que é hoje bem aceito no meio científico internacional.

A superfície terrestre sofre freqüentes alterações devido à natureza (movimentos tectônicos, condições climáticas, erosão, etc.) e à ação do homem, portanto, não serve para definir forma sistemática da Terra.

A fim de simplificar o cálculo de coordenadas da superfície terrestre foram adotadas algumas superfície matemática simples. Uma primeira aproximação é a esfera achatada nos pólos.

Segundo o conceito introduzido pelo matemático alemão CARL FRIEDRICH GAUSS (1777-1855), a forma do planeta, é o GEÓIDE (Figura 1.2) que corresponde à superfície do nível médio do mar homogêneo (ausência de correntezas, ventos, variação de densidade da água, etc.) supostamente prolongado por sob continentes. Essa superfície se deve, principalmente, às forças de atração (gravidade) e força centrífuga (rotação da Terra).

Os diferentes materiais que compõem a superfície terrestre possuem diferentes densidades, fazendo com que a força gravitacional atue com maior ou menor intensidade em locais diferentes.

As águas do oceano procuram uma situação de equilíbrio, ajustando-se às forças que atuam sobre elas, inclusive no seu suposto prolongamento. A interação (compensação gravitacional) de forças buscando equilíbrio, faz com que o geóide tenha o mesmo potencial gravimétrico em todos os pontos de sua superfície.

É preciso buscar um modelo mais simples para representar o nosso planeta. Para contornar o problema que acabamos de abordar lançou-se mão de uma Figura geométrica chamada ELIPSE que ao girar em torno do seu eixo menor forma um volume, o ELIPSÓIDE DE REVOLUÇÃO, achatado no pólos (Figura 1.1). Assim, o elipsóide é a superfície de referência utilizada nos cálculos que fornecem subsídios para a elaboração de uma representação cartográfica.

Muitos foram os intentos realizados para calcular as dimensões do elipsóide de revolução que mais se aproxima da forma real da Terra, e muitos foram os resultados obtidos. Em geral, cada país ou grupo de países adotou um elipsóide como referência para os trabalhos geodésicos e topográficos, que mais se aproximasse do geóide na região considerada.

A forma e tamanho de um elipsóide, bem como sua posição relativa ao geóide define um sistema geodésico (também designado por datum geodésico). No caso brasileiro adota-se o Sistema Geodésico Sul Americano - SAD 69, com as seguintes características:

- Elipsóide de referência - UGGI 67 (isto é, o recomendado pela União Geodésica e Geofísica Internacional em 1967) definido por:

- semi-eixo maior - a: 6.378.160 m
- achatamento - f: 1/298,25

- Origem das coordenadas (ou Datum planimétrico):

- estação : Vértice Chuá (MG)
- altura geoidal : 0 m
- coordenadas: Latitude: 19º 45º 41,6527’’ S
                      Longitude: 48º 06’ 04,0639" W
- azimute geodésico para o Vértice Uberaba : 271º 30’ 04,05"

O Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) é constituido por cerca de 70.000 estações implantadas pelo IBGE em todo o Território Brasileiro, divididas em três redes:

- Planimétrica: latitude e longitude de alta precisão
- Altimétrica: altitudes de alta precisão
- Gravimétrica: valores precisos de aceleração da gravidade

Para origem das altitudes (ou Datum altimétrico ou Datum vertical) foram adotados:

Porto de Santana - correspondente ao nível médio determinado por um marégrafo instalado no Porto de Santana (AP) para referenciar a rede altimétrica do Estado do Amapá que ainda não está conectada ao restante do País.

Imbituba - idem para a estação maregráfica do porto de Imbituba (SC), utilizada como origem para toda rede altimétrica nacional à exceção do estado Amapá.

3 - LEVANTAMENTOS

Compreende-se por levantamento o conjunto de operações destinado à execução de medições para a determinação da forma e dimensões do planeta.

Dentre os diversos levantamentos necessários à descrição da superfície terrestre em suas múltiplas características, podemos destacar:

3.1 - LEVANTAMENTOS GEODÉSICOS

GEODÉSIA - "Ciência aplicada que estuda a forma, as dimensões e o campo de gravidade da Terra".

FINALIDADES - Embora a finalidade primordial da Geodésia seja cientifica, ela é empregada como estrutura básica do mapeamento e trabalhos topográficos, constituindo estes fins práticos razão de seu desenvolvimento e realização, na maioria dos países.

Os levantamentos geodésicos compreendem o conjunto de atividades dirigidas para as medições e observações que se destinam à determinação da forma e dimensões do nosso planeta (geóide e elipsóide). É a base para o estabelecimento do referencial físico e geométrico necessário ao posicionamento dos elementos que compõem a paisagem territorial.

Os levantamentos geodésicos classificam-se em três grandes grupos:

a) Levantamentos Geodésicos de Alta Precisão (Âmbito Nacional)

- Científico: Dirigido ao atendimento de programas internacionais de cunho científico e a Sistemas Geodésicos Nacionais.

- Fundamental (1ª Ordem): Pontos básicos para amarração e controle de trabalhos geodésicos e cartográficos, desnvolvido segundo especificações internacionais, constituindo o sistema único de referência.

b) Levantamentos Geodésicos de Precisão (Âmbito Nacional)

- Para áreas mais desenvolvidas (2ª ordem): Insere-se diretamente no grau de desenvolvimento socioeconômico regional. É uma densificação dos Sistemas Geodésicos Nacionais a partir da decomposição de Figura s de 1ª ordem.

- Para áreas menos desenvolvidas (3ª ordem): Dirigido às áreas remotas ou aquelas em que não se justifiquem investimentos imediatos.

c) Levantamentos Geodésicos para fins Topográficos (Local)

Têm características locais. Dirigem-se ao atendimento dos levantamentos no horizonte topográfico. Têm a finalidade de fornecer o apoio básico indispensável às operações topográficas de levantamento, para fins de mapeamento com base em fotogrametria

Os levantamentos irão permitir o controle horizontal e vertical através da determinação de coordenadas geodésicas e altimétricas.

3.1.1 - MÉTODOS DE LEVANTAMENTOS

3.1.1.1 - LEVANTAMENTO PLANIMÉTRICO

Dentre os levantamentos planimétricos clássicos, merecem destaque:

- Triangulação: Obtenção de Figura s geométricas a partir de triângulos formados através da medição dos ângulos subtendidos por cada vértice. Os pontos de triangulação são denominados vértices de triangulação (VVTT). É o mais antigo e utilizado processo de levantamento planimétrico.

- Trilateração: Método semelhante à triangulação e, como aquele, baseia-se em propriedades geométricas a partir de triângulos superpostos, sendo que o levantamento será efetuado através da medição dos lados.

- Poligonação: É um encadeamento de distâncias e ângulos medidos entre pontos adjacentes formando linhas poligonais ou polígonos. Partindo de uma linha formada por dois pontos conhecidos, determinam-se novos pontos, até chegar a uma linha de pontos conhecidos.

3.1.1.2 - LEVANTAMENTO ALTIMÉTRICO

Desenvolveu-se na forma de circuitos, servindo por ramais às cidades, vilas e povoados às margens das mesmas e distantes até 20 km. Os demais levantamentos estarão referenciados ao de alta precisão.

- Nivelamento Geométrico: É o método usado nos levantamentos altimétricos de alta precisão que se desenvolvem ao longo de rodovias e ferrovias. No SGB, os pontos cujas altitudes foram determinadas a partir de nivelamento geométrico são denominados referências de nível (RRNN).

- Nivelamento Trigonométrico: Baseia-se em relações trigonométricas. É menos preciso que o geométrico, fornece apoio altimétrico para os trabalhos topográficos.

- Nivelamento Barométrico: Baseia-se na relação inversamente proporcional entre pressão atmosférica e altitude. É o de mais baixa precisão, usado em regiões onde é impossível utilizar-se os métodos acima ou quando se queira maior rapidez.

3.1.1.3 - LEVANTAMENTO GRAVIMÉTRICO

A gravimetria tem por finalidade o estudo do campo gravitacional terrestre, possibilitando, a partir dos seus resultados, aplicações na área da Geociência como por exemplo, a determinação da Figura e dimensões da Terra, a investigação da crosta terrestre e a prospecção de recursos minerais.

As especificações e normas gerais abordam as técnicas de medições gravimétricas vinculadas às determinações relativas com uso de gravímetros estáticos.

À semelhança dos levantamentos planimétricos e altimétricos, os gravimétricos são desdobrados em: Alta precisão, precisão e para fins de detalhamento.

Matematicamente, esses levantamentos são bastante similares ao nivelamento geométrico, medindo-se diferenças de aceleração da gravidade entre pontos sucessivos.

3.2 - LEVANTAMENTOS TOPOGRÁFICOS

São operações através das quais se realizam medições, com a finalidade de se determinar a posição relativa de pontos da superfície da Terra no horizonte tropográfico (correspondente a um círculo de raio 10 km).

Figura 1.3 - Maior parte da rede nacional de triangulação executada pelo IBGE


Figura 1.4 - Rede de nivelamento geodésico executado pelo IBGE

3.3 - POSICIONAMENTO TRIDIMENSIONAL POR GPS

Na coleta de dados de campo, as técnicas geodésicas e topográficas para determinações de ângulos e distâncias utilizadas para a obtenção de coordenadas bi e/ou tri-imensionais sobre a superfície terrestre, através de instrumentos ópticos e mecânicos tornaram-se obsoletos, sendo mais utilizada na locação de obras de engenharia civil e de instalações industriais. Posteriormente, sistemas eletrônicos de determinações de distâncias por mira "laser" ou infravermelhas determinaram uma grande evolução.

A geodésia por satélites baseados em Radar (NNSS), em frequência de rádio muito altas (bandas de microondas) foi desenvolvido pela Marinha dos Estados Unidos com a finalidade básica da navegação e posicionamento das belonaves americanas sobre superfície, em meados dos anos 60. Surgiu através de pesquisas sobre distanciômetros durante a 2ª Grande Guerra e foi amplamente utilizado até o início de 1993.

Atualmente, o Sistema de Posicionamento Global (GPS) com a constelação NAVSTAR ("Navigation System With Timing And Ranging"), totalmente completa e operacional, ocupa o primeiro lugar entre os sistemas e métodos utilizados pela topografia, geodésia, aerofotogrametria, navegação aérea e marítima e quase todas as aplicações em geoprocessamento que envolvam dados de campo.

- O GPS

Em 1978 foi iniciado o rastreamento dos primeiros satélites NAVSTAR, dando origem ao GPS como é hoje conhecido. No entanto, somente na segunda metade da década de 80 é que o GPS se tornou popular, depois que o Sistema foi aberto para uso civil e de outros países, já que o projeto foi desenvolvido para aplicações militares, e também em consequência do avanço tecnológico no campo da microinformática, permitindo aos fabricantes de rastreadores produzir receptores GPS que processassem no próprio receptor os códigos de sinais recebidos do rastreador.

- Referência

O sistema geodésico adotado para referência é o World Geodetic System de 1984 (WGS-84). Isto acarreta que os resultados dos posicionamentos realizados com o GPS referem-se a esse sistema geodésico, devendo ser transformados para o sistema SAD-69, adotado no Brasil, através de metodologia própria. Ressalta-se que o GPS fornece resultados de altitude elipsoidal, tornando obrigatório o emprego do Mapa Geoidal do Brasil, produzido pelo IBGE, para a obtenção de altitudes referenciadas ao geóide (nível médio dos mares).

O Sistema GPS subdivide-se em três segmentos: espacial, de controle e do usuário.

- Segmento Espacial (A Constelação GPS)

O segmento espacial do GPS prevê cobertura mundial de tal forma que em qualquer parte do globo, incluindo os pólos, existam pelo menos 4 satélites visíveis em relação ao horizonte, 24 horas ao dia. Em algumas regiões da Terra é possível a obtenção de 8 ou mais satélites visíveis ao mesmo tempo.

A constelação de satélites GPS, é composta por 24 satélites ativos que circulam a Terra em órbitas elípticas (quase circulares). A vida útil esperada de cada satélite é de cerca de 6 anos, mas existem satélites em órbita com mais de 10 anos e ainda em perfeito funcionamento.

- Segmento de Controle (Sistemas de Controle)

Compreende o Sistema de Controle Operacional, o qual consiste de uma estação de controle mestra, estações de monitoramento mundial e estações de controle de campo.

- Estação mestra: Localiza-se na base FALCON da USAF em Colorado Springs - Colorado. Esta estação, além de monitorar os satélites que passam pelos EUA, reúne os dados das estações de monitoramento e de campo, processando-os e gerando os dados que efetivamente serão transmitidos aos satélites.

- Estações de monitoramento: Rastreiam continuamente todos os satélites da constelação NAVSTAR, calculando suas posições a cada 1,5 segundo. Através de dados meteorológicos, modelam os erros de refração e calculam suas correções, transmitidas aos satélites e através destes, para os receptores de todo o mundo.

Existem quatro estações, além da mestra: - Hawai;
                                                             - Ilha de Assención, no Atlântico sul;
                                                             - Diego Garcia, no Oceano Índico;
                                                             - Kwajalein, no Pacífico.

- Estações de campo: Estas estações são formadas por uma rede de antenas de rastreamento dos satélites NAVSTAR. Tem a finalidade de ajustar os tempos de passagem dos satélites, sincronizando-os com o tempo da estação mestra.

- Segmento do Usuário

O segmento dos usuários está associado às aplicações do sistema. Refere-se a tudo que se relaciona com a comunidade usuária, os diversos tipos de receptores e os métodos de posicionamento por eles utilizados.

- Métodos de Posicionamento

- Absoluto (Ponto isolado): Este método fornece uma precisão de 100 metros.

- Diferencial: As posições absolutas, obtidas com um receptor móvel, são corrigidas por um outro receptor fixo, estacionado num ponto de coordenadas conhecidas. Esses receptores comunicam-se através de link de rádio. Precisão de 1 a 10 metros.

- Relativo: É o mais preciso. Utilizado para aplicações geodésicas de precisão. Dependendo da técnica utilizada (estático, cinemático ou dinâmico), é possível obter-se uma precisão de até 1 ppm.

Para aplicações científicas, por exemplo, o estabelecimento da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo - RBMC, essa precisão é de 0,1 ppm.

3.4 - AEROLEVANTAMENTOS

Baseados na utilização de equipamentos aero ou espacialmente transportados (câmaras fotográficas e métricas, sensores), prestam-se à descrição geométrica da superfície topográfica, em relação a uma determinada superfície de referência.

A legislação brasileira amplia o campo das atividades de aerolevantamento à interpretação ou tradução, sob qualquer forma, dos dados e observações afetuadas.

Aerolevantamento é definido como sendo o conjunto de operações aéreas e/ou espaciais de medição, computação e registro de dados do terreno, com o emprego de sensores e/ou equipamentos adequados, bem como a interpretação dos dados levantados ou sua tradução sob qualquer forma.

O aerolevantamento engloba as atividades de aerofotogrametria, aerogeofísica e sensoriamento remoto, constituindo-se das fases e operações seguintes:

1ª fase: Aquisição dos dados, constituída de operações de cobertura aérea e/ou espacial.

2ª fase: Operação relativa à interpretação ou tradução dos dados obtidos em operação aérea e/ou espacial.

Operações:

a) Processamento fotográfico de filme aéreo ou espacial e respectiva obtenção de diafilme, diapositivo, fotografia, fotoíndice e mosaico não controlado.
b) Confecção de mosaico controlado e fotocarta.
c) Confecção de ortofotografia, ortofotomosaico e ortofotocarta.
d) Interpretação e tradução cartográfica, mediante restituição estereofotogramétrica ou de imagem obtida com outro sensor remoto.
e) Processamento digital de imagem.
f) Preparo para impressão de original de restituição estereofotogramétrica ou elaborado a partir de imagem obtida com outro sensor remoto.
g) Reprodução e impressão de cartas e mapas.