Curso de Cartografia Básica, GPS e ArcGIS

228 Pages·2010·8.62 MB·Portuguese

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

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MATERIAL DIDÁTICO

EEllóóddiioo SSeebbeemm
Prof. de Ensino Médio, Técnico e Tecnológico / Colégio Politécnico da UFSM

MMiicchheellee MMoonngguuiillhhootttt
Prof.ª de Ensino Superior / Colégio Politécnico da UFSM

CCuurrssoo ddee CCaarrttooggrraaffiiaa BBáássiiccaa,,
GGPPSS ee AArrccGGIISS

Santa Maria / RS
2010
Ministério da Educação
Universidade Federal de Santa Maria
Colégio Politécnico da UFSM

Endereço:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
Colégio Politécnico da UFSM - Prédio 70
Campus Universitário – Camobi
97105-900 – SANTA MARIA – RS
Telefone: (0xx55) 3220 9419 Ramal 222
Fax: (0xx55) 3220 8273

Capa e Projeto Gráfico: Elódio Sebem (UFSM)
Editoração Eletrônica: Michele Monguilhott (UFSM)
Elódio Sebem (UFSM)

S443c Sebem, Elódio

Curso de cartografia básica, GPS e ArcGIS / Elódio Sebem,
Michele Monguilhott. – Santa Maria : Colégio Politécnico da
UFSM, 2010.
228 p. : il.

1. Cartografia 2. GNSS 3. Sistemas de informações geográ-
ficas 4. ArcGIS 5. Software 6. Material didático I. Sebem, Elódio
II. Monghilhott, Michele III. Título

CDU: 528
528.9

Ficha catalográfica elaborada por Patrícia da Rosa Corrêa CRB-10/1652

iv
PREFÁCIO

O ArcGIS 9.3 é um dos softwares de Sistema de Informações Geo-
gráficas – SIG, amplamente utilizado por profissionais na área de geopro-
cessamento por possuir uma interface completa que permite a inserção,
visualização e manipulação de dados geográficos relacionais e ainda uma
impressão final de qualidade profissional.
É objetivo desta apostila, capacitar e treinar estudantes e profissio-
nais interessados na utilização do software ArcGIS 9.3 além de permitir ao
aluno conhecimentos de cartografia e uso de equipamento GPS de navega-
ção. Busca-se através do incentivo de aprendizado, atender demandas
institucionais, elevando a qualidade do ensino e estimulando a pesquisa,
colaborando na formação e no aperfeiçoamento profissional.
Esta apostila é uma edição compilada do polígrafo escrito com ba-
se nas experiências desenvolvidas por profissionais integrantes da equipe
do Laboratório de Geodésia (LAGEO), do Departamento de Geodésia, do
Instituto de Geociências da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
No seu preparo foram elaborados exercícios que permitem o pleno
domínio das funcionalidades básicas do programa. Por ser um curso básico,
não se pretendeu detalhar todos os recursos do software, mas apenas uma
rápida familiarização com o geoprocessamento de dados geográficos.
Para finalizar, aproveita-se esta oportunidade para agradecer as
críticas e sugestões recebidas dos colegas, incentivando-nos a continuar a
proporcionar o acesso da comunidade universitária às aplicações de softwa-
res.
EQUIPE TÉCNICA
ÁREA DE GEOPROCESSAMENTO

Coordenador: Prof. Dr. Elódio Sebem

Docentes: Prof. Dr. Adão Robson Elias
Prof. M. Sc. Aier Tadeu Gabriel Morcelli
Prof. M. Sc. Alessandro Carvalho Miola
Prof. M. Sc. Antoninho João Pegoraro
Prof. M. Sc. Claire Delfine Viana Cardoso
Prof. Dr. Erni José Milani
Prof. Dr. Elódio Sebem
Prof. Dr.ª Liane de Souza Weber
Prof. M. Sc. Luiz Felipe Diaz de Carvalho
Prof. M. Sc. Luiz Patric Kayzer
Prof. M. Sc. Michele Monguilhott
Prof. M. Sc. Marinêz da Silva

vi
SUMÁRIO

0B1 FUNDAMENTOS DE CARTOGRAFIA ................................................................................ 15 
7B1.1 Introdução a Cartografia ............................................................................................... 15 
8B1.2 Princípios Teóricos ....................................................................................................... 17 
9B1.3 Localização ................................................................................................................... 25 
37B1.3.1 Sistema de Coordenadas Geográficas ................................................................ 26 
38B1.3.2 Sistema de Coordenadas Tridimensionais (X, Y e Z) .......................................... 28 
39B1.3.3 Sistemas de Coordenadas Planas Cartesianas ................................................... 28 
40B1.3.4 Sistema de Projeção Cartográfica ........................................................................ 29 
1.3.4.1 Tipo de Superfície Adotada .......................................................................... 30 
100BU1.3.4.2 Grau de Deformação da Superfície .............................................................. 31 
10B1.4 Sistema de Coordenadas UTM .................................................................................... 33 
11B1.5 Norte de quadricula, magnético e geográfico. .............................................................. 38 
12B1.6 Mapeamento Sistemático Nacional .............................................................................. 39 
13B1.7 Conversões entre sistemas de referência .................................................................... 40 
13B1.8 Uso de sistemas de coordenadas nas regiões polares ................................................ 42 
13B1.9 Precisão e acurácia ...................................................................................................... 44 
40B1.9.1 Precisão ................................................................................................................ 45 
40B1.9.2 Acurácia ................................................................................................................ 46 
13B1.10 Novos avanços no mapeamento da superfície terrestre ............................................ 46 
2B2 INTRODUÇÃO A TECNOLOGIA GNSS ............................................................................. 49 
16B2.1 O Conceito GNSS ........................................................................................................ 49 
17B2.2 Como o GNSS funciona ............................................................................................... 49 
18B2.3 Aplicações do GNSS .................................................................................................... 49 
19B2.4 Sistemas GNSS ............................................................................................................ 50 
41B2.4.1 GPS ...................................................................................................................... 51 
42B2.4.2 GLONASS ............................................................................................................ 53
43B2.4.3 GALILEO .............................................................................................................. 54 
43B2.4.4 COMPASS ............................................................................................................ 54 
20B2.5 Sistemas de Aumentação ............................................................................................. 55 
44B2.5.1 Sistema de Cobertura para Navegação Geoestacionário Europeu - EGNOS ..... 56 
21B2.6 Aplicações GNSS ......................................................................................................... 56 
45B2.6.1 Agricultura e Pesca .............................................................................................. 56 
46B2.6.2 Pulverização Química ........................................................................................... 57 
47B2.6.3 Monitoração de Rendimento de Safras ................................................................ 58 
48B2.6.4 Extensão de Safras e Rastreamento de Gado ..................................................... 58 
49B2.6.5 Navegação e Monitoramento de Barcos de Pesca .............................................. 59 
50B2.6.6 Engenharia Civil ................................................................................................... 59 
51B2.6.7 Monitoramento de Estruturas ............................................................................... 59 
52B2.6.8 Orientação de Máquinas ...................................................................................... 60 
53B2.6.9 Logística e Gerenciamento de Canteiros de Obras ............................................. 60 
54B2.6.10 Manutenção da Infraestrutura de Rodovias e Ferrovias .................................... 61 
55B2.6.11 Energia ............................................................................................................... 61 
56B2.6.12 Sincronização de Redes para Geração e Distribuição de Energia .................... 62 
57B2.6.13 Mapeamento de Infra-estrutura .......................................................................... 62 
58B2.6.14 Meio-Ambiente ................................................................................................... 63 
59B2.6.15 Monitoramento Ambiental ................................................................................... 63 
60B2.6.16 Ciências Naturais ............................................................................................... 64 
61B2.6.17 Proteção de Recursos Marinhos ........................................................................ 64 
62B2.6.18 Segurança Ambiental ......................................................................................... 65 
63B2.6.19 Seguros .............................................................................................................. 65 
64B2.6.20 Telecomunicações .............................................................................................. 65 
65B2.6.21 Localização de Telefones Móveis ...................................................................... 66 
66B2.6.22 Rede de Comunicações ..................................................................................... 66 
67B2.6.23 Aviação ............................................................................................................... 67 
68B2.6.24 Operações em Portos ......................................................................................... 67 
69B2.6.25 Navegação em Hidrovias ................................................................................... 68 
70B2.6.26 Aplicações em Rodovias .................................................................................... 68 
71B2.6.27 Aplicações em Ferrovias .................................................................................... 69 
3B3 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL GPS ............................................................ 71 
22B3.1 Um breve histórico ........................................................................................................ 71 
23B3.2 Definição ....................................................................................................................... 73 
viii
24B3.3 Sistema de referência do GPS ..................................................................................... 73 
25B3.4 Composição ou segmentos do sistema........................................................................ 75 
72B3.4.1 Segmento do Espaço ........................................................................................... 75 
101BU3.4.1.1 Satélites GPS ............................................................................................... 76 
102BU3.4.1.2 O tempo GPS ............................................................................................... 77 
103BU3.4.1.3 Estrutura do Sinal dos Satélites GPS ........................................................... 77 
73B3.4.2 Segmento de Controle e Monitoramento ............................................................. 79 
74B3.4.3 Segmento do Usuário ........................................................................................... 81 
104BU3.4.3.1 Serviços Oferecidos e Tipos de Usuários .................................................... 81 
105BU3.4.3.2 Receptores GPS ........................................................................................... 82 
155B3.4.3.2.1 Componentes........................................................................................ 82 
156B3.4.3.2.2 Tipos de Receptores ............................................................................. 82 
179B3.4.3.2.2.1 Quanto ao Número de Freqüências ............................................. 82 
180B3.4.3.2.2.2 Quanto ao Número de Canais ...................................................... 83 
181B3.4.3.2.2.3 Quanto ao Tipo de Canais ............................................................ 83 
182B3.4.3.2.2.4 Quanto ao Tipo de Sinal Observado ............................................ 83 
183B3.4.3.2.2.5 Quanto ao Tipo de Levantamento ................................................ 84 
26B3.5 Princípio Básico do Posicionamento ............................................................................ 85 
75B3.5.1 O processo de trilateração a partir de satélites .................................................... 86 
76B3.5.2 Medição da Distância Satélite-Receptor .............................................................. 88 
106BU3.5.2.1 Pelo Tempo de Propagação - Código C/A ou P ........................................... 88 
107BU3.5.2.2 Pela Diferença de Fase - Portadora L1 ou L2 .............................................. 89 
77B3.5.3 Coordenadas dos Satélites Xs, Ys e Zs ............................................................... 90 
108BU3.5.3.1 Efemérides Transmitidas .............................................................................. 90 
78B3.5.4 Cálculo das Coordenadas do Receptor X, Y e Z ................................................. 90 
27B3.6 Fatores que Afetam a Precisão do Posicionamento por Ponto.................................... 91 
79B3.6.1 Erros relacionados aos satélites .......................................................................... 91 
109BU3.6.1.1 Não Sincronização do Relógio do Satélite com Tempo GPS ...................... 91 
110BU3.6.1.2 Forma de Cálculo das Coordenadas dos Satélites ...................................... 92 
111BU3.6.1.3 Atraso Entre as Portadoras no Hardware do Satélite .................................. 92 
112BU3.6.1.4 Distribuição Geométrica dos Satélites - DOP............................................... 93 
113BU3.6.1.5 Disponibilidade Seletiva - SA ....................................................................... 94 
80B3.6.2 Erros relacionados à propagação do sinal ........................................................... 94 
114BU3.6.2.1 Atraso na lonosfera U(ΔI) .............................................................................. 94 
115BU3.6.2.2 Atraso na Troposfera (ΔT) .......................................................................... 95 
116BU3.6.2.3 Multicaminhamento ....................................................................................... 97 
117BU3.6.2.4 Perda de Ciclos ............................................................................................ 97 
ix
81B3.6.3 Erros relacionados ao receptor/ antena ............................................................... 98 
118BU3.6.3.1 Erro do Relógio ............................................................................................. 98 
119BU3.6.3.2 Erro entre os Canais ..................................................................................... 98 
120BU3.6.3.3 Centro de Fase da Antena ........................................................................... 98 
82B3.6.4 Erros relacionados à estação ............................................................................... 99 
121BU3.6.4.1 Coordenadas da Estação ............................................................................. 99 
122BU3.6.4.2 Estacionamento da Antena no Ponto de Coleta .......................................... 99 
123BU3.6.4.3 Erro Grosseiro Devido a Diferença de Datum .............................................. 99 
83B3.6.5 Comparação das Diversas Fontes de Erros nas Medidas ................................. 100 
28B3.7 Altimetria com GPS .................................................................................................... 101 
84B3.7.1 Modelo de Ondulação Geoidal (No) ................................................................... 101 
29B3.8 Método Diferencial ...................................................................................................... 102 
85B3.8.1 Com o Código (DGPS) ....................................................................................... 102 
86B3.8.2 Com a Fase da Portadora .................................................................................. 104 
30B3.9 Posicionamento Relativo ............................................................................................ 104 
87B3.9.1 Modelos Utilizados na Solução da Diferença de Fase ....................................... 105 
124BU3.9.1.1 Dupla diferença de fase .............................................................................. 105 
88B3.9.2 Tipos de Posicionamento Relativo ..................................................................... 106 
125BU3.9.2.1 Posicionamento Relativo Estático .............................................................. 106 
126BU3.9.2.2 Método Relativo Estático Rápido ............................................................... 106 
127BU3.9.2.3 Método Reocupação ................................................................................... 107 
128BU3.9.2.4 Método Relativo Semi-cinemático (Stop and Go) ...................................... 107 
129BU3.9.2.5 Método Relativo Cinemático ....................................................................... 108 
130BU3.9.2.6 Cinemático Pós-Processado ...................................................................... 108 
131BU3.9.2.7 Cinemático em Tempo Real ....................................................................... 108 
31B3.10 Redes de Apoio ao Posicionamento ........................................................................ 109 
89B3.10.1 Estação de Controle Ativo ................................................................................ 109 
132BU3.10.1.1 Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) ............................. 109 
133BU3.10.1.2 Rede INCRA de Bases Comunitárias do GNSS - (RIBaC) ...................... 111 
134BU3.10.1.3 Rede Faróis da Marinha ........................................................................... 113 
135BU3.10.1.4 Redes de Estações Ativas Particulares .................................................... 114 
90B3.10.2 Estação de Controle Passivo ........................................................................... 115 
136BU3.10.2.1 Rede Estadual de Pontos GPS - Rio Grande do Sul ............................... 115 
4B4 AULAS PRÁTICAS DE GPS ............................................................................................. 119 
32B4.1 Modelos de Receptores GPS de navegação ............................................................. 119 
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