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IV Simpsio Brasileiro de Cincias Geodsicas e Tecnologias da Geoinformao Recife - PE, 06- 09 de Maio de 2012

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W. D. A. Melo, A. N. Souza, D. C. Silva

UTILIZAO DO PROGRAMA ADJUST EM AJUSTAMENTO DE TRIANGULAES E TRILATERAES

WEYLLER DIOGO ALBUQUERQUE MELO ALEXANDRE DO NASCIMENTO SOUZA

DANIEL CARNEIRO DA SILVA

Universidade Federal de Pernambuco - UFPE Centro de Tecnologia e Geocincias - CTG

Departamento de Engenharia Cartogrfica, Recife, PE [email protected]

[email protected] [email protected]

RESUMO As redes de triangulaes e trilateraes topogrficas so essenciais para fornecerem coordenadas de pontos com alta preciso, necessrias para o projeto, construo e monitoramento de obras importantes de engenharia como pontes, tneis ou barragens. Todo o levantamento envolve a obteno de medies com procedimentos adequados e rigorosos em campo, e posteriormente deve ser realizado o ajustamento pelo mtodo dos mnimos quadrados (MMQ).O ajustamento das observaes faz se necessrio, pelo fato de ocorrerem diversos erros que podem ser gerados por falhas humanas, imperfeies do equipamento e por fatores atmosfricos. No entanto apesar do MMQ ser bem dominado nos meios acadmicos no so encontrados com facilidade exemplos e relatos de execuo dessas redes para o apoio aos citados projetos, no meio tcnico. Um dos possveis motivos talvez seja a pouca divulgao de programas de processamento e ajustamentos de redes. Este artigo mostra o uso do programa Adjust, livre para fins educacionais, no ajustamento de uma rede levantada no Campus da UFPE em Recife, levantada para simular a construo de uma ponte, e ajustada como triangulao, trilaterao e combinao de ambos. So apresentadas as principais funes do programa e discutidos os resultados dos ajustamentos. ABSTRACT - Triangulation and trilateration networks are essential to provide topographic coordinates of points with high accuracy required for the design, construction and monitoring of major engineering works such as bridges, tunnels and dams. The complete survey involves obtaining measurements with appropriate procedures and rigorous in the field, and then the adjustment should be performed by the least squares method (LSM). The adjustment of observations is necessary, because many errors occur that can be generated by human errors, equipment defects and atmospheric factors. However despite the LSM be well mastered in academia are not easily found and reports examples of applying these networks to support the projects cited in the technical means. One possible reason may be the low-profile programs processing and network adjustment. This article shows the use of the program Adjust, free for educational purposes, in the adjustment of a network on the campus of UFPE raised in Recife, up to simulate the construction of a bridge, and adjusted as triangulation, trilateration and combination of both. Presents the main features of the program and discussed the results of the adjustments.

1 INTRODUO

As redes geodsicas de triangulaes e trilateraes atualmente esto sendo implantadas com receptores de GNSS e os ajustamentos so realizados nos programas de processamento que acompanham os equipamentos. No caso das redes de triangulaes e trilateraes topogrficas, que so essenciais para garantir preciso de posies durante a construo de obras importantes de engenharia como pontes, tneis ou barragens, ainda so usados os mtodos tradicionais com uso de teodolitos e estaes totais. Para tanto so necessrios procedimentos adequados de campo para as medies de distncias e ngulos e posteriormente de ajustamento pelo mtodo dos mnimos quadrados (MMQ) das observaes e obteno das coordenadas dos pontos da rede. A utilizao do MMQ em ajustamento das redes define parmetros de qualidade e confiana para as coordenadas. Ocorre que no Brasil so raros os exemplos encontrados de uso prtico de ajustamentos de redes com aqueles objetivos [Neves (2008) uma exceo] e tambm no so


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encontrados programas de computador que faam o ajustamento, embora o MMQ seja de completo domnio nos cursos de graduao e ps-graduao em engenharia cartogrfica e de agrimensura espalhados pelo pas.

Portanto devido a importncia do assunto foram elaborados exerccios com alunos da disciplinas de ajustamento e de levantamentos de obras, que incluiu simulaes de implantao e ajustamento de redes triangulao, trilaterao e combinao trilaterao e triangulao. O primeira exerccio foi a simulao do ajustamento da rede da Ponte Rio-Niteroi, com as coordenadas retiradas de cartas e todas as medies estimadas analiticamente, introduzidas erros aleatrios e finalmente realizados os ajustamentos. Os resultados foram fceis de obter e foi feito outro exerccio, tambm para construo de uma ponte, mas com dados reais, levantados em campo, que apresentado neste artigo.

Por se tratar de um exerccio visando aplicaes prticas foi escolhido um programa livre. Inicialmente foi usado WOLFPACK

que acompanha o livro de Wolf & Giliani (2002) e cujas verses mais novas esto disponveis em http://surveying.wb.psu.edu/psu-surv/free.htm. Um outro programa o ADJUST, que acompanha outro livro dos mesmos autores Wolf & Giliani (1997), bem semelhante ao Wolfpack, tambm est disponvel no mesmo endereo da Web e foi o usado neste artigo.

O artigo apresenta uma parte terica bsica sobre redes de triangulao, trilaterao e ajustamento e em seguida detalhes sobre o uso do programa ADJUST Version 5.10com os dados do levantamento realizado e finalmente discute os resultados.

2. FUNDAMENTAO TERICA

As coordenadas de pontos de apoio para as obras de engenharia devem seguir uma hierarquia de preciso, de 2 ou 3 ordem. Os pontos sero usados repetidamente pelos topgrafos para a elaborao do projeto, para controle durante a construo ou posteriormente no monitoramento. As redes podem ser implantadas por triangulao, trilaterao e poligonao.

Cada um desses mtodos tem vantagens e desvantagens. A triangulao tinha mais vantagens tradicionalmente porque os ngulos eram obtidos com mais preciso que as distncias, mas muito demorado. Com a inveno dos medidores eletrnicos de distncias a trilaterao passou a ser vivel. A poligonao considerado o mtodo de menor confiabilidade por no ter redundncia nas medies dos pontos, mas o mais rpido. De modo geral toda literatura internacional mais conhecida de topografia aborda as redes topogrficas mas com poucos detalhes.

Um estudo terico sobre redes topogrficas para aplicaes na engenharia foi realizado por Chrzanowski e Konecny,.1965). Diversos detalhes sobre as configuraes de redes de triangulao e trilaterao so dados em DMFNXCPV (2011).

Como as observaes feitas em campo de direes e distncias esto sujeitas a erros, preciso que posteriormente seja feito um ajustamento dessas observaes. Esses erros ocorrem devido a fatores tais como: condies climticas, erros de leitura no instrumento, folgas nos instrumentos e erros grosseiros que podem vir a surgir no momento de transcrever ou digitar uma dada observao. 2.1 Triangulao

A triangulao consiste num mtodo topogrfico de observao de direes das quais so obtidos os ngulos. Nesse mtodo so calculados todos os ngulos e medida no mnimo uma distncia, chamada de base, que d escala rede. A triangulao em forma de rede a mais comum (Figura 1), com as duas bases nas extremidades da mesma em vermelho e azul. A base era curta e medida com o mximo rigor, e partir dela todas as outras distncias podem ser obtidas. Atualmente as distncias podem ser medidas com alta preciso com os medidores eletrnicos embutidos nas estaes totais e a base tradicional pode ser substituda pela medio direta de alguns lados, como feito neste trabalho.

Mais detalhes sobre as configuraes de redes de triangulao so dados em DMFNXCPV (2011).

Figura 1 Triangulao em forma de rede (MENDONA ET AL, 2010)


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Nas triangulaes geodsicas devem ser considerados ainda os excessos esfricos, quando possurem lados maiores que 7 km, Mas como no presente trabalho ser considerada apenas a triangulao topogrfica o excesso esfrico ser nulo.

Exemplos redes para locao de pontes, tneis e controle de barragens por triangulao so encontrados em (Correa, 2008). Exemplo de rede para controle de barragem encontrado em Neves (2008).

Nas triangulaes ideais devem ser obtidos todos os ngulos, porm em nas situaes reais nem sempre isto possvel. Os ngulos so obtidos a partir de observao de certo nmero de sries de direes que dependem das especificaes para redes de 2 ou 3 ordem. 2.2 Trilaterao

A trilaterao o mtodo de levantamento topogrfico baseado exclusivamente na medio de distncias

horizontais. Esse mtodo passou a ser mais aceito devido grande preciso de medio de distncias a partir da inveno dos medidores eletrnicos de distncias (WOLF, 1997; ZAKI ET AL, 1992, CHRZANOWSKY E KONECNY, 1965). Possui a vantagem de ser mais rapidamente executvel que a triangulao e produzir os resultados aceitveis em preciso. A Figura 2 mostra um exemplo de trilaterao em que foram medidas as distncias d1 a d5.

Figura 2. Exemplo de rede de Trilaterao (MENDONA ET AL, 2010)

No ajustamento da trilatereao por mtodos manuais antes era necessrio estimar os ngulos o demandava razovel tempo em cculos. Zaki et al (1992) prope um alternativa mais rpida. 2.5 Ajustando pelo MMQ O Ajustamento um mtodo analtico que pode fornecer observaes e parmetros ajustados, alm de diversos indicadores de preciso e qualidade. baseado no princpio do Mtodo dos Mnimos Quadrados (MMQ) em que a soma dos quadrados dos resduos das observaes deve ser mnimo. Vt.P.V= min (1)

As variaes dentro do MMQ mais conhecidas so mtodo combinado, mtodo paramtrico e mtodo das equaes de condio (ou dos Correlatos), os dois ltimos so casos especiais do primeiro. Nas triangulaes e trilateraes os ajustamento mais usado so o mtodo dos correlatos e de variaes de coordendas, que uma soluo baseada no mtodo paramtrico. A teoria, os detalhes e formas de ajustamentos pelo MMQ aplicados em triangulao e trilaterao podem ser vistos em Gemael (2004), Wolf e Ghilani (1997, 2002) e Anderson e Mikhaili (1998). O ajustamento das redes pelo MMQ possvel com os programas especficos para redes topogrficas, como o Starnet da Starplus Software, o SURPAC Surveying Software ou o Panda da Geotec GmbH. Existem as opes ainda de programas livres como o ADJUST e o WOLFPACK que acompanham os livro de topografia de Wolf e Ghilani (1997, 2002). Segundo (CHRZANOWSKI e KONECNY, 1965) a combinao de triangulao e trilaterao a mais precisa e no sofre tanta influncia da configurao como triangulao ou trilaterao, que para terem bons resultados devem ter rigidez e tima configurao da rede.

Para facilitar as anlises dos resultados os termos, nas Tabelas 2 a 4, aparecem como esto nos relatrios de sada dos ajustamentos. Os significados deles so definidos em WOLF e GHILANI (1997) e sero relacionados com os termos usados por GEMAEL (2004).


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Redundance corresponde ao nmero de graus de liberdade (GL). Reference Variance (S2o) a varincia a posteriori (^2o). Reference So o sigma a posteriori (^o). 2 lower e upper so os valores tabelados para GL e nvel de confiana /2 e (1- /2). O ajustamento considerado Passed (ou no rejeitado) se S2o estiver entre os limites inferior e superior dos seguintes clculos:

2

2/1

2

22/

).1().1(


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redes geodsicas tridimensionais, redes por GPS e ajustamento de curvas. A Figura 4 apresenta a tela inicial, na Figura 5 apresentado o menu das principais funes disponveis no ADJUST.

Figura 4 Tela inicial do programa ADJUST

Figura 5 Menu Programs do ADJUST

Neste trabalho, para os ajustamentos das redes de triangulao e trilaterao foi usada a opo "Programs",

Least Squares Adjustments, e Horizontal Adjustament. Antes disto necessrio preparar o arquivo com os dados de entrada conforme as instrues a seguir

Aps abrir o programa ADJUST, clicar em file e escolher um novo trabalho new ou simplesmente apertar Ctrl + N, e imediatamente aparece uma nova tela em branco com um editor de texto. 1) Na primeira linha escrever um ttulo para o arquivo com informaes sobre o levantamento e ajustamemto, por exemplo, Trabalho da ponte Riacho Cavoco aplicado triangulao. Esse ttulo ser digitado na parte superior da pgina branca que foi aberta. 2) Em seguida vem a linha de cabealho, em que se deve informar a quantidade de distncias, ngulos, azimutes, vrtices conhecidos e total de vrtices que fazem parte da rede, nessa mesma ordem. Lembrar que essas informaes devem ser digitadas na mesma linha. No exemplo foram usados os dados a seguir: 2 16 1 4 6. 3) Nas linhas seguintes digitar primeiro as coordenadas dos vrtices conhecidos (ou pontos de apoio) e em seguida as coordenadas aproximadas, obtidas por um dos mtodos citados em 3.1. 4) Caso o levantamento possuir distncias entrar com as mesmas agora, por exemplo, para digitao para a distncia entre P2 e E0 de 29,212m fica P2 E0 29.212. 5) Entrar com ngulos na seguinte forma P3 P2 E1 26 00 01. O primeiro ponto indica a r, o segundo ponto indica onde o instrumento est localizado e o terceiro ponto indica a vante. O ngulo est em graus minutos e segundos separados por espao para 26 00 01. 6) Por ltimo digitar um azimute ou mais azimutes (conforme a quantidade prevista no cabealho), por exemplo, o azimute de P2 para E0 digitado da seguinte forma P2 E0 90 00 00. 7) Ao final de cada linha de coordenadas e distncias existe a opo de informar os respectivos desvios padres. No caso de ngulos e azimutes o desvio padro em segundos.


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Aps concluso o arquivo gravado em local adequado para ento comear a us-lo. A Figura 7 apresenta um dos modelos de arquivos usados neste trabalho para entrada de dados no programa ADJUST. Aps a escolha da opo Horizontal Adjustment. aparece uma janela para definio das opes desejadas para o ajustamento (Figura 6):

Figura 6 Tela do ajustamento de redes horizontais

As duas primeiras opes so para o operador informar se o programa deve ajustar os vrtices de coordenadas conhecidas e ajustar os erros de observaes, a terceira e a quarta opo servem para visualizar e calcular as elipses de erro e a quinta serve para fazer o ajustamento e o teste do Qui-quadrado. As ltimas geram um arquivo para CAD, GIS, um arquivo para visualizar as matrizes, definies de precises para simulaes e nmero mximo de iteraes.

S aps escolher as opes do menu do ajustamento horizontal (Figura 7), que se abre o arquivo com os dados de entrada. Caso o arquivo esteja corretamente completo o ADJUST ir abrir uma tela com os pontos desenhados em escala, como na Figura 9. Quando o arquivo de entrada possui distncias, os vrtices das extremidades aparecero ligados, em caso contrrio, aparecem apenas pontos. As elipses de erro podem ou no estar visveis no grfico, dependendo se a opo para clculo das mesmas foi ativada ou no. Contudo mesmo com as elipses de erro calculadas, elas podem no estar visveis para o usurio, pelo motivo de estarem muito pequenas ou muito grandes, o que pode ser ajustado na opo Ellipse scale factor.

Aps apresentar o grfico com os vrtices o ADJUST mostra um relatrio completo do ajustamento. Na primeira parte esto os dados de entrada, coordenadas conhecidas e estimadas, ngulos, distncias e azimutes. Mais abaixo, na mesma pgina, so apresentadas as coordenadas dos vrtices ajustados, ngulos ajustados e distncias ajustadas, informaes das elipses de erro de cada vrtice e resduos dos ngulos, distncias e vrtices das coordenadas desconhecidas. 4. AJUSTAMENTOS Durante o exerccio foram realizados inmeros testes para serem analisadas as diferenas nos resultados devido a alteraes em parmetros de entrada como nmero de pontos de controle, variaes nas precises de distncias e ngulos, nveis de confiana do teste qui-quadrado, etc. Dentro do escopo deste artigo sero mostrados apenas os resultados de trs testes de ajustamento um de triangulao, um de trilaterao e um combinado, com variaes nas precises e injunes de apoio. De modo geral foram considerados quatro pontos de apoio e um azimute. As particularidades de cada ajustamento para as trs redes so as seguintes:

Ajustamento 1: ativado opo de Ajuste dos apoios, precises dos pontos de apoio de 0,02m; precises das distncias 2 mm, preciso angular de 5.

Ajustamento 2: Sem Ajuste dos apoios, precises das distncias 2 mm, preciso angular de 5 para

triangulao e 2 no combinado.


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Ajustamento 3: Sem Ajuste dos apoios, precises das distncias 2 mm entre apoios e 20 mm entre demais pontos, preciso angular de 2 para todos.

Os detalhes a seguir correspondem s especificaes do ajustamento 1. Os resultados dos ajustamentos 2 e 3 sero resumidos e discutidos na seo 4.4. 4.1 Teste 1: Triangulao O teste de triangulao obedeceu geometria tradicional de duas bases, entre os vrtices P2 - E0 e E1 - P4. O arquivo de entrada e o grfico com a elipse de erro na escala 1:500 esto nas Figuras 7 e 8 respectivamente. As coordenadas ajustadas, diferenas e anlise da qualidade esto nas Tabelas 1 e 2.

Figura 7. Arquivo entrada da triangulao Figura 8. Elipses de erro da triangulao 4. 2 Teste 2: Trilaterao

A trilaterao foi prevista para verificar o efeito de ajustamento de distncias obtidas atualmente com grande

preciso pelo medidor eletrnico de distncia da estao total utilizada. Como em toda rede preciso definir a orientao da mesma foi fixado o ponto P2 e arbitrado um azimute para a direo P2 E0. O arquivo de entrada e o mapa com elipses escala 500:1 esto nas figuras 9 e 10 respectivamente. As coordenadas ajustadas, diferenas e anlise da qualidade esto nas Tabelas 1 e 2.

4.3 Teste 3 : Ajustamento Combinado de triangulao e trilaterao Este teste objetiva analisar o ajustamento simultneo das observaes de todos os ngulos e todas as distncias da rede. Teoricamente o ajustamento combinado deve ser o mais preciso (CHRZANOWSKI e KONECNY, 1965). Na triangulao convencional todos os ngulos so obtidos aps sries de leituras, o que demanda muito tempo. Para este teste foi realizadas apenas uma leitura PD e PI para cada direo o que reduz significativamente o tempo de levantamento. O arquivo de entrada pode ser verificado na Figura 11. Como as precises foram piores que nos ajustamentos anteriores elipse de erro est na escala 50:1 (Figura 12). As coordenadas ajustadas, diferenas e anlise da qualidade esto nas Tabelas 1 e 2.


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Figura 9. Dados de entrada da trilaterao. Figura 10. Elipses de erro trilaterao

Figura 11. Dados de entrada ajustamento Combinado Figura 12. Elipse de erro ajustamento combinado 4.4 Anlise dos resultados As Tabelas 1 e 2 mostram resultados do ajustamento tipo 1 para as redes de triangulao, trilaterao e combinado. A Tabela 1 mostra as coordenadas ajustadas e as diferenas a partir da rede de triangulao, que variam em poucos milmetros, com exceo da coordenada E do ponto P3 que atinge 99 mm e 17 mm. A Tabela 2 mostra a mdia dos valores absolutos dos resduos (V) das distncias (Dist) e ngulos (Ang) e dados para a anlise de qualidade.


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Tabela 1. Ajustamento Tipo 1 com Injunes nos apoios Vertices\Coord 1- Triangulacao 2- Trilateracao 3- Combinado

E N E N E N

E0 150029,211 250000,000 150029,208 250000,000 150029,215 250000,003 E1 150029,204 250056,992 150029,208 250056,994 150029,200 250056,987 P4 150058,090 250057,112 150058,094 250057,109 150058,084 250057,111 P2 150000,000 250000,000 149999,995 250000,000 150000,006 250000,003 P1 150058,177 249999,972 150058,173 249999,968 150058,178 249999,977 P3 150001,138 250057,628 150001,237 250057,627 150001,155 250057,621 Diferenas 1-2 1-3

E0 0,003 0,000 -0,004 -0,003 E1 -0,004 -0,002 0,004 0,005 P4 -0,004 0,003 0,006 0,001 P2 0,005 0,000 -0,006 -0,003 P1 0,004 0,004 -0,001 -0,005 P3 -0,099 0,001 -0,017 0,007

Tabela 2. Mdias dos resduos e teste 2 de qualidade do ajustamento tipo 1

Triangulao Trilaterao Combinado Media V Dist 0,0006 0,0158 Media V Ang 0,2313 16,4875

Redundancies 15 8 24 R Variance 0,0134 0,1967 89,456

Lower 6,26 2,18 12,4 Upper 27,49 17,53 17,53

Test 95% Failed Failed Failed

Tabela 3. Parmetros do Teste 2 de qualidade do ajustamento tipo 2

Tabela 4. Parmetros do Teste 2 de qualidade do ajustamento tipo 3

Triangulao Trilaterao Combinado Redundancies 15 8 24 Ref Variance 0,0339 1,84 112,711

Lower 6,26 2,18 12,4 Upper 27,49 17,53 39,36

Test 95% Failed Passed Failed

Triangulao Trilaterao Combinada Redundancies 15 8 24

Ref Variance 0,0339 0,297 1,266 Lower 6,26 2,18 12,4

Upper 27,49 17,53 39,36 Test 95% Failed Passed Passed


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O programa ADJUST fcil de usar e os desenhos das elipses de erro facilitam bastante a comparao entre resultados. Porm as anlises dos resultados com base no teste de 2 exige domnio por parte dos usurios dos princpios do MMQ. De modo geral, os resduos das observaes de distncias e ngulos, e precises das coordenadas ajustadas tem valores bem pequenos. Aparecem valores maiores nos ajustamentos da rede combinada, como se ver nas mdias dos resduos na Tabela 2, que aumentam significativamente em relao s demais redes. Os resduos interferem no clculo do S2o e se forem muito pequenos no permitem que o teste seja aceito como se ver nos resultados da Tabela 2 e provocou a no aceitao em todas as triangulaes. Por outro lado resduos maiores tambm levam a extrapolar o limite superior da faixa de aceitao.

Os motivos que levam a no aceitao podem ser: inadequao do modelo matemtico (funcional ou estocstico), atribuio muito otimista ou pessimista das precises das observaes e existncia de erros grosseiros (GEAMAEL, 2004; . WOLF e GHILANI, 1997). Nesses testes apenas a variao de precises de configurao dos pontos de apoio foi suficiente para permitir que as redes de trilaterao e combinada passassem no teste 2, mas no foi possvel o mesmo com a triangulao. Como os dados usados so reais este problema necessita ser melhor estudado.

5 CONCLUSES

O programa ADJUST de simples utilizao e pode ser usado para o ajustamento de redes topogrficas de triangulao, trilaterao e combinada. Para seu uso necessrio que se obedea a seqncia correta de entrada dos dados no arquivo e seja definida a forma de fixao da orientao, por dois pontos ou um ponto e um azimute. Para a interpretao dos resultados finais dos ajustamentos necessrio um bom conhecimento dos princpios do MMQ.

Nas comparaes de ajustamento de redes de triangulao, trilaterao e combinada, com os dados reais de rede levantada na UFPE, a triangulao apresentou os melhores resduos, mas isto impediu a aceitao do teste do 2. A trilaterao, que tem processo de levantamento mais rpido, permite atingir precises comparveis rede de triangulao. A rede combinada apresenta os maiores resduos, o que mostra que as injunes e combinao de distncias e ngulos, apesar de fornecer maior redundncia de dados, tambm geram tenses na rede. REFERNCIAS ANDERSON, JAMES M.; MIKHAILI, EDWARD M. Surveying Theory and Practice. McGraw-Hill. 1998.

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