A evolução da topografia através dos tempos

Os métodos mais antigos

O instrumento topográfico mais antigo – O prumo óptico
A observação de um objecto pesado pendurado na extremidade de um cordel produzindo no mesmo um efeito de perpendicularidade em relação à terra, foi um fenómeno verificado pelos primeiros pensadores da antiguidade.

Sabemos que os egípcios adaptaram este princípio a práticas de construção cerca de 2600 anos antes de Cristo, tendo desde então sido concebidos os princípios dos primeiros instrumentos de posicionamento e nivelamento de estruturas rudimentares, como sendo o esquadro, e as cruzetas em chumbo e madeira.

O trabalhador de então tivera através destas descobertas uma visão mais precisa quanto à veracidade de uma linha vertical produzida por um fio-de-prumo contra uma superfície horizontal.

Os primeiros fios-de-prumo eram em pedra e a sua forma frequentemente oval, era neste tempo, um detalhe irrelevante.

Estes instrumentos simplificados continuaram praticamente inalterados durante os 4400 anos que se seguiram. Com a invenção do nível de bolha, e dados os primeiros passos no sentido da revolução industrial que permitiu o fabrico destes níveis caracterizados pela precisão e pelo seu baixo custo, iniciou-se a retirada dos instrumentos de chumbo antigos.

O então emergente nível que permitia estabelecer com facilidade, planos verticais e horizontais revelara-se como um instrumento de incontestada melhoria nas condições de trabalho rápido, preciso, e fácil de empregar.

Há no entanto algo que o nível não pode fazer facilmente a transferência exacta de um ponto entre dois planos desnivelados. Neste campo, o fio-de-prumo continua sendo um instrumento indispensável na construção moderna.

Unidades de medição antigas

Alguns registos arqueológicos mostram o uso de medidas padrão antes do ano 2000 AC. Um mural egípcio datado de 1400 AC mostra um grupo de trabalhadores medindo com uma linha atada em nós, semelhante a uma moderna corrente de agrimensor.

· A ligação (7.92 polegadas)
· A braça (5.5 pés)
· A vara (3 braças ou 16.5 pés)
· A corrente (66 pés)
· A oitava parte da milha ou o “furrowlong” (660 pés)
· A milha (5280 pés ou 1760 jardas)
· A légua (3.125 milhas ou 16500 pés também 198000 polegadas, 25000 ligações, 3000 braças, 1000 varas de caules, 250 correntes, 25 oitavas partes da milha ou furrowlongs).

Os antigos padrões de medidas foram baseadas em medidas do corpo humano. Dobrada era a distância do cotovelo à extremidade de dedo, enquanto que as unidades de pé, palma e dedo são por si só unidades de referência evidentes.

Entre as primeiras unidades de medida institui-se o “Pé”, que muito naturalmente se alterou de região para região, produzindo duas dimensões diferenciadas.

O primeiro conceito da medida “pé” fixou-se entre 246 e 252 milímetros baseados no pé do descalço de um homem. O segundo conceito de “Pé” mede entre 330 à 335 milímetros sendo este baseado nas medidas da mão.

Outras unidades derivam dos Romanos, Saxões, Anglos e Jutas que em determinados períodos invadiram Inglaterra.

A Vara, a oitava parte da Milha e o Acre, são todos de origem Saxónica. A Milha instituída é o resultado de um compromisso entre a unidade Francesa, a velha milha britânica e do “Milliarius” romano.

A origem da Vara (Rod) como unidade tradicional de medida
A unidade tradicional da distância igual a 5.5 jardas (16 pés e 6 polegadas e mais exactamente 5.02 metros).

A Vara e a oitava parte da milha eram as unidades básicas de distância empregadas pelos Anglo-saxões residentes em Inglaterra antes da conquista normanda de 1066.

Os Saxões chamavam geralmente a esta unidade o “Gyrd”, uma palavra que vem até nós com o nome de uma unidade diferente, “Yard” (jarda). A Vara (Rod) é outra palavra Saxónica que significou naquele tempo o que significa actualmente: uma vara direita.

Os Normandos preferiram chamar “Gyrd” ao bastão ou vara (uma palavra de origem francesa, significando um poste ou varão). O comprimento desta vara fora estabelecido pelo menos a partir do oitavo século. Pode ter começado como comprimento de uma vara de bois, utensílio empregado para comandar uma equipa de 8 parelhas de bois.

Os estudiosos não sabem ao certo como a vara foi relacionada com as unidades mais curtas. Esta medida pode ter sido considerada igual a 20 “Pés” normais (comprimentos reais de um pé), ou pode-lhe ter sido medida “à mão” com 30 palmos.

De qualquer modo, quando o pé moderno ficou estabelecido no século XII, o governo real não quis alterar o comprimento da vara, dado que este comprimento era a base na medição das terras, nos seus registos, e impostos.

Por consequência a vara foi redefinida para igualizar 16.5 dos novos pés. Este comprimento chamou-se a “vara do rei” pelo menos a partir do período do Rei Ricardo Coração de Leão (1198). Embora varas de outros comprimentos sejam empregadas localmente na Grã-Bretanha, a vara do rei reinou a partir deste período.

A relação entre a vara e as outras unidades inglesas de distância foi confirmada pelo estatuto parlamentar de 1592, que definiu o estatuto da milha como sendo 320 varas ou 1760 Jardas (Yards), forçando a vara a corresponder a exactamente 5.5 jardas (Yards) ou 16.5 “Pés”.

© Russ Rowlett da universidade Carolina do norte em Chapel l Hill

A bússola magnética
A bússola magnética é um dos instrumentos mais importantes na história da medição.

A bússola foi inventada provavelmente pelos Chineses durante a dinastia Qin (221-206 A.C.).

Os primeiros videntes chineses empregaram ímanes naturais (um minério composto de óxido de ferro que se alinha numa direcção norte – Sul) para construir as suas placas de leitura de sinas.

Posteriormente, alguém se apercebeu que estes ímanes naturais eram de maior eficácia e utilidade na indicação de verdadeiras direcções, facto que conduziu à manufacturação das primeiras bússolas.

Fora então concebido um instrumento sobre uma placa quadrada que continha inscrições indicando os pontos cardeais e as constelações conhecidas.

A agulha indicadora, constava de um dispositivo metálico em forma de colher constituído por um íman natural, que indicava sempre o Sul.

As agulhas magnéticas utilizadas como indicadores de direcção em substituição dos ímanes naturais em forma de colher, surgiram no 8º século D.C, igualmente na China, entre os anos 850 e 1050, tendo-se tornado instrumentos correntes em tarefas de navegação a bordo de embarcações.

A primeira pessoa conhecida por ter utilizado a bússola como meio de ajuda à navegação, foi aparentemente Zheng He (1371-1435), da província de Yunnan na China, que fez sete viagens de oceano entre 1405 e 1433.

Topografia Colonial; Semi-transferidor e a corrente

Durante os períodos coloniais, dos anos 1800, a grande maioria das tarefas relacionadas com a topografia da época foram executadas com a utilização de um transferidor artesanal ou uma bússola, e uma corrente.

A corrente mais comum era de 66 pés de comprimento e composta de 100 elementos sendo 1 elemento igual à 1/100 de uma corrente ou 7.92 polegadas.

Estas unidades da medida podem ainda ser encontradas em muitos registos antigos arquivados nos tribunais.

As unidades de medição mais modernas em aço e fibra de vidro empregadas por topógrafos, ainda são mencionadas como os métodos mais adequados em procedimentos contemporâneos de medição.

Outras unidades da medida deste período chamaram-se as “varas” ou os “bastões”, representando 16.5 pés para cada unidade.

Durante este período a bússola foi montada sobre um tripé ou associada a um bastão simples, tendo sido denominada de ” consola de Jacob”.

Estes instrumentos de topografia desta época não eram muito precisos, mas eram suficientemente válidos para aplicação num contexto em que os valores de terra eram irrisórios.

Transferidor e a fita
Com a evolução dos tempos a utilização da bússola deu lugar ao transferidor graduado, e a corrente à fita em aço.

Enquanto a bússola podia geralmente medir o azimute magnético próximo de um quarto de grau, um transferidor já pode medir os ângulos entre as linhas com menos de um minuto de arco de circunferência.

A fita em aço, habitualmente de 100 ou 200 pés de comprimento graduadas em centésimos de um pé, providenciou uma precisão superior à “corrente de Gunter”.

O transferidor graduado e a fita permitiram a execução de medições mais precisas aplicadas à planificação e subdivisão de terras, na topografia de construção, e em quase todos os trabalhos de delimitação.

Até um período considerado contemporâneo, este método foi empregado em grande parte dos trabalhos aplicados no universo da topografia.

Transferidor e a estádia
Com o avançar da evolução tecnológica os ângulos foram então medidos com a utilização de um transferidor graduado associado a uma ocular sendo as distâncias medidas através de métodos ópticos sobre uma régua padrão colocada na horizontal.

Esta régua ou “estadia”, graduada em centésimos de um pé, e um conjunto de fios transversalmente horizontais aplicados ao telescópio do transferidor, chamados “fios de estadia”, foram colocados de modo a que, com base em princípios trigonométricos, e a uma distância de 100 pés a leitura dos fios corresponda exactamente a um pé sobre a estadia. Assim, em cerca de 500 pés, uma distância pôde ser lida directamente na estadia.

Devido à sua velocidade e eficácia, este método tornou-se mais comum para traçar cartas topográficas.

Este procedimento abriu igualmente os caminhos da nova concepção dos instrumentos ópticos da nova geração (pranchetas e micrómetros), fabricados sobretudo em Inglaterra e Alemanha (Vernier, Everest, Gurley, e outros).

Os métodos contemporâneos

O Teodolito
A combinação de telescópios de uma crescente capacidade óptica, com limbos horizontais e verticais graduados, deu origem ao ressurgimento de um considerável número de fabricantes que revolucionaram o mundo da topografia em franco desenvolvimento em finais do século 19.

São exemplos desta vaga de aperfeiçoamento as casas Inglesas, Suíças e Alemãs das quais se destacaram as marcas Wild, Kern, Zeiss, Fennel, entre outras.

O Nível
O conceito das observações relacionadas com a linha do horizonte que permitiu uma relação de altitudes entre pontos desnivelados, através da leitura de réguas graduadas, impulsionou igualmente a aparição dos instrumentos denominados de “níveis ópticos”.

Estes instrumentos munidos de bolhas de nível que garantem de forma eficaz a sua posição horizontal foram inicialmente concebidos por fabricantes ingleses Suíços e alemães dos quais se destacam as casas Baker, Cook Troughton & Simms, Hilger & Watts, Wild, Kern e Zeiss, entre outras.

A Fotogrametria
O final do século 19, a par da evolução da aviação, é igualmente palco de uma nova era de evolução na construção de mapas topográficos.

Foram nesta época desenvolvidos métodos de captação e tratamento de imagens fotográficas obtidas por meios aéreos. Davam-se assim os primeiros passos na denominada “fotogrametria”.

Foram neste período desenvolvidos equipamentos fotográficos mais sofisticados a instalar em aeronaves ligeiras.

Em simultâneo, foram concebidos mecanismos de tratamento destas imagens denominados de “restituidores fotogramétricos” que a partir das fotografias aéreas captadas, permitem através de junção e parametrização das mesmas, representar sobre mapas e cartas topográficas, o relevo e delimitações das zonas abrangidas por este sistema.

Os métodos modernos

Teodolito na medição electrónica de distâncias
Não há nenhuma norma exacta que diferencia a concepção básica de um instrumento combinado de uma ocular + alidade, de um instrumento designado de “Teodolito”.

Geralmente, o teodolito é um instrumento muito mais preciso. Alguns podem medir um ângulo com menos 1/10 de um arco de segundo (um milésimo de um pé numa milha), sendo precisões da ordem de 1-3 segundos, típicas em teodolitos modernos.

Além disso, os ângulos medidos num transferidor eram lidos sobre de um disco circular metálico, graduado em graus e minutos, enquanto que no teodolito este disco metálico foi substituído por limbo de vidro gravado, permitindo a leitura interna de ângulos com uma ocular através de uma série de espelhos e objectivos.

Em alguns modelos mais precisos onde se pretendeu apurar intervalos angulares de ordem decimal, surgiram os micrómetros (nónios) associados aos limbos verticais e horizontais.Nesta era de considerável desenvolvimento tecnológico surgiram nos anos 70 os primeiros aparelhos de medição electrónica de distâncias.

Estes instrumentos denominados de EDM´s (Electronic distance measurement) eram relativamente pequenos, ligeiros e fáceis a utilizar, sendo o conceito do seu funcionamento baseado na emissão de um feixe estreito de luz infravermelha que reflectido num prisma retorna ao instrumento permitindo a leitura de uma distância em curto espaço de tempo.

Os da primeira geração foram montados sobre teodolitos, tendo evoluído para os modelos associados aos telescópios. A rápida evolução da tecnologia e da miniaturização dos componentes electrónicos sentida nos anos 80, permitiram a construção de novas gerações de teodolitos munidos de novas funções electrónicas, na medição de distâncias com EDM interno, e no manuseamento de uma variedade de dados afixados em ecrã de cristais líquidos.

Estes super-teodolitos designados de “estações totais electrónicas”, proporcionaram aos técnicos, além da velocidade e exactidão consideravelmente potenciados, o manuseamento de dados numéricos que podem ser automaticamente transmitidos para uma unidade de recolha de dados electrónicos, ou por transferência directa para computadores.

Além da velocidade e a exactidão fornecidos, o custo decrescente destas estações electrónicas permitiu a substituição gradual de todos os métodos e instrumentos precedentes utilizados até à data.

Os prismas de reflexão
Os métodos de reflexão dos feixes infra-vermelhos acima referidos acompanharam a evolução dos novos teodolitos electrónicos.

Os fabricantes destes novos dispositivos de reflexão, conceberam um método de convergência do feixe através da combinação de espelhos confinados no interior de um prisma, facto que aumentou consideravelmente a precisão das visadas.

Esta evolução permitiu igualmente o aumento da medição de distâncias em conformidade com o número de prismas utilizados, tendo a partir deste período sido possível medir distâncias quilométricas com grande precisão.

A reflexão destes raios infravermelhos conduziu à concepção de dispositivos de reflexão mais económicos através de uma tela reflectora específica. Estes alvos denominados de “rectro-reflectores” não garantem a mesma precisão dos prismas de reflexão total, sendo aplicados em tarefas de medição de distâncias mais curtas e com menor exactidão.

A excepção a esta norma foi desenvolvida mais recentemente pelo fabricante japonês Sokkia que lançou no mercado uma geração de equipamentos que atinge a sua máxima exactidão com alvos rectro-reflectores a curtas distâncias.

Dos principais fabricantes dos dispositivos de reflexão mencionados destacam-se os suíços da Leica, os japoneses Sokkia e Topcon e a americana Trimble.

GPS – O sistema posicionamento global
Este sistema revolucionário de posicionamento que não foi concebido para uso civil, foi constituído de uma constelação nominal de 24 satélites, disponibilizados ao grande público, com um sinal intencionalmente degradado pelo DOD (Depart. of Defense).

Algumas mentes deveras astuciosas descobriram uma forma de empregar o sinal transportado por este sistema para calcular a posição de um receptor sobre a terra.

Esta tarefa foi tornada possível pela utilização de dois receptores e de relógios extremamente precisos, empregues para cronometrar os sinais recebidos dos veículos satélites (SV).

A disponibilidade e utilização destes relógios de grande precisão tornou possível o uso do GPS em meios civis. Foi assim possível calcular 3 posições dimensionais utilizando estes receptores em praticamente qualquer ponto sobre a terra.

O GPS tem no entanto as suas limitações. Os receptores surgiram inicialmente no mercado com custos elevados, verificando-se a sua gradual redução com a entrada no mercado de novos fabricantes.

Estes receptores estão igualmente condicionados por factores de bloqueio de sinal devendo dispor de uma considerável abrangência de céu aberto. Isto significa que o sistema é inútil dentro em espaços confinados, onde existam barreiras naturais (cúpulas de árvore, montanhas, vales cavados, etc) bem como perto das construções ou as superfícies verticais devidas a um efeito denominado de multi-trajecto.

Este efeito considerado como nocivo e que pode impossibilitar um posicionamento adequado, pressupõe que um receptor obtém 2 sinais em vez de um, devido às propriedades reflectoras de uma superfície vertical.

Em relação a outras condicionantes do sistema, os satélites disponíveis devem compor uma boa formação geométrica através do céu. Se os satélites se encontrarem “amontoados” sobre um determinado local, os resultados obtidos não serão adequados.

Os actuais sistemas profissionais de posicionamento utilizam o GPS para a realização de um grande número de projectos correntes, sendo este um sistema que se estendeu de forma alargada às tarefas de navegação terrestre e marítima.

Esta tecnologia permitiu nas áreas profissionais a determinação de pontos notáveis sobre a terra com um considerável rigor planimétrico (de ordem centimétrica), sendo o posicionamento altimétrico menos conseguido.

A evolução para o posicionamento global de precisão
Robot de calibragem de antenasEstas tecnologias de posicionamento com recurso a satélites, conheceu um considerável impulso no início dos anos 90 com a disponibilização de novas constelações no espaço sideral.

São de considerar, para além da constelação da rede principal GPS, a rede “Glonass” (Russa), e o projecto europeu “Galileo”, actualmente em curso.

Existem igualmente algumas constelações de segunda ordem lançadas em períodos mais recentes por países como o Japão, Índia e China.O termo GPS (Global Positioning system) evoluiu recentemente para GNSS (Global navigation sattelite system).

A introdução de dispositivos mais sofisticados com as antenas tipo “shok ring” (redução dos efeitos multi trajecto) e receptores de dupla e tripla constelação na execução das missões com recurso a satélite, permitiu o posicionamento milimétrico de um ou mais pontos notáveis sobre a terra.

Para tal contribuiu igualmente uma emergente tecnologia de calibração das antenas, que através de sistemas robotizados permite a sua adequada rotação no acompanhamento do movimento diário das constelações disponíveis, conferindo a estes dispositivos uma redução dos efeitos da Ionosfera, e troposfera.

Em consequência deste percurso de evolução, este sistema é actualmente utilizado na composição de redes cartográficas locais ou globais, e no estudo de comportamento de estruturas de diversos tipos, monitorização de actividades sísmicas, meteorológicas, etc.

Os sistemas de topografia robotizada
Neste notável percurso de evolução tecnológica onde os microprocessadores desempenharam um papel primordial, surgiu mais recentemente uma nova geração de estações totais automáticas e robotizadas.

Trata-se de estações totais munidas de servomotor e software integrado de observação geodésica, sistema desenvolvido a partir dos anos 90 pela casa suíça “Leica Geosystems”.

Estes instrumentos munidos da capacidade de medição angular de 0,5 mgon, e de 1mm+1ppm na aferição de distancias, introduziram igualmente no mercado a capacidade de captação automática de prismas por sistema de vídeo, denominada de função ATR (Automatic Target Recognition).

Em paralelo o fabricante de origem sueca “Geodimeter” (actualmente sob o nome da casa Trimble USA), lançava no mercado um modelo de estação total igualmente robotizada e com a capacidade de manuseamento por controlo remoto, sistema este que foi seguido pelos fabricantes Leica (Suíça), Topcon e Sokkia (Japão), entre outros, com o lançamento de novas gerações de equipamentos.

Estes modelos, fruto de uma notável inspiração tecnológica e consequência de avultados investimentos científicos, surgiram no mercado com custos onerosos, sendo exclusivamente utilizados na industria de precisão e em missões de auscultação e vigilância de estruturas envolvendo risco, onde se estudam movimentos de ordem milimétrica.

São equipamentos frequentemente utilizados em plataformas industriais, projectos de escavação subterrânea em meio urbano (túneis de metropolitano), pontes e barragens, e infra-estruturas com patologias identificadas.

Leica TCA 2003
Leica TDM 5000
Trimble S8
Sokkia Net 05

Os sistemas de “Varrimento Laser Tridimensional”
Leica HDS 3000Com o desenvolvimento das tecnologias a laser e para além das novas estações totais de feixe laser, com a capacidade de medição de distâncias sem a utilização de prismas ou alvos reflectores, surgiram recentemente os equipamentos de digitalização tridimensional.

O sistema de “varrimento Laser”, é um sistema que a partir de um ponto estação irradia um impulso laser cujo tempo de percurso de ida e volta do sinal reflectido, é medido e convertido numa distância. Convertidas em coordenadas rectangulares por um hardware integrado, as coordenadas polares (ângulos e distancias) obtidas, permitem adquirir uma nuvem muito densa de pontos coordenados na superfície de uma estrutura ou objecto em estudo.

Esta emissão laser é inócua, sendo inofensiva para a saúde humana e para a conservação de património, podendo este sistema funcionar sem iluminação, uma vez que é do tipo activo.

A frequência de aquisição de pontos 3D é aproximadamente uma dezena de milhar por segundo, sendo o tempo de varrimento laser em cada estacionamento variável entre de 2 a 10 minutos.

Esta tecnologia permite uma cobertura total do objecto ou estrutura a levantar, numa única nuvem de pontos 3D com a utilização de precisões homogéneas sub centimétricas.

O “Varrimento Laser Tridimensional” introduziu no mercado uma excelente variante para aplicação em levantamentos de objectos e estruturas complexas com um elevado nível de detalhe geométrico, precisão e informação dimensional, sendo um método simples, rápido e com uma relação custo – eficácia, deveras interessante.

Esta tecnologia inovadora, sugere a abertura de novos caminhos para aplicação em grande parte das tarefas a desempenhar pelos profissionais de topografia num futuro próximo.

Fonte: Planortogonal.com (Portugal).

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