IV Simpósio Brasileiro de Geomática – SBG2017 II Jornadas Lusófonas - Ciências e Tecnologias de Informação Geográfica - CTIG2017

Presidente Prudente - SP, 24-26 de julho de 2017 p. 458-462

COMPARATIVO ENTRE RBMC E RMPG PARA O MONITORAMENTO DO NÍVEL DO MAR EM SALVADOR/BA – RESULTADOS PRELIMINARES DE REFLETOMETRIA GLONASS MÁBILA CORREA MAKRAKIS1 VINÍCIUS CAIXEIRO DA CRUZ2 SÉRGIO FLORÊNCIO DE SOUZA1,2 FELIPE GEREMIA NIEVINSKI1,2 1

Programa de Pós Graduação em Sensoriamento Remoto, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre/RS, Brasil 2 Laboratório de Pesquisas em Geodésia, Departamento de Geodésia, Instituto de Geociências, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre/RS, Brasil {mabila.makrakis, vinicius.caixeiro, sergio.florencio, felipe.nievinski}@ufrgs.br

RESUMO – O monitoramento geodésico do nível do mar é realizado no Brasil primordialmente através da Rede Maregráfica Permanente para Geodésia (RMPG), que é mantida pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) e conta com um total de cinco estações distribuídas pela costa brasileira, entre elas a de Salvador/BA (EMSAL). O IBGE mantém também a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo GNSS (RBMC), que foi idealizada para servir como apoio para aplicações geodésicas e topográficas do posicionamento por satélites e também possui uma das suas estações (SSA1) na mesma cidade. Estudos relacionados à técnica de refletometria por multicaminho (GNSS-MR) propõem viabilizar o uso de estações GNSS à beira-mar e com visibilidade direta para o oceano como marégrafos alternativos, detectando as mudanças na altura da superfície do mar ao longo do tempo. Esse estudo tem como objetivo apresentar resultados preliminares GLONASS em um experimento comparativo entre as estimativas obtidas usando os dados da estação da SSA1 com as medidas realizadas na estação maregráfica EMSAL, as quais foram instaladas na Capitania dos Portos da Bahia, em locais equidistantes em 100 metros. Palavras-chave: GNSS, GPS, GLONASS, reflectometria, multicaminho, RBMC, RMPG, marégrafo. ABSTRACT – The sea level monitoring is fulfilled in Brazil primarily by the Permanent Maregraphic Network for Geodesy (RMPG), which is maintained by the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE) and has a total of five stations distributed along the Brazilian coast, among them the one of Salvador (EMSAL). IBGE maintains, besides the RMPG, the Brazilian Continuous Monitoring Network (RBMC), which was designed to serve as support for GNSS geodetic and topographic applications and has one of its stations on the coast of Salvador, located in the port, (SSA1). Studies related to the multipath reflectometry (GNSS-MR) technique propose to make feasible the use of GNSS stations near the seashore and direct visibility to the ocean as tide gauges, with the remote sensing at close range, using the surface of the sea as target reflector and detecting changes in altitudes over time. This study aims to present the preliminary results of a comparison between the data from the SSA1 and the EMSAL station using GLONASS observations. Keywords: GNSS, GPS, GLONASS, Reflectometry, Multipath, Tide gauge.

1 INTRODUÇÃO O monitoramento do nível do mar permite compreender a ocorrência de diversos fenômenos terrestres e oceanográficos, causados ou não pela interferência do homem na natureza. Estes estudos podem ter aplicações práticas ou em pesquisas científicas M. C. Makrakis;V. C. Cruz; F. G. Nievinski; S. F. Souza.

como navegação marítima e fluvial, Geodésia, Cartografia, gerenciamento costeiro, monitoramento do meio ambiente e de recursos hídricos, aquicultura, pesca e demarcações de terrenos da marinha. Técnicas de determinação das coordenadas através de posicionamento por satélite GNSS podem ser utilizadas para inúmeras aplicações, fornecendo informações de forma rápida e ISSN 1981-6251

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precisa. As altitudes relacionadas a esta técnica referemse ao elipsóide, em contraste com as altitudes ortométricas, referentes ao geoide. Por sua vez, essa superfície equipotencial (geoide) aproxima o nível médio do mar (NMM), mas sem haver coincidência. A separação entre NMM e geoide é conhecida como topografia do mar, já a separação entre geoide e elipsoide é a ondulação geoidal. O Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) mantém a Rede Maregráfica Permanente para Geodésia (RMPG) e a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo GNSS (RBMC) para apoio às atividades geodésicas nacionais. A RMPG ajuda a controlar e acompanhar a evolução temporal e espacial dos dados altimétricos (1D) do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB). Já as estações da RBMC desempenham o papel de representar marcos com coordenadas tridimensionais – (3D) conhecidas no SGB. Em paralelo, modelos da ondulação geoidal e da topografia do mar permitem a conexão entre os sistemas 3D e 1D. As altitudes referidas ao marégrafo de Imbituba, isto é, ao nível médio do mar no Porto de Imbituba (SC), servem de suporte para outras redes geodésicas. Interferências externas aos marégrafos e deformações estruturais (como soerguimento ou rebaixamento da crosta terrestre, recalque do píer etc), além de problemas relacionados aos erros provenientes dos equipamentos, fazem com que a RMPG enfrente algumas dificuldades na determinação do nível do mar, como a necessidade de correções para derivas instrumentais, além de controle GNSS próximo, para isolar a possibilidade de que estas discrepâncias sejam interpretadas erroneamente como alterações no nível médio do mar (NIEVINSKI & MONICO, 2014). A RBMC, por ter suas coordenadas monitoradas continuamente, tem potencial de complementar a RMPG. Isso é possível utilizando estações GNSS com marégrafos alternativos com a técnica de refletometria por multicaminho (GNSS-MR). Nesta técnica a superfície do mar serve como um alvo refletor, sendo realizado o equivalente a um sensoriamento remoto a curta distância, permitindo obter uma estimativa do nível do mar. Isto é possível através da interferência dos sinais propagados diretamente dos satélites transmissores e dos refletidos da região próximas da antena receptora (NIEVINSKI e LARSON, 2014a). O objetivo deste trabalho é realizar um comparativo entre os dados altimétricos dos dias 25 e 26 de junho de 2014, do marégrafo EMSAL e da estação GNSS SSA1, ambos em salvador, utilizando os dados das fases da onda portadora L2 dos satélites GLONASS. Em suma será feita a avaliação da possibilidade de adequar uma estação GNSS, considerando sua localização, como GNSS-MR (SILVA et al., 2014). 2 MATERIAS E MÉTODOS A metodologia utilizada consiste em uma análise parcialmente manual dos dados de ambas estações, M. C. Makrakis;V. C. Cruz; F. G. Nievinski; S. F. Souza.

EMSAL e SSA1. Os dados foram obtidos através do site do IBGE, que permite o download gratuito dos arquivos de qualquer marégrafo da RMPG e de qualquer estação da RBMC. A estação da RBMC de Salvador está localizada na costa e, segundo descritivo do IBGE (2007), nas coordenadas de latitude -12°58'30,5697" e longitude 38°30'59,3447". O equipamento utiliza receptor da marca Trimble modelo NETR8 e antena GNSS choke ring. Um dos critérios da seleção de uma RBMC para GNSS-MR é possuir um campo de visada aberto e sem obstruções e que o receptor esteja localizado próximo e, preferencialmente, de frente ao mar. Outro pré-requisito é que haja visibilidade para o céu, sem cobertura vegetal ou edificações próximas que bloqueiem a recepção dos sinais de satélites. A estação SSA1 atende aos critérios exigidos e apresenta potencial de êxito, pois está localizada em frente à superfície do oceano (Figura 1). Além disso, possui na sua proximidade (150 metros medidos pela imagem de satélite) o marégrafo EMSAL, que pode ser utilizado para validação independente dos seus dados.

Figura 1: Localização SSA1 e EMSAL [Fonte: IBGE/Google Earth]. Os dados da SSA1 consistem em arquivos do tipo rinex, que são analisados inicialmente utilizando-se o software RTKPlot, onde é possível visualizar informações como a razão-sinal-ruído (SNR), a elevação e o azimute de cada satélite ao longo do dia. As estimativas altimétricas são obtidas a partir dessas observações SNR utilizando software próprio desenvolvido em MATLAB. É possível observar quais os momentos de observação GNSS em que a SNR possui um comportamento com maiores oscilações, devido à interferência construtiva e destrutiva entre sinais direto e refletido, e então é possível obter a altura entre a antena receptora e a superfície próxima. As informações do EMSAL consistem em arquivos de texto contendo dados altimétricos, no caso as variações do nível do mar ao longo do dia. Esta estação é composta por um marégrafo convencional, dois marégrafos digitais e uma régua padrão. A taxa de coleta

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de dados é de cinco minutos para o encoder e de um minuto para o radar (IBGE, 2010). 3 RESULTADOS Os resultados esperados são as discrepâncias entre as altitudes obtidas no RMPG EMSAL e na RBMC SSA1 e uma análise da possibilidade da utilização da SSA1 como marégrafo híbrido. Desta forma, neste estudo inicial foram coletados os dados dos dias 176 e 177 (25 e 26 de junho) de 2014 de ambas as estações, processados e elaborados os gráficos representando as altitudes de cada estação em cada data, e por fim uma sobreposição de ambos, para que fosse possível a comparação entre os seus resultados.

3.2 Análise das observações da SSA1 (RBMC) A Figura 3 representa o comportamento da razãosinal-ruído (SNR) em relação ao ângulo de elevação para alguns satélites representativos.

3.1 Análises dos dados da EMSAL (RMPG) A Figura 2consiste nos gráficos da variação do nível médio do mar ao longo do dia elaborado a partir dos dados da RMPG, onde é possível verificar que durante o período estudado as altitudes da região variaram entre 6 e 8,5 metros.

Figura 3: SNR por ângulo de elevação no dia 176 do ano 2014; topo: satélite R01; meio: satélite R03; base: satélite R15.

Nível do Mar (m)

8.5 8 7.5

3.3 Estimação do nível do mar por refletometria

7 6.5 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Tempo (h)

Figura 2: Dados do marégrafo convencional; topo: dia 176 de 2014; base: 177 de 2014.

M. C. Makrakis;V. C. Cruz; F. G. Nievinski; S. F. Souza.

As medições SNR são processadas para ajustar uma curva teórica, com o objetivo de determinar a altura da antena em relação ao mar (Nievinski e Larson, 2014a; 2014b). A partir do SNR tendência, estimado por um polinômio, determina-se o SNR oscilação, subtraindo a razão-sinal-ruído extraída do arquivo rinex (total) da estimada (tendência). O SNR oscilação permite que se estime a sua amplitude, frequência e fase. A frequência determina a altura H entre a antena e a superfície da água: f=4πH/λ (1) onde λ = 24,06 cm é o comprimento da onda portadora GNSS. A Figura 4 apresenta o resultado do ajustamento aplicado a um satélite GLONASS na frequência L2 e código P.

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Figura 4: Curva téorica (em vermelho) ajustada às observações SNR (em cinza) e respectivos resíduos (em azul, na base). 3.4 Comparativo do Nível do Mar entre RBMC (GNSS) e RMPG (Marégrafo) A partir dos dados processados obteve-se as altitudes do nível médio do mar de cada estação, tanto da RBMC quanto da RMPG, a partir do qual foi realizada uma comparação entre ambos valores. A Figura 5 representa o diagrama de dispersão entre os valores de nível do mar entre os dois métodos e permite verificar a correlação entre eles. A Figura 6 consiste na sobreposição das variações do nível médio do mar ao longo do tempo de cada uma das estações, onde é possível verificar o comportamento símile dessas.

Figura 6: Variação do nível do mar ao longo do tempo RBMC x RMPG

4 CONCLUSÕES Neste trabalho preliminar foi realizado um comparativo de dois métodos de monitoramento do nível médio do mar, a fim de otimizar a rede brasileira de marégrafos, avaliando a possibilidade da utilização das RBMC e qualquer equipamento GNSS como marégrafo alternativo. A etapa conseguinte deste trabalho é expandir o período de observações primeiramente para um ano e posteriormente estender o tempo de análise sucessivamente. Além disso, se deseja comparar os diversos sinais civis e militares, nas frequências L1 e L2, do GPS e GLONASS. Outro passo é verificar a possibilidade de utilizar outras estações, além das RBMC, para o mesmo fim, estudando a possibilidade da confecção, instalação e aplicação de equipamentos GNSS de baixo custo ao longo da costa brasileira para esta finalidade. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento do projeto 457530/2014. REFERÊNCIAS

Figura 5: Diagrama de dispersão GNSS-MR x marégrafo Calculando-se as estatísticas dos resíduos, encontra-se uma correlação de 0,83 e erro médio quadrático (RMS) de 29,9 cm para GLONASS L2-P. Espera-se que a utilização conjunta das duas frequências (L1/L2) e demais códigos (C e P), totalizando 4 sinais GLONASS independentes, permita melhorar ainda mais essas estatísticas.

M. C. Makrakis;V. C. Cruz; F. G. Nievinski; S. F. Souza.

IBGE (2010). Relatório da Estação Maregráfica de Salvador. Disponível em: ftp://geoftp.ibge.gov.br/informacoes_sobre_posicionamen to_geodesico/rmpg/cartograma/ficha_salvador_2010_11_ 08.pdf Acesso em 27 de março de 2017. IBGE (2010). Relatório da Estação RBMC de Salvador SSA1. Disponível em: ftp://geoftp.ibge.gov.br/informacoes_sobre_posicionamen to_geodesico/rbmc/relatorio/Descritivo_SSA1.pdf Acesso em 27 de março de 2017.

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Löfgren, J.S., Haas, R., Scherneck, H.-G. (2014), Sea level time series and ocean tide analysis from multipath signals at five GPS sites in different parts of the world, Journal of Geodynamics, doi:10.1016/j.jog.2014.02.012 Larson, K.M., R. Ray, F.G. Nievinski, J. Freymueller (2013b), The Accidental Tide Gauge: A Case Study from Kachemak Bay, Alaska, IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. (no prelo), doi: 10.1109/LGRS.2012.2236075. Larson, K.M., J. Lofgren, R. Haas (2013a), Coastal Sea Level Measurements Using a Single Geodetic GPS Receiver, Adv. Space Res., 51(8), 1301-1310, 2013, doi:10.1016/j.asr.2012.04.017 Nievinski, F.G., Monico, J.F.G. (), GPS como um sensor remote, In Paranhos Filho et al. In: Geotecnologias em Aplicações Ambientais.1 ed.Campo Grande : Ed. UFMS, 2016, v.1, p. 234-251. Nievinski, F. G., K. M. Larson (2014a), “Forward modeling of GPS multipath for near-surface reflectometry and positioning applications,” GPS Solut., vol. 18, no. 2, pp. 309–322. Nievinski, F. G., K. M. Larson (2014b), “Inverse modeling of GPS multipath for snow depth estimationpart I: formulation and simulations,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 52, no. 10, pp. 6555–6563. SILVA, M. F.; NIEVINSKI, F. G; MONICO, J. F. G. Estações GNSS/maregráficas híbridas: Complementando a RMPG com a RBMC utilizando a técnica de reflectometria por multicaminho (avaliação inicial) In: Anais XXVI Congresso Brasileiro de Cartografia, 2014, Gramado, RS.

M. C. Makrakis;V. C. Cruz; F. G. Nievinski; S. F. Souza.

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