Utilização do Radar de Penetração nos Solos (GPR) na detecção

Transcrição

Centro Geofísica
de Évora
Departamento de Física
Utilização do Radar de Penetração
nos Solos (GPR) na detecção de
estruturas no âmbito nas Ciências
Forenses
Ground Penetrating Radar for Forensic Applications
Vânia Lopes Lourenço
Lic. Física – Departamento de Física da Universidade de Évora
Coordenador: Prof. Bento Caldeira (1,2)
(1) Centro de Geofísica de Évora e Departamento de Física, Universidade de Évora
(2) Departamento de Física da Universidade de Évora
Utilização do GPR na detecção de estruturas no âmbito nas Ciências Forenses
Agradecimentos
Para a elaboração deste trabalho agradeço à FCT pela bolsa BII concedida; ao
projecto
SISMOD/LISMOT
PTDC/CTE-GIN/82704/2006
e
ao
CGE
pelo
acolhimento e cedência do equipamento de Georadar; à Sociedade Agrícola ZEA pela
disponibilização do campo de ensaios e abertura da cova; ao Hospital Veterinário da
Universidade de Évora pela cedência dos cadáveres dos porcos; ao Professor Bento
Caldeira da Universidade de Évora que sempre esteve disponível para ajudar apoiar
neste projecto de investigação; aos Professores Mourad Bezzeghoud e José Borges
pelo incentivo, ideias que muito
contribuíram para enriquecer o projecto;
ao
Engenheiro João P. Rocha por toda ajuda na preparação dos ensaios e interpretação
dos dados; aos auxiliares dos laboratórios de Física (Sérgio Aranha e Teresa Foito) da
Universidade de Évora pela ajuda de obtenção de alguns materiais utilizados
laboratorialmente no processo da investigação; e a todos aqueles que sempre
estiveram comigo e me apoiaram nos bons e maus momentos, conforme o projecto ia
avançando.
-2-
Índice
INTRODUÇÃO ------------------------------------------------------------------------------- 4
GEORADAR(GPR) --- ---------------------------------------------------------------------- 6
FUNDAMENTOS ------------------------------------------------------------------- 6
APLICAÇÕES FORENSE --------------------------------------------------------- 11
SITUAÇÕES ESTUDADAS -------------------------------------------------------------- 13
METODOLOGIA E EQUIPAMENTO------------------------------------------- 13
CARACTERIZAÇÃO DE ENSAIOS ---------------------------------------------14
ENSAIOS LABORATORIAIS------------------------------------------------ 14
ENSAIOS DE CAMPO ------------------------------------------------------ 17
SEPULTURA
ARMAS
---------------------------------------------------------- 19
--------------------------------------------------------------- 20
“PISTOLA”
---------------------------------------------------- 20
“BAZUCA”
---------------------------------------------------- 21
TRATAMENTO DE DADOS E A ANÁLISE DOS RESULTADOS --------------22
DISCUSSÃO E CONCLUSÃO ------------------------------------------------------------24
BIBLIOGRAFIA -----------------------------------------------------------------------------28
ANEXOS ---------------------------------------------------------------------------------------29
Anexo I ---------------------------------------------------------------------------------30
Anexo II---------------------------------------------------------------------------------31
Anexo III--------------------------------------------------------------------------------34
-3-
Introdução
A ciência forense surge na investigação criminal especializada com o
objectivo de pesquisar indícios que possam conduzir às provas finais depois de
submetidos a exames laboratoriais. A sua aplicação justifica-se porque parte dos
indícios encontrados durante os trabalhos de campo não são visíveis a olho nu, e/ou
precisam de algum tratamento. [12]
Os criminosos apresentam esquemas cada vez mais engenhosos de fuga à lei e
ao dever cívico, que as novas forças policiais (criminalistas), de modo a submetê-los
ao poder judicial, precisam de desmontar, idealizando novos métodos de investigação.
Actualmente, apesar da sofisticação usada na camuflagem de indícios pelos
criminosos, as forças policiais, mercê da utilização de novas técnicas desenvolvidas,
consegue malograr essas as tentativas de despiste, encontrando indícios, como
contactos estabelecidos, lugares frequentados, objectos manuseados, etc., servindo
estes, após os devidos tratamentos, como provas, utilizadas posteriormente para
provar ou refutar a presença de um suspeito. [12]
Um dos campos da investigação forense prende-se com a localização de
provas ocultadas no subsolo onde as buscas através de escavações são inviáveis por
várias razões (envolverem estruturas complexas, risco de destruir evidências,
dimensão das áreas de investigação...). A investigação em Geofísica Forense tem por
missão localizar, identificar, recolher e catalogar essas provas (físicas) com a
finalidade de as apresentar em tribunal. Qualquer método não invasivo, capaz de
reduzir o tempo gasto em pesquisas e escavações, que aumente a probabilidade da
localização física das provas, deve ser de primordial interesse para a aplicação da lei
na comunidade. [11]
Um dos métodos que se enquadra nesse campo é o GPR (Ground Penetrating
Radar), que ultimamente tem vindo a dar provas da sua eficácia. Este método é
utilizado numa larga gama de aplicações, tais como [1]:
• determinação e localização (incluindo profundidade) de materiais de
metal e plástico, condutas, cabos, e outros objectos, sendo capaz de
-4-
determinar a sua orientação, tamanho e forma (por exemplo, barris e
fundações);
• detecção de cavidades de massas rochosas; investigação das estruturas
de solos e sedimentos, distinguindo entre áreas homogéneas e não
homogéneas;
• mapeamento de sedimentos de lagos e leitos de rio;
• investigação geológica dos depósitos glaciares;
•
localização de falhas, juntas, e fissuras na rocha consolidada;
• localização de lentes de argila, cunhas de gelo, pequenos depósitos de
turfa, etc;
• determinação da profundidade da água (tabela do cascalho, areia e
arenito);
• mapeamento do aquífero base;
•
determinação da estrutura rochosa em minas de sal a serem
investigadas para utilização como um depósito de resíduos;
• detecção e controlo da contaminação de plumas, a estimativa do teor de
humidade do solo;
• investigações em “permafrost” (congelação permanente, solo abaixo
0º);
• inquéritos de glaciologia (por exemplo, mapeamento da espessura do
gelo), identificação de minas terrestres e munições não deflagradas
enterradas (UXO);
• análises rodoviárias;
• ensaios e integridade da humidade de materiais de construção;
• ensaios de cimento e verificar a localização das barras reforço (
"Varões para betão") no mesmo, e localização de estruturas e objectos
ocultos antes e / ou entre escavações arqueológicas.
Neste trabalho, utilizando a informação disponível sobre todas estas áreas de
aplicação, procurámos estudar a aplicabilidade da técnica GPR em situações
semelhantes às encontradas na investigação forense. Para isso concebemos e
desenvolvemos um conjunto de situações experimentais que envolveram o
enterramento de artefactos metálicos e cadáveres de animais para posterior detecção
por GPR mediante diferentes condições de terreno e das amostras enterradas.
-5-
GeoRadar (GPR)
Fundamentos:
O GPR é actualmente o método geofísico activo mais indicado para análise da
estrutura em superfícies planas, apresentando excelentes resultados sobre muitas
características/tipos geológicos. Diferencia-se dos demais métodos geofísicos pela
visualização detalhada das camadas próximas da superfície, possibilitada pelas ondas
electromagnéticas utilizadas. Outra característica que destaca este método geofísico é
a enorme versatilidade operacional (equipamento leve e portátil) que permite a
cobertura de grandes áreas num curto intervalo de tempo, visualizando desta forma
uma amostragem espacial bastante detalhada. [ 4]
A tecnologia GPR é constituída por um gerador que emite impulsos de energia
electromagnética para o subsolo através de uma antena transmissora (Tx); esse sinal
ao penetrar no subsolo sofre refracção, e também reflexão, ao atingir as
descontinuidades presentes no meio de propagação. A radiação reflectida é depois
captada ao retornar à superfície por uma antena receptora (Rx). Tal como na sísmica
de reflexão, a informação que se obtém das estruturas é obtida da interpretação do
tempo que o sinal demora a ser detectado após ter sido reflectido numa interface. [ 4]
-6-
Figura 1 - Diagrama ilustrando a aquisição de dados GPR
O GPR pode operar com diversas frequências, a cada uma dessas frequências é
correspondida uma antena. A escolha da antena a utilizar depende do objectivo do
levantamento (dimensões e profundidade do alvo) assim como das condições
geológicas locais. Sinais de alta - frequência produzem alta resolução com pouca
penetração, ocorrendo o inverso para sinais de baixa frequência (tabela 1).
Tabela 1 – Opções de Antenas [13]
Frequência
2.6 GHz
Inspecções em Cimento
Profundidade de
penetração
aproximada (m)
0 – 0.30
1.5 / 1.6 GHz
0 – 0.50
900 MHz
Inspecções em Cimento, Identificação de
vazios, Solos superficiais
Engenharia, Meio Ambiente, Identificação
de vazios, Arqueologia
Geologia, Engenharia, Meio Ambiente,
Arqueologia
0-1
Geologia, Engenharia, Mineração, Meio
Ambiente, Arqueologia
Geologia, Meio Ambiente, Mineração,
Arqueologia
0–9
400 MHz
270 MHz
200 MHz
100 MHz
16 – 80 MHz
Aplicações
Geologia
0-4
0-6
0 - 15
0 - 50
As propriedades electromagnéticas dos materiais, relacionadas com a sua
composição e teor de água, controlam tanto a velocidade de propagação das ondas
electromagnéticas (de rádio) como a sua atenuação em materiais. [9]
A velocidade das ondas de rádio (Vm) em qualquer meio é função da
velocidade da luz no vazio (c = 0.3 m/ns), da constante dieléctrica relativa (K –
valores tabelados, ver tabela 2), e da permeabilidade magnética relativa (µ =1, para
materiais não magnéticos).
Vm = c /{ (K µ/2)[(1+P2)+1]}1/2
-7-
(1)
Em que P é o factor de perda, de tal forma que P = σ/ωε; σ é a condutividade,
ω=2πf onde f é a frequência e ε é a permissividade do meio, ε = K ε0, onde ε0 é a
permissividade do vazio (8.854 x 10 -12 F/m).
Em materiais de perdas baixas, P ≈ 0, a velocidade das ondas de rádio,
Vm = c / √K.
(2)
A aplicabilidade dos métodos de radar em determinado local depende da
permeabilidade1 do terreno para permitir a transmissão das ondas electromagnéticas
de GPR. [9]
1
Permeabilidade – Sendo a constante dieléctrica relativa da água elevada (81) relativamente à da rocha
seca, uma pequena quantidade de água pode aumentar a permeabilidade da rocha. Ou seja, a
permeabilidade é a capacidade de não receber água.
-8-
Tabela 2 – Tabela da constante dieléctrica relativa e das velocidades das ondas
electromagnéticas usadas pelo GPR para uma gama de materiais geológicos e
sintéticos. [9]
Material
Const. Diel. Relativa - K
Velocidade (mm/ns)
Ar
1
300
Água de nascente
81
33
Água do mar
81
33
Neve Polar
1.4 - 3
194 – 252
Gelo Polar
3 – 3.15
168
Gelo Temperado (Temperate ice)
3.2
167
Gelo Puro
3.2
167
4
150
2.5 – 8
78 – 157
1–8
106 – 300
10
95
3–6
120 – 170
25 – 30
55 – 60
10
95
Argila (molhada)
8 – 15
86 – 110
Solo argiloso seco
3
173
Pântano
12
86
Terra Agrícola
15
77
Terra Pastoral
13
83
Solo ameno
16
75
Granito
5–8
106 – 120
Pedra Calcaria
7–9
106 – 113
6.8 – 8
106 – 115
Basalto (molhado)
8
106
Xisto (molhado)
7
113
Arenito (molhado)
6
112
Carvão
4–5
134 – 150
Quartzo
4.3
145
Cimento
6 – 30
55 – 112
Asfalto
3–5
134 – 173
Lago gelado
Mar gelado (Sea ice)
“Permafrost” ( solo abaixo dos 0º)
Areia seca da costa
Areia (seca)
Areia (molhada)
Sedimentos (molhados)
Dolomite
-9-
PVC, Poliésteres, Epoxy
3
173
É o contraste do valor da constante dieléctrica entre camadas adjacentes que
determina a reflexão da radiação electromagnética incidente. Quanto maior for esse
contraste, maior será a quantidade de energia electromagnética aí reflectida. [9]
Em grande parte das utilizações de GPR, e também neste estudo, os dados são
adquiridos mediante uma técnica denominada por perfil de reflexão de radar (Radar
reflection profiling), em que uma ou mais antenas de radar são deslocadas ao longo da
superfície do solo em simultâneo. O equipamento faz leituras dos tempos de percurso
até ao reflector, exibidos no eixo vertical; a distância percorrida pela antena é
mostrada no eixo horizontal. [9]
A rapidez com que o levantamento pode ser conduzido permite uma excelente
cobertura espacial, produzindo imagens com maior ou menor resolução (esta
resolução depende da capacidade de penetração da antena, tabela 1) dependendo da
antena usada. Qualquer objecto detectado no perfil surge, na representação digital dos
respectivos tempos de percurso, sob a forma de uma meia hipérbole (anomalia).
Figura 2 – Ilustração de como se obtém a imagem de uma hipérbole
(anomalia) quando é feita aquisição de dados. [17]
O tempo das reflexões representado numa secção pode ser convertido em
profundidade se se conhecer a velocidade da onda electromagnética no meio de
propagação. Este procedimento para ser feito com um bom ajuste, envolve a aplicação
de um algoritmo que se denomina migração. [4]
- 10 -
Aplicação Forense:
A polícia e os serviços de aplicação da lei frequentemente têm necessidade de
realizar pesquisas que envolvem a localização de objectos ocultos ou enterrados, tais
como restos humanos (sepulturas clandestinas), armas, e drogas. [2]
A extensão da pesquisa irá determinar os potenciais custos a suportar. Por
exemplo, se a pesquisa é para um único cadáver humano num jardim típico
suburbano, vai exigir a investigação numa diversidade de locais. Um jardim pode
conter canteiros, relvado, estruturas construídas solo com revestimento, pátios,
caminhos, etc. A pesquisa irá exigir que todos estes potenciais esconderijos sejam
investigados. A polícia e os investigadores criminais dispõem de um certo número de
métodos que podem ser empregues para ajudar a diminuir os sítios a serem escavados;
incluem cães (conhecidos como cães cadáveres), arqueólogos forenses usando outras
técnicas geofísicas e as provas iniciais obtidas. Geralmente são métodos úteis para
usar sobre solos soltos, mas, em superfícies compactas, tal como cimento, são de
pouca ajuda pois, na maioria dos casos, é necessária uma completa escavação. O local
deve ser cuidadosamente escavado, e caso nada seja encontrado o jardim tem que ser
reposto. [2]
O GPR é um meio para a realização rápida das investigações de subsolo
através de um método não destrutivo, que pode aliviar a necessidade de realizar
extensas e dispendiosas escavações. Em mãos experientes, o GPR pode ser usado para
pesquisar e localizar os objectos típicos procurados pelos investigadores forenses. [2]
Contrariamente à maioria das utilizações em que o GPR é aplicado, onde as
assinaturas do radar são bem definidas, sob a forma de hipérboles como atrás foi
referido, as assinaturas do radar em alvos forenses são variadas, devido à grande
variedade de cenários e objectivos, que nunca são os mesmos. No entanto, um
operador com experiência irá acostumar-se aos padrões gerais dentro das imagens do
radar.[2]
No caso da utilização para procura de cadáveres deve ser salientado que o
GPR não pode fornecer uma imagem nítida do corpo (cadáver). É comum ouvir-se e
ler-se nos meios de comunicação social, quando se referem a utilização do GPR
nalguma investigação forense, descrições de imagens maravilhosamente nítidas de
restos ósseos "a sorrir" ao operador. Isto é um disparate. O GPR é simplesmente mais
- 11 -
uma ferramenta, que exige cuidado e utilização qualificada. No entanto, pode ser uma
forma muito útil e rentável para pesquisar locais, reduzindo as escavações
desnecessárias. [2]
- 12 -
Situações Estudadas
Metodologia e equipamento:
Com este trabalho, pretende-se estudar as potencialidades do GPR no âmbito
da investigação forense, mais concretamente na procura de cadáveres e armas.
Atendendo à reduzida base de conhecimento que detínhamos sobre a técnica no
princípio do projecto, foi necessário desenvolver uma metodologia que contemplasse
essa falha. Assim, a fase inicial foi delineada de forma a permitir ganhar experiência
na utilização do método geofísico GPR, tanto a nível das técnicas de aquisição de
dados, como de leitura e tratamento desses dados para obtenção de resultados úteis no
âmbito da investigação forense. Por fim planearam-se e desenvolveram-se um
conjunto de ensaios com situações próximas da realidade onde o conhecimento
adquirido foi aplicado para produzir resultados.
O equipamento usado foi um sistema GPR, SIR System-3000 (equipamento da
GSSI), com as antenas assinaladas na tabela 3, tudo disponibilizado pelo Centro de
Geofísica de Évora (CGE). O tratamento dos dados foi feito com a utilização do
software RADAN 6.5.
Tabela 3 – Antenas adquiridas pelo CGE. (Só foram usadas as duas primeiras antenas
na investigação)
Modelo
Série
Frequência
Profundidade
Aplicações
(aproximadamente)
5100
1573
1,5/1,6 GHz
0,5 m
5103 A
0373
400 MHz
4m
Engenharia,
meio
ambiente,
Identificação de vazios,
arqueologia
5106 A
0102
200 MHz
7m
Geologia,
mineração
- 13 -
ambiente,
Assim, para conhecer o aparelho e ganhar experiência na aquisição dos dados,
foram planeados e realizados dois conjuntos de ensaios:
1) Laboratoriais - onde se procurou criar um meio experimental ideal
e de fácil manuseamento;
2) Campo - onde foram criadas situações semelhantes às encontradas
na prática forense.
Caracterização dos ensaios:
Ensaios Laboratoriais
Os ensaios laboratoriais foram feitos sobre uma estrutura de areia da praia,
depositada no interior de uma caixa acrílica transparente com aproximadamente 45cm
de comprimento, 25cm de largura e 25cm de altura. No interior da estrutura de areia
foi enterrado um cilindro metálico com cerca de 5cm de diâmetro e massa de 1Kg.
Devido às reduzidas dimensões da caixa e à baixa profundidade a que o cilindro pode
ser enterrado, optámos por utilizar a antena de 1.5/1.6 GHz (ver figura 3).
a)
b)
c)
Figura 3 – Experiência laboratorial. a) Cilindro utilizado, b) caixa de acrílico com
cilindro metálico enterrado, c) Panorâmica de todo o método experimental.
- 14 -
Figura 4 – Fazendo aquisição de dados
no laboratório
As figuras 3.b e 4 mostram a estrutura criada e o cilindro utilizado. A figura
5.a mostra uma fotografia do ecrã do GPR no momento da aquisição de dados sobre a
estrutura descrita, com o cilindro enterrado a 7cm da superfície, conforme mostrado
nas figuras 3 e 4. É uma imagem obtida sem qualquer tratamento. A figura 5.b
corresponde a uma imagem obtida com os mesmos dados mas tratados com o
software RADAN 6.5. Como se pode observar, esta imagem embora ainda com um
tratamento incompleto que consistiu em aplicar deconvolução e uma boa escolha de
cores de contraste bem como alteração do ganho, permite já o reconhecimento com
uma boa formação do objecto escondido. As imagens “fantasma” do cilindro que se
encontram nos níveis inferiores da figura correspondem a interferências que podem
ser eliminadas com a aplicação dos filtros adequados.
a)
b)
Figura 5 – a) Dados no GPR em bruto, b) Dados tratados em RADAN da imagem a).
- 15 -
Foram ensaiadas múltiplas configurações do equipamento tendo em vista a
obtenção da aquisição de dados com melhor informação, e conhecer a melhor resposta
que este oferecia (figura 2 e 5). Para testar a dependência do teor em água,
começamos por usar a areia molhada da praia, e à medida que o tempo passava e a
areia ia secando, analisarmos as alterações das leituras. Quando a areia se encontra
molhada a imagem apresenta um nível de perturbação muito superior que nas
situações ensaiadas com areia seca. Estas perturbações que se manifestam pela
existência de um alargamento das zonas de contraste torna essas zonas algo
indefinidas. Quanto mais seca a areia está, se bem que o contraste seja menor, há uma
melhor definição dos contornos do objecto e consequentemente uma melhor
correspondência entre a posição real do objecto e a posição revelada pela imagem.
Estas diferenças devem-se às alterações da constante dieléctrica produzidas em função
no teor de água na areia.
a)
b)
c)
Figura 6 – a) garrafas que foram enterradas no aquário, para estudo da aquisição de
dados em diferentes meios; b) aquário com garrafa enterrada e areia da costa seca; c)
aquário com a areia molhada.
A grande importância da constante dieléctrica deve-se ao facto de ela ser um
parâmetro que determina o cálculo das profundidades a que se encontram os
reflectores, neste caso o nosso objecto. Por isso inicialmente quando enterramos o
objecto fazemo-lo de forma a conhecermos com precisão a sua posição (colocamo-lo
junto do vidro para que possamos medir a profundidade). Como o aquário estava em
cima de uma mesa fomos arranjar um novo objecto que inicialmente passávamos por
debaixo do aquário a fim de conseguirmos ter uma leitura no aparelho e ficarmos a
conhecer o limite inferior do aquário na imagem obtida. As perturbações apresentadas
por baixo do cilindro que a figura 5 mostra devem-se ao ar. Assim sabendo a leitura
- 16 -
após o termino do aquário e a profundidade do objecto, pela tabela 2 que nos oferece
os valores aproximados da constante dieléctrica fomos então alterar estes valores até
conseguirmos um bom ajuste entre a profundidade medida com o GPR e o valor real a
que o reflector se encontra. Uma constante dieléctrica inadequada devolve medidas
erradas para as profundidades dos objectos.
Como adiante se irá analisar em mais pormenor, as imagens dos ensaios de
campo levantaram dúvidas relativas ao surgimento de manchas que sugeriam a
existência de líquidos (ver figura AIII.5, perfil 2, anexo III). Para investigar esta
hipótese resolveu-se levar a cabo mais um conjunto de ensaios laboratoriais, desta vez
usando amostras que envolvem a presença ou ausência de água. Assim, foram
enterradas garrafas de plástico, que alternadamente foram cheias de água, gelo e ar,
materiais de constante dieléctrica diferente (consultar tabela 2). Os resultados destes
ensaios (ver figura AI.1, anexo I) levaram-nos a concluir que a anomalia verificada
nos ensaios de campo se devia a uma concentração de fluidos, provavelmente
libertados da decomposição dos animais e que devido à impermeabilização própria do
terreno estes fluidos se tenham acumulado naquele local.
Ensaios de Campo
Depois dos ensaios de laboratório, onde tivemos a oportunidade de treinar a
utilização da técnica de aquisição e tratamento de dados assim como ganhar
sensibilidade à configuração do aparelho nas diversas condições de operação,
começamos então com a investigação de campo, a investigação forense propriamente
dita, para localização de cadáveres e de armas.
Para testar a sua utilização com cadáveres em diferentes fases de
decomposição, decidimos usar dois cadáveres de porco. A razão desta escolha reside
no facto da constituição dos seus tecidos biológicos de superfície ter um
comportamento bastante similar ao do corpo humano [10]. Também foram preparadas
situações que simulam armas enterradas. Tanto num caso como no outro o local de
estudo foi a Herdade da Mitra, pertencente á Universidade Évora (figura 7), em
terreno identificado pela geologia com a designação de granito alterado.
- 17 -
Figura 7 – Na esquerda: mapa de satélite do campo experimental [Google Earth,
2008]; na direita: mapeamento da distribuição dos objectos enterrados no terreno.
A primeira fase deste trabalho de campo correspondeu ao reconhecimento do
terreno, à escolha do sítio e sua marcação para escavação (figuras 8). Após a escolha
foi feita uma primeira leitura com GPR no local escolhido para o enterramento dos
porcos. Seguidamente, uma retroescavadora abriu a cova com uma profundidade de
1,30m.
a)
b)
c)
Figura 8 – Marcação do terreno: a) Colocação de estacas, b) Medição do sitio das
estacas (arma), c) demarcação do sitio dos porcos (sus domesticus). Ponto de
referência a árvore.
Dias mais tarde foram enterrados os porcos, cedidos pelo hospital veterinário após
experiencias de laparoscopia na sequência das quais os animais tiveram que ser
abatidos.
Uma vez que a profundidade de 1,30m a que a cova foi aberta era demasiada
tendo em vista um cenário de sepultura clandestina, colocámos alguma terra antes de
- 18 -
enterrar os porcos, ficando assim com uma profundidade aproximada de 1,15m à qual
os enterramos (figura 9). Para a aquisição de dados nesta experiência foi seleccionada
a antena de 400MHz, devido a ter como alcance padrão máximo de 4m (Tabela 3) e
ser a que nos dá garantia de obtenção de melhores imagens face às condições
experimentais: alcance pretendido e dimensão dos objectos em análise.
No caso dos porcos foi definido um programa de leituras nos mesmos perfis,
durante as 12 semanas após o enterramento, para acompanhar a evolução da imagem
GPR durante a decomposição (ver Anexo II -caderno de campo), este tempo foi
decidido devido a um estudo já efectuado anteriormente pela Electrical Resistivity
Tomography (ERT) para podermos fazer algumas comparações mais tarde sobre os
resultados obtidos por ambos os métodos [16]. Para garantir que as leituras fossem
feitas exactamente nos mesmos perfis, foi fixada uma alcatifa sobre as sepulturas,
onde previamente foi impressa uma matriz (Figura 9.f).
- Sepultura:
a)
d)
b)
c)
e)
f)
Figura 9 - Imagens captadas no dia do enterramento dos porcos. a) Cova aberta, b)
enterramento do primeiro porco (+/- 1,15m), c) enterramento do segundo porco (+/0.80m), d) enchimento final da cova, e) localização da sepultura, logo após a
- 19 -
cobertura da cova, e f) tapete grelha com quadriculas de 0.50m sobre a sepultura.
Medições de profundidade feita na base do terreno.
- Armas: Para levar a efeito estes ensaios com objectos com potencial para produzirem
assinaturas no GPR semelhantes a armas, montámos por simples aproximação dos
objectos metálicos cedidos na oficina duas estruturas metálicas, uma com a forma e
dimensões próximas de uma pistola, que designaremos por “pistola”3 (figura 10.a) e
outra maior com uma forma que faz lembrar um lança morteiros, que denominámos
por “bazuca”3 (figura 11.a). Para implementar estes ensaios foram abertas cavidades
no solo com aproximadamente 30cm de profundidade onde foram depositados os
referidos artefactos (Figuras 10 e 11), sendo posteriormente cobertos com terra. As
antenas usadas foram as de 400MHz e a de 1.5/1.6 GHz. A de 400MHz foi usada para
analisar se com esta antena se conseguiria resolução para os objectos usados, isto é, se
seria possível registar na aquisição uma hipérbole bem demarcada relativa à presença
dos objectos. A antena de 1.5/1.6 GHz foi usada devido aos objectos se encontrarem a
um profundidade compatível com esta antena, e para posteriormente se poderem
comparar as imagens produzidas com a utilização das duas antenas. [Ver as figuras do
anexo III, correspondentes às armas].
a)
. “Pistola”
b)
c)
Figura 10 - Imagem da exposição dos materiais que simulam uma arma. a) Tamanho
da arma e indicação numérica dos diferentes materiais, b) profundidade a que a arma
foi enterrada (base da cavidade), c) comparação do tamanho da arma com a do
martelo.
- 20 -
3
Pistola e Bazuca
- Nomes estipulados pelo autor (Vânia Lourenço) para que durante o relatório
se possa entender melhor a que arma propriamente se está a designar.
. “Bazuca”
a)
b)
c)
Figura 11 – Imagem de simulação de uma outra arma. a) Tamanho da arma, b)
profundidade a que a arma foi enterrada (base da cavidade), c) enterramento da arma.
- 21 -
Tratamento de dados e a análise dos resultados
Para analisar os dados adquiridos com o GPR, foi utilizado o software RADAN 6.5.
Após a leitura dos dados comecei por procurar o sistema de cores mais favorável à
interpretação das imagens produzidas; a etapa seguinte consistiu em aplicar uma
deconvolução (filtro). Para potenciar a imagem utilizei um “stacking” 2
(empacotamento), configurado em função do tamanho da imagem da aquisição de
dados efectuada com o GPR, quando necessário utilizei o filtro “IIR Filters”- Infinite
Impulse Response Filters - , assim como a filtragem espacial (Spatial 2D [duas
dimensões] Filtering – spacial FFT filter), por fim fiz uma migração em Kirchhoff e
alterei os ganhos.
Ganho: Como o sinal é rapidamente atenuado no subsolo, para uma melhor
visualização da informação é necessário aplicar funções de ganho, para realçar as
amplitudes correspondentes aos reflectores em maior profundidade. [8]
Deconvolução: Este processo comprime o pulso de radar, aumentando com
isso a resolução temporal do sinal. [8]
Migração: Nesta etapa, os dados registados e processados no domínio (x, t),
são transferidos para o domínio (x, z). Os reflectores são posicionados no modelo de
‘subsuperficie’ e as difracções são colapsadas num ponto. Assim, a migração dos
dados do radar posiciona os reflectores quanto à sua posição, deslocamento e
profundidade. [8]
“Stacking” (empacotamento): “Stacking” combina as digitalizações adjacentes
seleccionadas e saídas de um único exame. No entanto, quando são alterados os
valores de “stacking” no RADAN, o programa irá manter as marcas no arquivo. [5]
Ou seja, o “stacking” faz uma compressão dos dados adquiridos.
“IIR Filters”: O filtro IIR encontra uma característica nos dados do radar, que
produz uma saída que decai exponencialmente para zero, mas nunca o alcança, daí o
nome "infinito". Filtros IIR não são necessariamente simétricos e quando atingem
uma excelente resposta de amplitude, a sua resposta de fase é não-linear e assim eles
podem causar mudanças de fase ligeira nos dados. O RADAN usa filtros IIR que
- 22 -
contenham apenas um pólo, para que não haja uma ruptura brusca na frequência de
corte, que poderá proporcionar a redução do ruído limitado. Como consequência,
pode ser benéfico para executar o mesmo filtro mais de uma vez. [5]
Filtragem Espacial: O filtro de FFT (Filter Fourier Transformation) espacial,
que é um filtro de frequência 2D e tem lugar no domínio do tempo no espaço. É
muitas vezes chamado de frequência-número de onda, ou F-K, no domínio. Esta
abordagem gera uma matriz bidimensional, em que os elementos do complexo,
representam a fase e a amplitude das várias ondas espaciais presentes nos dados do
radar. Ele permite ao usuário desenvolver um filtro 2D para atenuar o ruído. [5]
As imagens obtidas após o tratamento com o RADAN 6.5 encontram-se nos anexos
I e III
A observação dos radargramas obtidos durante todo o período de leituras revela com
clareza a presença dos cadáveres. A imagem obtida antes do enterro apresentava uma
formação homogénea, sinal que se alterou completamente após a colocação dos
animais e do enchimento do buraco. Nota-se agora uma boa visualização dos limites
da sepultura e uma nítida assinatura no local onde os porcos foram depositados. A
observação das imagens obtidas ao longo da decomposição revela uma alteração nos
contornos dos cadáveres. A partir da 5ª semana começou a observar-se a presença de
uma nova assinatura a uma profundidade aproximada de 1,15m nos perfis ao longo da
largura da sepultura que nos sugeriu dever-se a acumulação de líquidos. Para testar
esta hipótese foram feitos os ensaios laboratoriais atrás descritos.
- 23 -
Discussão e Conclusão
Quando a aplicação das técnicas de investigação criminal implicam o acesso
directo à decomposição de restos humanos são um pouco dificultadas pelos costumes
sociais, e também cada vez mais restringidas pela lei e licenciamentos. [3]. A
aplicação das técnicas geofísicas às ciências forenses por evitarem o acesso directo
mas possibilitarem o acesso à informação, introduzem um potencial inestimável de
mais valia para a investigação criminal e por conseguinte para a justiça. Os nossos
resultados mostram que a aplicação do GPR na investigação criminal tem
potencialidades de grande valor. [Ver anexo III]
Como é possível observar nas figuras 5.b, e das imagens do anexo III, através
da inserção certa dos dados no GPR, obtemos uma boa localização da profundidade a
que os objectos se encontram enterrados. Quanto à localização horizontal, como não
temos o carrinho próprio que contém um sistema que permite uma leitura precisa da
posição ao longo dos perfis, admitimos haver uma imprecisão de alguns centímetros
na identificação dos locais. A aquisição de dados foi feita por arraste da antena (neste
caso de 400MHz) com bastão e marcação manual das posições.
Encontrámos pela frente o desafio de reduzir a imprecisão da determinação da
posição da antena, usando o único modo de aquisição de dados que nos foi permitido
com o equipamento disponível: o modo de tempo que posteriormente é convertido em
distância através da introdução de algumas marcas de posição conhecida (posições
padrão). Para garantir uma boa conversão tempo/distancia vimo-nos obrigados a
deixar bem demarcada a distância que percorremos com a antena. Para facilitar a
determinação das posições padrão e ao mesmo tempo melhorarmos o arraste da
antena preparámos uma cobertura do terreno formada por um tapete no qual
desenhámos grelhas com distâncias bem definidas (figura 9f). Tendo o cuidado de
tentar manter velocidade constante, levámos em dois dias um cronómetro para
contabilizar o tempo que demoramos a percorrer uma determinada distância. Sabendo
da física clássica que:
v = Δx / Δt ,
- 24 -
(3)
em que v (m/s) é a velocidade a que nós nos deslocamos, Δx (m) a distância
percorrida e Δt (s) o tempo que se demorou a percorrer. Assim, pela tabela 4 vimos
que realmente a velocidade que percorremos a distância pretendida é bastante
aceitável e que o erro é bastante pequeno [Ver anexo III – sepultura].
Tabela 4 – Tabela do estudo do percurso a velocidades constantes
Data
Posição
Tempo [t
Velocidade [v
Erro da velocidade
(seg.)]
(m/seg.)]
1
8,16
0,429
0,429 ± 0,042
16 - Julho -
2
7,76
0,450
0,450 ± 0,021
2009
3
7,72
0,453
0,453 ± 0,018
1
7,09
0,494
0,494 ± 0,023
04- Agosto -
2
7,06
0,50
0,500 ± 0,029
2009
3
6,94
0,50
0,500 ± 0,029
Velocidade
0,471
(m/seg.)
média (m/s)
Observando as figuras da sepultura do anexo III , podemos concluir que o sinal
detectado inicialmente (antes da abertura da sepultura) apresentava uma assinatura
contínua, enquanto que após a abertura e fecho da sepultura observamos várias
perturbações associadas à colocação dos animais e do enchimento da sepultura que
mudou a estrutura.
As figuras AIII.2, AIII.3 e AIII.4 fornecem-nos uma boa visualização dos
limites da sepultura. Aqui, também nos é dada uma boa informação quando
comparamos as várias imagens com a leitura que esta oferece no decorrer da
decomposição dos porcos. Essa informação advém do facto dos tecidos biológicos
oferecerem uma elevada condutividade (ver tabela 5).
- 25 -
Tabela 5 - Propriedades atribuídas às regiões modelo para a simulação do GPR para
uma frequência de 450MHz. [7]
Tecidos biológicos
K
Pele
38
Ossos
13
Cérebro (massa cinzenta)
60
Matéria Branca (White matter)
47
Cartilagem
48
Musculo
56
De acordo com [16], que seguindo uma metodologia semelhante à aqui usada
(acompanhamento da decomposição de cadáveres de porcos em enterros simulados),
mas com tomografia eléctrica, foi verificado que a condutividade dos fluidos da
decomposição aumenta linearmente com o tempo. Nesses ensaios inicialmente não
aparecia praticamente nenhuma informação sobre a presença dos porcos. Só à medida
que a decomposição avançava passou a ser notada a sua existência. Para explicar estes
resultados concluem haver uma variação da resistividade do terreno ao longo do
tempo devido á decomposição. Com o GPR, embora as propriedades dieléctricas
possam também variar ao longo da decomposição, é possível detectar a existência dos
corpos desde o momento em que estes são sepultados.
As figuras relativas ás armas no anexo III, que se relaciona com materiais
metálicos semelhantes a armas, apresenta as hipérboles bem demarcadas. Esse facto
deve-se aos metais serem excelentes condutores4.
Aqui é nos possível também distinguir diferenças nos dados adquiridos com as
duas antenas. Os dados cuja aquisição foi feita com a antena de 400MHz (figuras
AIII.6 e AIII10), monstram-nos que inequivocamente está presente um objecto, porém
a sua forma é pouco detalhada e a profundidade pouco precisa. Quanto à antena de
1.5/1.6GHz (figuras AIII.7 e AIII.11.a) para além de nos oferecer uma boa indicação
do objecto quanto á sua profundidade também permite uma avaliação aproximada da
dimensão e forma do objecto escondido.
A partir das observações efectuadas ao longo dos ensaios sentimos a
necessidade de aprofundar mais o conhecimento de leitura do GPR, nomeadamente no
que respeita a variações das propriedades dieléctricas do terreno. Para isso molhámos
- 26 -
o terreno onde as armas de encontravam enterradas. As primeiras imagens obtidas
após essa operação revelam-se bastante ruidosas (figuras AIII.8.a e AIII.8.b), facto
que atribuímos ao terreno não ter ficado homogeneizado quanto humidade. Porém,
através dos tratamentos efectuados obtivemos informações de boa qualidade (figuras
AIII.9 e AIII.11.b).
Através de vários textos e das experiências realizadas, é-nos possível concluir
que este método é bastante eficiente e rápido, tanto na aquisição de dados como no
seu tratamento, dando informações quase exactas dos tipos de materiais escondidos
(quando o operador é já bastante experiente) assim como na localização desses
mesmos materiais. Relativamente à decomposição de restos humanos, através da
leitura é nos possível também dar informação do estado de decomposição do corpo
tendo um bom conhecimento do terreno, e pode dar-se uma perspectiva aproximada
de há quanto tempo a pessoa foi enterrada. Para este estudo temos o nosso exemplo
dos porcos, figuras AIII.2, AIII.3 e AIII.4, ao qual observamos as suas diferenças de
leitura ao longo das doze semanas estudadas.
4
Metais bons condutores - Os metais são bons condutores de energia (térmica e elétrica) porque
possuem eléctrões livres quando constituem uma malha (nome do agrupamento de várias moléculas de
metal juntas). Esses eléctrões tendem a ficar na superfície do condutor (o sistema tem têndencia a
manter o equilíbrio eletrostático) e podem percorrer livremente a malha, por isso são eléctrões livres.
Essa "liberdade", no caso da energia térmica, faz com que o metal atinja o equilíbrio térmico
rapidamente pois estes eléctrões facilitam a troca de calor entre as regiões da malha. No caso da energia
eléctrica o que ocorre é que estes eléctrões são acelerados quando uma tensão, ou diferença de
- 27 -
potencial, é aplicada no metal, pois nesse caso estão na presença de um campo eléctrico que gera uma
força sobre eles para que se movam na direcção de menor potencial.[14]
Bibliografia
•
[1] Blindow, N.; Knödel, K.; Lange, G.; Vight, H.-J.; Ground Penetrating
Radar; Environmental Geology (Handbook of field methods and case
studies); Springer; p: 283-336
•
[2] Daniels, D. J. (1997); Chapter12- Forensic Applications; Ground
Penetrating Radar; IET; London p:423-436
•
[3] Freeland, R. S.; Miller, M. L.; Yoder, R. E.; Koppenjan, S. K.; Forensic
Application of FM-CW and Pulse Radar
•
[4] Gandolfo, O. C.; Sousa, L. A.; Tessler, M. G.; Rodrigues, M. (2001);
Estratigrafia Rasa daIlha Comprida (SP): Um exemplo de aplicação do
GPR
•
[5] GSSI(2007); RADAN 6.5 User’s Manual; GSSI; Estados Unidos
•
[6] GSSI(2006); SIR System-3000 User’s Manual; GSSI; Estados Unidos; 93 pp.
•
[7] Hammon III, W. S.; McMechan, G. A.; Zeng, X. (2000); Forensic GPR:
finite-difference Simulations of Responses from buried humans remains;
Journal of Applied Geophysics (45); Nº 171-186
•
[8] Melo, M. S. (2007); Geofísica Aplicada à Arqueologia: Investigação no
sitio histórico engenho MURUTUCU, em Belém, Pará
•
[9] Reynolds, J. M. (1997); Chapter 12- Ground Penetrating Radar; An
Introduction To Applied and Environmental Geophysics; WILEY,
Toronto, p:681-749
•
[10] Powell, K (2004); Detecting buried human remains using near-surface
geophysical instruments
Referencias em:
•
[11] http://www.necrosearch.org/geophysics_01.htm
•
[12] http://www.discoverybrasil.com/guia_crime/crime_pratica/index.shtml
•
[13] http://www:alphageofisica.com.br/gssi/gpr.htm
•
[14] www.cefetsp.br/edu/sertaozinho/professores/.../OS%20METAIS.ppt
•
[15] http://pt.wikipedia.org/wiki/Sus_domesticus
•
[16] http://www.esci.keele.ac.uk/geophysics/Research/forensic
- 28 -
•
[17] http://www.geosurvey.co.nz/services.html
Anexos
- 29 -
Anexo I
Dados laboratoriais tratados no RADAN
a)
b)
c)
Figura AI.1 – Dados obtidos com as garrafas de água leitura com igual ganho (areia
ainda se encontrava húmida mas “homogénea”). a) com ar, b) com água, e c) com
gelo.
- 30 -
Anexo II Caderno de Campo Data
Maio 2009
Observações
Marcações do terreno e aquisições de dados do
mesmo antes de ser aberta a cova.
26 - Junho - 2009
Enterramento dos porcos (congelados) e
aquisições de dados no terreno – detecção dos
cadáveres.
1 - Julho
- 2009
Primeira visita à sepultura
10 - Julho
- 2009
Segunda visita à sepultura
16 - Julho
- 2009
Terceira visita à sepultura – Enterro de artefactos
(simulação de armas, objectos metálicos)
24 - Julho
4 - Agosto
- 2009
Quarta visita à sepultura
- 2009
Quinta visita à sepultura – aquisição de dados das
armas com as antenas de 1,5/1,6 GHz e de 400MHz
11 - Agosto
- 2009
Sexta visita à sepultura, aquisição de dados na
direcção de sul para norte e de norte para sul
14 - Agosto
- 2009
Sétima visita à sepultura – aquisição de dados de
armas com grelha e antena 1,5/1,6GHz, sem e com
água
21 - Agosto
- 2009
Oitava visita à sepultura
28 - Agosto
- 2009
Nona visita à sepultura
4 - Setembro - 2009
Décima visita à sepultura
11 - Setembro - 2009
Décima primeira visita à sepultura
18 - Setembro - 2009
Décima segunda visita à sepultura
- 31 -
Sem nada
1
2
Quando feita aquisição no
modo de largura da sepultura (perfil)
3
N
N
1
2
3
4
5
6
Dia do Enterro
4ª visita
3
2
1ª visita
2ª visita
2
5ª visita
1
3
2
1
3
3ª visita
3
2
1
N
6ª visita
1
3
2
1
N
3
- 32 -
2
1
7ª visita
3
2
1
11ª visita
3
2
8ª visita
3
2
1
12ª visita
1
3
2
9ª visita
3
N
1
- 33 -
2
1
N
10ª visita
3
2
1
Anexo III
Dados de campo tratados no RADAN
. Sepultura (Aquisição de dados efectuada de Sul para Norte – ver Anexo II)
Figura AIII.1 – Dados obtidos no sítio da
sepultura dos porcos em leitura anterior à
movimentação de terra (antes da abertura da
cova).
Mediante o seguimento das linhas do Anexo II
2ª visita
3ª visita
4ª visita
5ª visita
6ª visita
7ª visita
8ª visita
9ª visita
10ª visita
- 34 -
11ª visita
2ª visita
Figuras
AIII.2
–
Radargramas obtidos no
perfil
1
durante
a
decomposição dos porcos
(começa na 2ª visita, pois
este foi o dia em que se
colocou o tapete da grelha
– figura 8.f)
12ª visita
3ª visita
4ª visita
5ª visita
6ª visita
7ª visita
8ª visita
9ª visita
10ª visita
- 35 -
Figuras AIII.3 – Perfil 3
(começa na 2ª visita, pois
este foi o dia em que se
colocou o tapete da grelha
– figura 8.f)
11ª visita
12ª visita
As figuras AIII.2 e AIII.3 têm todas o mesmo tratamento de dados ( ou seja,
deconvolução seguido de um IIR com passa baixa de frequência 400 MHz e depois
uma migração Kirchhoff corrido a 2D) assim como o ganho de 16.
No dia do enterro dos porcos (Sus domesticus)
Duas imagens tratadas
com
deconvolução
e
migração Kirchhoff, em
que a) contém um ganho
de 16 e b) um ganho de 8
a)
b)
Dia do enterro dos animais
Ganho 16
Ganho8
1ª visita
- 36 -
Ganho 16
Ganho8
2ª visita
Limites da sepultura
Ganho16
Ganho8
3ª visita
Ganho 16
- 37 -
4ª visita
Ganho 16
5ª visita
Ganho 16
Ganho 30
6ª visita
Ganho 16
- 38 -
7ª visita
Ganho 16
Ganho 30
8ª visita
Ganho 16
Ganho 8
9ª visita
Ganho 16
Ganho 12
- 39 -
10ª visita
Ganho 16
Ganho 8
11ª visita
Ganho 16
Ganho 8
12ª visita
Ganho 16
Ganho 8
Figuras AIII.4 – Imagens tratadas de todos os dias que se foi visitar a sepultura
- 40 -
- Do caderno de campo Anexo II (aquisição feita em largura)
Perfil 1
Perfil 2
Perfil 3
Anomalia adquirida em
campo que foi tentada ser
representada em
laboratório
Perfil 4
Perfil 5
Perfil 6
Figuras AIII.5 – Imagens tratadas da aquisição de dados que foi efectuada na
sepultura em perfis de largura da mesma.
- 41 -
. Armas
“Pistola”
Antena de 400MHz
Ganho 16
Ganho 8
Figura AIII.6 – Imagem tratada da pistola da aquisição de dados feita com a antena
de 400MHz
- Terreno seco
Antena de 1.5/1.6GHz
Ganho 16
Ganho 16
a)
b)
Figura AIII.7 – Imagem da pistola aquisição de dados feita com a antena de
1.5/1.6GHz. a) imagem do cano para a “mão”, b) só do cano.
Tratamentos da AIII.6 e da AIII.7: deconvolução, IIR de passa baixo do mesmo valor
da antena usada acabando com a migração Kirchhoff
- 42 -
-Terreno molhado
a)
b)
c)
Figura AIII.8 – A imagem real que aqui não está demonstrada mas é possível ser
observado pela a) tinha bastante ruído. As situações demonstradas já sofreram algum
tratamento. a) efectuado apenas deconvolução e migração, b) deconvolução e
filtragem espacial, c) a obtenção de melhor imagem mediante o meio em que nos
encontramos a junção das alíneas anteriores, ou seja, deconvolução, migração por fim
filtragem espacial.
Figura AIII.9 – Imagem que demonstra “fortemente” a
localização da pistola em terreno molhado.
- 43 -
“Bazuca”
Antena 400MHz
Ganho 16
Figura AIII.10 – Imagem tratada da bazuca da aquisição de dados feita com a antena
de 400MHz
-Terreno seco
-Terreno molhado
Antena 1.5/1.6GHz
Antena 1.5/1.6GHz
Ganho 8
a)
Ganho 16
b)
Figura AIII.11 – Imagem da bazuca aquisição de dados feita com a antena de
1.5/1.6GHz. a) em terreno seco, b) em terreno molhado.
- 44 -

Utilização do Radar de Penetração nos Solos (GPR) na detecção

Transcrição

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