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15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
MAPEAMENTO E MODELAGEM DE DESCONTINUIDADES EM
AFLORAMENTOS UTILIZANDO A TECNOLOGIA LIDAR (LIGHT
DETECTION AND RANGING) E SUA APLICAÇÃO EM
GEOLOGIA/GEOTECNIA
Francisco Celso Ponte Filho1; Francisco Fabio A. Ponte2; Ciro Jorge Appi 3
Resumo – A análise geológico-geotécnica com a utilização da tecnologia de aquisição LIDAR
(Light Detection and Ranging) envolve a extração de dados geológicos estruturais, representados
pelas descontinuidades geológicas obtidas através do imageamento por escâner a laser de
afloramentos rochosos. Estes dados, adquiridos através do TLS (Terrestrial Laser Scanner)
suportam as pesquisas geológicas em várias áreas de aplicação como na geotécnica, com
importância na contenção e monitoramento de taludes. A extração e modelagem dos dados
estruturais, obtidos de modo preciso e diretamente a partir da nuvem de pontos, são
fundamentais na elaboração do projeto geotécnico nos afloramentos de difícil acesso. O uso de
software e modelos estatísticos e matemáticos suportam a interpolação e extrapolação dos dados
estruturais.
Abstract – The geological-geotechnical analysis through LIDAR technology (Light Detection and
Ranging) involves the extraction of geological discontinuities data, as fractures and faults, through
outcrops imaging, using laser scanner acquisition. These data, acquired through the TLS
(Terrestrial Laser Scanner), can be used in some geological application areas as in the
geotechnical area where these data are applied in the slope stabilization projects. The extraction
and modelling of these georeferenced data obtained through high precision laser imaging is the
key of success in case of inaccessibility rock outcrops. The use of technologies like mathematical
algorithms, statistical models and the right software, are way to minimize greatly the spend time
and assure the quality of geotechnical design.
Palavras-Chave – Instabilidade de encostas; Descontinuidades; Modelo digital de terreno;
Terrestrial Laser Scanner; LIDAR.
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Geól., MSc, CEGeo – Centro de Excelência em Geociências Ltda.: Petrópolis-RJ, [email protected]
Tec. Petróleo., MSc, CEGeo – Centro de Excelência em Geociências Ltda.: Petrópolis-RJ, [email protected]
Geól, DSc., Consultor CEGeo – Centro de Excelência em Geociências Ltda.: Petrópolis-RJ, [email protected]
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1. INTRODUÇÃO
Ao ser iniciado um projeto geológico-geotécnico que envolva a aquisição de dados em
campo, seja ele de estudo de análogos para a pesquisa petrolífera ou de contenção de encostas
e taludes, a boa prática consiste em analisar as dificuldades técnicas que frequentemente são
encontradas no levantamento de dados e no imageamento do afloramento rochoso. Se tratando
de estudos geotécnicos para estabilidade de taludes, uma equipe multidisciplinar envolvendo
competências em geologia, engenharia e computacionais analisa as informações e propõe um
modelo considerado ótimo sob critérios de eficiência e segurança. A análise geológico-geotécnica
irá fornecer parâmetros para suporte ao estudo que envolve a extração de dados geológicos
estruturais, como planos de falhas e fraturas e suas atitudes em afloramentos. Este trabalho tem
como objetivo descrever a tecnologia LIDAR, os métodos envolvidos e sua aplicabilidade nas
pesquisas geológico-geotécnicas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O projeto de análise geológico-geotécnica está dividido em quatro etapas: (1) Aquisição de
dados através de laser scanner; (2) Controle de qualidade dos dados (nuvem de pontos); (3)
Modelagem (Modelos Matemáticos e Modelos Digitais de Elevação) e calibração de campo; (4);
Interpretação geológico-geotécnica. A figura 1 ilustra as etapas de aquisição e processamento
dos dados para avaliação geológico-geotécnica de afloramentos a partir da tecnologia LIDAR.
2.1.
AQUISIÇÃO DE DADOS
Os dados são adquiridos por imageamento da superfície através de escâner a laser (TLS Terrestrial Laser Scanner) localizados em posições estratégicas que permitam a melhor cobertura
do afloramento. Em alguns casos, que dependem da distância e dificuldades de imageamento da
superfície, o escâner pode ser acoplado a veículos aéreos controlados remotamente (drones).
Figura 1. Fluxo de trabalho da pesquisa geológico-geotécnica a partir da tecnologia LIDAR
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2.2.
CONTROLE DE QUALIDADE DOS DADOS
Os dados adquiridos através do imageamento por escâner compõem uma nuvem de
pontos 3D posicionados de acordo com seus parâmetros espaciais (X, Y, Z). A nuvem de pontos
deverá estar no formato de Modelo Digital de Elevação de alta precisão. A estes dados são
aplicados modelos matemáticos computacionais para identificação e medição de estruturas
geológicas na imagem digital. As figuras 2 e 3 ilustram, respectivamente, o afloramento, retratado
em fotografia e a refletividade da superfície, representada pela nuvem de pontos 3D (X, Y, Z)
obtida através da tecnologia LIDAR e processamento PCM (point cloud modeller).
Figura 2. Imagem fotográfica do afloramento,
intercalações de arenitos/siltitos e folhelhos/
ardósia do período carbonífero – 360 a 300 Ma
(SLOB, 2010).
2.3.
Figura 3. Nuvem de pontos da janela do
afloramento da Figura 2 (SLOB, 2010).
MODELAGEM E CALIBRAÇÃO DE CAMPO
2.3.1. Modelos Matemáticos
Aplicação de modelos matemáticos (tratamento geoestatístico) para discretizar a nuvem de
pontos em formato de malha regular com alta resolução a partir das técnicas de krigagem.
A krigagem é uma técnica de estimação local que usa o formalismo das funções aleatórias
para se referir ao estimador linear que seja “melhor estimador linear não-viesado”. Fundamentase na estimação de valores em locais não amostrados pela combinação linear dos dados
disponíveis usando coeficientes de ponderação. O resultado é a construção de uma imagem do
fenômeno que honra os pontos amostrais e garante que os valores estimados não diferem muito
dos valores reais nos locais não amostrados. Com a malha regular é possível visualizar a
superfície mapeada, as descontinuidades e os lineamentos para posterior simulações de
escorregamento de taludes.
2.3.2. Modelos Digitais de Elevação
A aplicação de técnicas computacionais em imagem, PCA (Principal Components Analysis)
e modelos digitais de elevação (DTE), permitem a extração das informações estruturais dos
blocos de rochas: direção, mergulho e volume.
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Em DTE, para obter-se informações em cada nó de uma superfície, emprega-se uma matriz
base 3x3 (Figura 4), que é deslocada por toda a malha regular, calculando os valores de cada
ponto pelo método das diferenças finitas (VEIGA,1996).
Figura 4. Matriz empregada para cálculo do gradiente em malha regular
Na estimativa do gradiente por diferença finita, em cada ponto central de uma cela da malha
regular, utiliza-se um estimador médio local que fornece peso maior para o ponto central da matriz
base:
z z3  2  z5  z8   z1  2  z 4  z6 

x
8  dx
z z1  2  z2  z3   z6  2  z7  z8 

y
8  dy
O gradiente  é dado por:
 z   z 
tan       
 x   y 
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2
A direção do gradiente  é dada por:
 z 
 
y
tan     
 z 
 
 x 
para -     
Onde, Z é o valor de altura e x, y as coordenadas do nó
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Na Figura 5 está representado um modelo de classificação dos planos de descontinuidade,
resultante das estimativas dos gradientes.
Figura 5. Exemplo de classes individuais de planos resultante de modelo DTE, segundo (SLOB, 2010).
2.3.3. Calibração de Campo
Adicionalmente à aquisição dos dados levantados através da tecnologia LIDAR, executa-se
um levantamento de campo (check de campo) para verificação e calibração dos dados da nuvem
de pontos. Este mapeamento geológico expedito tem como objetivo identificar as zonas de falhas
e fraturas e as alterações do maciço rochoso. Durante esta fase do trabalho são avaliados
também os possíveis locais de instabilidade de talude rochoso e a cobertura de solo.
Os dados de campo, integrados àqueles gerados pela modelagem computacional,
fornecem os subsídios para a interpretação geológico-geotécnica que atuará como suporte ao
projeto de pesquisa.
2.4.
INTERPRETAÇÃO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICA
Os modelos computacionais resultantes da etapa de modelagem, calibrados com a
investigação de campo, são analisados através do levantamento dos planos de falhas e fraturas e
de estereogramas (Figura 6) com o objetivo de mapear estas descontinuidades e entender os
campos de tensões atuantes na área.
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Figura 6. Identificação das classes comuns de planos através do estereograma (SLOB, 2010).
3. CONCLUSÕES
A tecnologia LIDAR, aliada aos métodos tradicionais de levantamento de dados de campo,
tornou-se uma poderosa ferramenta de suporte às pesquisas geológicas, notadamente na
geotecnia, quando aplicada ao mapeamento de descontinuidades nas análises de estabilização e
contenção de taludes, especialmente em regiões de difícil acesso.
REFERÊNCIAS
SLOB, S. Automated rock mass characterisation using 3-D terrestrial laser scanning. Technische
Universiteit Delft. Delft, Netherlands. 2010. S. Slob. ISBN 978-90-9025364-0. ITC dissertation
number 172. Tese de doutorado.
VEIGA, L. A. K. Cálculo de declividade em modelos digitais do terreno. Universidade de São
Paulo - USP, São Paulo. 1996. Dissertação de Mestrado. 169p.
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