Sistema Integrado de Mapeamento Geológico/Geotécnico
(SIGMA) com Aplicação de Realidade Virtual e Captura de
Dados Digitais em Campo
Patricía Procópio
Vale, Belo Horizonte, Brasil, [email protected]
José Carlos Sícoli Seoane
UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Allan Büchi
Coffey, Belo Horizonte, Brasil, [email protected]
Bruce Napier
BGS (British Geological Survey), Keyworth, UK, [email protected]
Pablo Mafra Reinhardt
Coffey, Belo Horizonte, Brasil, [email protected]
Paulo Orlandi
Vale, Belo Horizonte, Brasil, [email protected]
RESUMO: O Sistema SIGMA de mapeamento geológico/geotécnico é uma metodologia
desenvolvida pelo Serviço Geológico Britânico em parceria com a Coffey e Vale para integração de
dados geológicos, geográficos e de engenharia em uma interface de visualização avançada de
Realidade Virtual (RV), com subsídios de geotecnologia (VRGIS), permitindo uma navegação
intuitiva com interação em tempo real do modelo, em seis graus de liberdade, possibilitando,
opcionalmente, a imersão do usuário do sistema no modelo gerado através do uso de equipamentos
de RV. O modelo gerado, quando visualizado em modo Desktop RV ou em uma Sala de Realidade
Virtual, permite a visualização de dados de superfície (imagens áreas, modelos digitais de terreno,
caracterização geomecânica, sequenciamento de lavra, estruturas geológicas) e subsuperfície
(modelo de blocos, furos de sondagem, perfis geológicos/geomecânicos) que pode ser utilizada para
diversos fins na geotecnia, nas etapas de pré-campo, campo e pós-campo, como: apresentação do
projeto, suporte à tomada de decisões, planejamento de campanhas de estudos geotécnicos,
reconhecimento virtual de campo, mapeamento e interpretação geotécnica, análise de impacto
visual, consulta a banco de dados geográficos e análise visual de resultados de simulação. O sistema
foi customizado para coleta de dados geomecânicos em campo, com a utilização de um tablet com
ARCGIS com o aplicativo SIGMA_Mobile (Caderneta Digital de Campo), que permite a avaliação
geomecânica em tempo real (no campo) através dos sistemas RMR (Rock Mass Rating) e MRMR
(Mining Rock Mass Rating), interagindo com o mapa geológico/geotécnico no ARCGIS,
permitindo criação de stereonets no campo, geração de perfis geotécnicos e interpretação de
estruturas em fotos. As informações coletadas em campo são transferidas para o ambiente RV e
integrados com dados de superfície e subsuperfície permitindo uma analise integrado e
multidisciplinar.
PALAVRAS-CHAVE: mapeamento geotécnico, caracterização geomecânica, novas tecnologias
1
INTRODUÇÃO
Os estudos geotécnicos em campo
normalmente demandam alta responsablidade e
esposição ao risco, além de grandes
investimentos. O aprimoramento da aquisição
de dados sobre a área de interesse, a proposição
de novas técnicas, tecnologias e ferramentas
computacionais têm sido de grande utilidade,
porque aumentam a confiabilidade na avaliação
geotécnica, reduzindo riscos e ampliando a
qualidade das análises.
No contexto desta evolução, convém
destacar que as geotecnologias têm contribuído
para potencializar análises a partir de dados de
diferentes fontes, integrados em ambientes 2D e
3D de sistemas de informações geográficas.
Novas metodologias, além da crescente
ampliação da precisão das representações,
inclusive posicional, vêm contribuindo para
detalhar e embasar as análises, e para otimizar e
tornar mais objetivo o planejamento das
campanhas de campo e execução das mesmas.
O Serviço Geológico Britânico vem
aplicando a metodologia SIGMA, nos trabalhos
de mapeamento, visando a redução do tempo e
risco e otimização da coleta e interpretação dos
dados. Em vista desta aplicação, este sistema
vem sendo testado visando a sua customização
para os trabalhos de cunho geotécnico,
objetivando alcançar melhorias nos processos
relacionados as etapas desde o pré-campo ao
pós-campo. Foi escolhida uma área piloto que
apresentase condições para os testes inciais,
para efetivar a implantação desta nova forma de
interpretação e aquisição de dados geológicosgeoténcnicos e geomecânicos com suporte de
tecnologias.
2
funcionalidades diversas dos softwares e
aplicativos envolvidos (Figura 1) e sua
metodologia embarcada, os mesmos estão
descritos abaixo;
 Geovisionary
Software desenvolvido pela empresa inglesa
Virtalis em parceria com o BGS. Permite a
visualização em tempo real de grandes
extensões geográficas de terreno e imagem,
permitindo a visualização 3D em tempo real
de camadas de informação GIS. È a
plataforma ideal para aplicações de
planejamento em projetos de médio e longo
prazo. Oferece recursos de integração de
dados de campo e de escritório, pode ser
utilizada para fotointerpretação, correlação
de dados de diferentes áreas e integração
dos mesmos
 ARCGIS
Sistema
de
Informação Geográfica,
desenvolvido pela empresa americana ESRI.
 SIGMA Mobile
Aplicativo desenvolvido pelo BGS, através
do conceito SIGMA (Sistema de
Mapeamento de Geociências Integrado). È
concebido como uma plataforma digital de
coleta de dados em campo, através de
equipamentos móveis (Tablet, Thougbook
e outros).
METODOLOGIA SIGMA
O objetivo do trabalho consiste na aplicação
e adaptação da metodologia SIGMA da BGS, a
caracterização e mapeamento geotécnico em
uma área piloto. A área foi escolhida
previamente em função da sua localização
(facilidade de acesso) e didática, ou seja, área
que apresentava características que poderiam
ser
aplicadas
com
consistência,
as
Figura 1 - Metodologia SIGMA com integração os
softwares Geovisionary e ARGIS e o aplicativo SIGMA
Mobile.
Para execução do trabalho foi definido 3
etapas, que seguem uma ordem cronológica
tipíca do mapeamento geológico-geotécnico. ,
as mesmas serão descritas a seguir;
 Etapa 1 – Pré-Campo
Nesta etapa incial, ocorre o planejamento e
interpretação da área de mapeamento definida.
È montado um banco de dados GIS (shapes,
imagens de alta resolução, mapas geológicos,
modelo digital de terreno). Estes dados são
integrados no ambiente de Realidade Virtual
através do software Geovisionary, onde são
analisados com técnicas de fotointerpretação e
análise multidisciplinar de dados, para
indentificação de caracteristicas geotécnicas e
fundamentando os objetivos da campanha de
campo.
O resultado destas análises (shapes,
descrições e etc.) são exportados para o
software ARCGIS, que esta integrado há um
toughbook, a plataforma de aquisição de dados
em campo.
 Etapa 2 – Campo
No campo o profissional envolvido detém
uma base de dados consistente para execução
dos trabalhos e toda pré-interpretação executada
na etapa anterior na plataforma ARGIS, em um
computador portátil com camêra e GPS
integrados. A aquisição de dados (pontos de
descrição e interpretações) ocorre através do
aplicativo SIGMA Mobile, que funciona como
uma caderneta digital de campo, possibilitando
o armazenamento de informações geológicasgeotécnicas de forma organizada e precisa, já
que esta integrada ao ambiente ARGIS,
possibilitando a visualização em tempo real da
localização na área de estudo e consulta e
interpretação de informações. Os produtos desta
etapa
pontos
geológicos-geotécnicos
organizados em uma estrutura de dados, shapes
de interpretação, fotografias interpretadas, mapa
e relatório de campo confecionados durante o
trabalho.
 Etapa 3 – Pós-Campo
Após os trabalhos de campo, os dados são
discutidos e revistos no Geovisionary (em
amabiente de realidade virtual), antes de serem
armazenados no banco de dados do projeto. Os
produtos desta etapa são dados integrados de
campo em ambiente de realidade virtual prontos
para serem consultados e ultilizados em
campanhas de campo posteriores.
3
ÁREA PILOTO
Esta localizada no município de Nova Lima
– MG (região metropolitana de Belo Horizonte)
trata-se de uma área com histórico de problemas
relacionados
a
estabilidade
geotécnica,
apresentando
situações
e
estruturas
diversificadas para os testes inciais da
metodologia. A região foi caracterizada no
trabalho realizado pela CPRM, denominado
Projeto APA – Sul RMBH (CPRM, 2005), onde
os aspectos fisícos (Geologia/Geotecnia) foram
detalhados vizando o desenvolvimento sócioeconômico da região. A Figura 2 apresenta a
localização da área de estudo e pode ser
observado no entorno a crescente expansão
urbana.
Figura 2 - Localização da área de estudo na imagem
Geoeye, cedida pela Vale.
3.1
Geologia Regional
O Quadrilátero Ferrífero é, talvez, uma das
áreas mais bem estudadas do Brasil,
considerada uma das áreas clássicas da geologia
pré-cambriana, é conhecida desde o início do
século XVIII. Os primeiros estudos na região
foram executados por Von Eschwege (1833)
que apresenta o primeiro empilhamento
estratigráfico para as rochas da região de Ouro
Preto. Derby (1906) propõe a criação da Série
Minas e a primeira coluna estratigráfica foi
apresentada por Harder e Chamberlin (1915).
Guimarães (1931) propõe a criação da Série
Itacolomi. Posteriormente, nas décadas de 50 e
60, através do convênio USGS/DNPM, foi
realizado mapeamento sistemático de todo o
Quadrilátero Ferrífero na escala 1:25.000, o que
originou diversos relatórios relativos às
quadrículas, apresentadas numa síntese em Dorr
(1969).
Do ponto de vista geotectônico, o
Quadrilátero Ferrífero está inserido na Província
São Francisco, como pode ser observado na
Figura 3, situando-se no extremo sul da área
ocupada pelo Cráton de mesmo nome (Almeida
1977, Almeida & Hassuy 1984) e corresponde a
um fragmento crustal poupado, em parte, da
Orogênese Brasiliana, a qual abriga em seus
domínios jazidas de ferro, ouro e outros
recursos minerais.
carbonatos. Unidade metassedimentar clástica:
constitui-se de metaconglomerados, quartzitos e
quartzo-xistos.
3.1.1 Contexto Geológico-Geotécnico Local
O Grupo Nova Lima representa todo o
arcabouço geológico da área de estudo,
representada localmente pelas unidades Mestre
Caetano e Córrego do Sítio (Figura 3). A
litologia representante destas unidades, pode ser
descrita como uma sequência bem variada de
xistos, principalmente por xistos grafitosos,
talco xisto e xistos ferruginosos apresentando –
se com aspecto de formação ferrífera bandada.
Figura 3 - Mapa de situação, mostrando a inserção do
Quadrilátero Ferrífero na porção meridional. Fonte:
Marshak e Alkmim, 1989.
Figura 4 - Perspectiva para NE da área de estudo,
mostrando a relação dos contatos entre as unidades
Corrego do Sitío (verde) e Mestre Caetano (marron).
Imagem Geoye cedida pela Vale .
O Quadrilátero Ferrífero apresenta quatro
principais unidades litoestratigráficas: o
Embasamento Cristalino formado pelos terrenos
gnáissico-migmatíticos, o Supergrupo Rio das
Velhas, o Supergrupo Minas e o Grupo
Itacolomi. Mais restritamente ocorrem as
Coberturas sedimentares fanerozóicas. O
Supergrupo Rio das Velhas foi divido em dois
grupos, da base para o topo: Grupo Nova Lima
e Grupo Maquiné. O Grupo Nova Lima
(unidade aflorante na região de analise),
constituído por rochas metavulcânicas e
metassedimentares, foi subdividido em três
unidades, da base para o topo, Ladeira (1980):
Unidade metavulcânica: constituída por
metaultramafitos,
metabasaltos,
filitos
grafitosos
e
metacherts.
Unidade
metassedimentar química: constituída por
formação ferrífera tipo algoma, xistos, filitos e
Em Projeto APA – Sul RMBH (CPRM
2005), esta conjunto de rochas foi agrupado em
uma unidade geotécnica denominada; UG_X
(xistos). Do ponto de vista geotécnico esta
unidade apresenta-se com solos poucos
espessos e desenvolvidos, com predominío de
Cambissolos. Este limitado desenvolvimento
pedogenético condicionado pela declividade
acentuada (Figura 4), eleva a susceptilidade a
erosão e reflete no comportamento geomecânico
dos materiais, que dependendo das relações
espaciais entre as faces dos talude, a foliação e
demais estruturas geológicas como falhas e
fraturas, pode agravar a situação de
estabilidade. Estas caracteristícas geram alta
suscetibilidade a movimentos de massa, como
pode ser observado na região de estudo, onde
implantação de condomínios com arruamentos,
cortes e aterros, gerou vários pontos de ruptura
nos taludes.
Figura 4 - Perspectiva para NE da área de estudo,
mostrando a alta inclinação do terreno. Imagem Geoye
cedida pela Vale.
4
APLICAÇÃO DA METODOLOGIA
SIGMA NA ÁREA PILOTO
Para realização do trabalho de campo na área
piloto foram estabelecidos as etapas de acordo
com a metodologia apresentada (vide capitulo
2),
objetivando
uma
comparação do
mapeamento geologico-geotécnico tradicional
com o proposto pela metodologia.
Os dados SIG ultilizados na etapa précampo, foram integrados no ambiente de
realidade virtual (Geovisionary), para a
interpretação
dos
aspectos
geológicosgeotécnicos e declividade do terreno permitindo
a simulação virtual da campanha de campo. Os
dados ultilizados nesta etapa, foram cedidos
pela Vale, e estão listados abaixo:
- Imagem GeoEye 2012 com resolução de 35
cm pixel.
- Modelo Digital de Terreno (MDT), obtidos
por aerolevantamento a Laser.
- Curvas de Nível com equidistância de 5m
(1:5000) obtidas através do MDT.
- Mapa Geológico Dorr 1969 , escala 1:25.000.
A partir da interpretação integrada, foram
diagnosticadas
2
feições
geotécnicas,
interpretadas como rupturas (Figura 5). Estas
estruturas foram delimitadas e exportadas como
shape para o software ARGIS instalado no
dispositivo móvel de campo.
Figura 5 - Rupturas delimitada na interpretação no
ambiente de realidade virtual.
A campanha de campo foi realizada com a
integração da metodologia proposta pelo BGS
para mapeamento de campo combinada com a
caracterização geotécnica dos maciços e
rupturas diagnosticadas. A classificação
utilizada teve como base os conceitos sugeridos
pela ISRM (International Society for Rock
Mechanics), juntamente com a classificação de
Bieniawski (1989).
Durante a campanha de campo, em todos os
pontos
de
controle
realizados
foram
caracterizados os taludes e rupturas, avaliandose: (i) a resistência da rocha, incluindo o grau de
alteração, o grau de resistência; (ii) RQD, (iii) o
espaçamento e as condições de fraturas; (iv) as
condições de percolação de água; (v) as atitudes
das estruturas planares.
Esta caracterização ocorreu com a ultilização
do dispositivo móvel de campo (Toughbook,
Figura 6).
Figura 6 - Toughbook Panasonic, ultilizado na campanha
de campo.
A plataforma do ARGIS agregada a este
hardware permituiu a vizualização dos mapas e
imagens da área e os shapes das estruturas
delimitadas em campo, objetivando o trabalho.
O aplicativo SIGMA Mobile (BGS) foi
utilizado para a captura de informações de
campo, já que funciona como uma caderneta
digital, ou seja, possibilitando o usuário a
aquisição de dados em cima das imagens e
mapas da área de estudo, facilitando a
interpretação e confiabilidade do dado gerado.
Os pontos geológicos foram descritos nesta
plataforma, em suas caracteristícas estruturais e
litológicas (Figura 7).
Figura 7 - Plataforma de descrição e coleta de dados
estruturais no aplicativo SIGMA Mobile.
Os dados coletados são automaticamente
integrados ao mapa geológico ou imagem
associada. Este aplicativo permite interpretar
fotografias, facilitando a descrição e desenhos
de estruturas geológicas diagnosticadas no
campo (Figura 8).
Figura 8 - Plataforma de interpretação em fotografias no
aplicativo SIGMA Mobile.
A caracterização geotécnica foi descrita nas
tabelas de RMR (Bieniawski, 1989),
intepretando os padrões de persistencia,
abertura, rugosidade, alteração e preenchimento.
As medidas estruturais foram intepretadas em
campo através do software DIPS 5.1 (instalado
no toughbook). Uma das estruturas analisadas
em campo foi confirmada como uma ruptura em
cunha (Figura 9), através do DIPS 5.1, na
plataforma digital do dispositivo móvel de
campo.
Figura 9 - Estereograma mostrando a relação dos ângulos
do talude X ângulos das fraturas e de atrito do xisto (13°),
confirmando a ruptura em cunha.
Os maciços rochosos analisados se
encontram
medianamente
alterados
a
extremamente alterados, medianamente a pouco
coerentes, muito fraturados, com RQD (Rock
Quality Designation) regular e pobre. No fim do
trabalho de campo é gerado um relatório
automático na plataforma Microsoft Office,
através de um plug-in do aplicativo SIGMA
Mobile, onde todos os dados, fotografias e
desenhos gerados são dispostos em um arquivo
.doc, separados por ponto geológico, sendo os
dados estruturais dispostos em tabelas
Na etapa pós-campo os dados vetoriais
(shapes) e pontos de descrição, são exportados
para o software Geovisionary (Realidade
Virtual), onde são validados por equipe
multidisciplinar, resultando em um modelo 3D
em realidade virtual, com banco de dados
digital e padronizado.
5
CONCLUSÕES
A aplicação da metodologia proposta pela
BGS para o mapeameno de campo demostrou
comprovada eficácia na aquisição de dados e
aumento da confiabilidade do profissional
envolvido em campo, já que o mesmo pode
consultar uma gama imensa de dados em seu
dispositivo móvel (toughbook). A aplicação
desta metodologia na Geotecnia vem sendo
testada em trabalhos periódicos, diagnosticando
os pontos de atenção e passíveis de
customização para esta área de atuação.
Este projeto de pequena escala apresentou
resultados expressivos relativos a redução do
tempo e custo no campo (planejamento na
realidade virtual e aquisição de dados digitais
em campo), aumento da objetividade e
confiança do profissional, qualidade e precisão
na coleta de dados e redução no tempo de
entrega dos resultados.
Os próximos passos são referentes a
integração deste sistema ao cotidiano de
trabalho dos profissionais de geotecnia visando
melhorar os resultados e aperfeiçoamento do
sistema.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a equipe técnica da Vale,
Coffey e BGS, nas discussões e interpretações
relativas ao tema proposto.
REFERÊNCIAS
Almeida, F. F. M., 1977. O cráton do São Francisco.
Revista Brasileira de Geociências 7, 349-364.
Bieniawski, Z.T. 1989. Engineering rock mass
classifications. New York: Wiley.
Derby, A. O. 1906. The Serra do Espinhaço, Brazil.
Journal of Geology 14, 374-401.
Dorr II, J.V., 1969. Physiographic, stratigraphic and
structural development of the Quadrilátero Ferrífero,
Minas Gerais, Brazil. United States Geological Survey
Professional Paper 614-A. 110 pp.
Eschewege, Wilhelm Ludwig von. Pluto Brasiliensis
[1833]. Vol. 1. Trad. Domício de Figueiredo Murta.
Belo Horizonte: Itatiaia; São Paulo: Editora da
Universidade de São Paulo, 1979 (a).
Guimaraes, D. 1931. Contribuição à geologia do Estado
de MinasGerais, Brasil. Dept. P.M., Serviço
Geológico e Mineralógico do Brasil, Bol., 55: 36p.
Harder, E.C., Chamberlin, R.T. The geology of central
Minas Gerais: Brazil. Journal Geology, v.23, n. 4, p.
341-378, v. 23, n. 5, p. 385-424, 1915.
Ladeira, E.A., 1980. Metalogenesis of gold at the Morro
Velho mine, and in the Nova Lima District,
Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais, Brazil. PhD
thesis, Department of Geology, University of Western
Ontario. London, Canada, 272 pp.
Marshak, S., Alkmim, F.F., 1989. Proterozoic
contraction/extension tectonics of the southern São
Francisco region, Minas Gerais, Brazil. Tectonics 8,
p. 555–571.
Projeto APA – Sul RMBH, CPRM. 2005. Geotecnia,
mapas geotécnicos 1:50.000. Jorge Pimentel, Cornélio
Zampier Teixeira, Fábio M. Silva. Belo Horizonte –
MG. 111 pp.