A batimetria é um método que tem por finalidade medir a espessura da coluna d’água, ou seja, a profundidade do fundo em relação à superfície da água.
Os levantamentos batimétricos vêm sendo realizados pelo homem desde os primórdios da navegação tendo, a princípio, um caráter de segurança para atracação e navegação de área costeiras. Os mecanismos utilizados antigamente eram logicamente mais rudimentares, como hastes, prumos, cabos e poitas. Com o avanço da tecnologia, sobretudo durante a Segunda Guerra Mundial e o desenvolvimento da acústica subaquática, os sonares passaram a ser utilizados para este fim. Atualmente a batimetria tem grande relevância para diversas esferas aquáticas, sendo essenciais não somente para caracterização em áreas de atracação e navegação, mas também, por exemplo, para licenciamentos junto de órgãos competentes, projetos de engenharia, dragagem e subsídio para modelagem numérica, entre outras aplicações.
Os ecobatímetros modernos utilizam os princípios físicos da propagação do som na água para o cálculo da profundidade, os sinais de um ecobatímetro são emitidos por uma fonte rebocada na superfície ou fixada no casco da embarcação e consistem em ondas acústicas de alta frequência (normalmente maior que 30 kHz), que se propagam através da água, atingem o fundo e são refletidas de volta à superfície. Conhecendo a velocidade de propagação do som na água e o tempo de trânsito dos sinais, é possível calcular a profundidade.
Essa propriedade de propagação das ondas justifica o uso de ecobatímetros de dupla frequência, de modo a trabalhar em águas profundas com baixas frequências (onde oferecem melhor resposta), e utilizando as altas frequências nas regiões mais rasas, onde resultam em maior precisão.
Diferente da batimetria monofeixe, a multifeixe é capaz de medir a profundidade em diversos pontos simultaneamente, oferecendo resultados mais rápidos e mais precisos na obtenção de valores de profundidade e possibilitando uma cobertura muito mais rápida e de maior precisão quando comparada à tecnologia monofeixe.
Por conta disso, o Centro de Hidrografia da Marinha do Brasil (CHM) exige que sejam utilizados sistemas destas características para levantamento hidrográficos de Ordem Especial (categoria A), cujo objetivo é a atualização de cartas náuticas.
A batimetria multifeixe é o método mais avançado no estudo das profundidades de ambientes aquáticos. Diferente dos métodos tradicionais de levantamento, a batimetria multifeixe é capaz de adquirir dados de profundidade em uma espécie de “varredura” do fundo, realizando a cobertura total da área estudada. As principais vantagens do sistema estão na cobertura muito mais rápida e eficiente da área estudada e na confiabilidade dos dados, já que não dependerão de nenhum tipo de interpolação.
Os sistemas de batimetria multifeixe começaram a ser desenvolvidos pala marinha dos Estados Unidos na década de 1960, com o intuito de mapear regiões de águas profundas. Apenas nos anos 1980 é que a tecnologia passou a ser transferida para águas rasas, desta vez por profissionais do USACE – Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos.
As claras vantagens do sistema multifeixe sobre o monofeixe e a difusão da tecnologia fez crescer o número de equipamentos deste tipo, aumentando seu uso e diminuindo valores, o que tornou levantamentos batimétricos multifeixe mais comuns, mesmo em águas rasas.
Para sua operação, além do transdutor (chamado de “cabeça”, ou sonar head) é fundamental que se tenha, no mínimo, os seguintes subsistemas:
O sistema de posicionamento dá a posição da antena receptora. Esta posição é então propagada a todos os outros pontos do sistema de levantamento, por meio de offsets que devem ser medidos com alta precisão. Estes offsets são as distâncias entre cada um dos equipamentos, por exemplo, sonar head, compensador de movimentos, antenas de heading, informações estas que deverão ser inseridas no software de aquisição, para o correto posicionamento de cada medida de profundidade.
O sistema de heading, ou direção, fornece a direção de navegação da embarcação utilizada no levantamento batimétrico. Esta medida é fundamental para que as reflexões do fundo possam ser posicionadas no local certo.
A compensação de movimento mede os movimentos da embarcação em seus três eixos de movimento: arfagem (pitch), rolagem (roll) e guinada (yaw, ou o mesmo que heading), além dos movimentos verticais, conhecida como heave. Outros nomes também utilizados são: arfagem (heave), balanço (roll), caturro (pitch) e proa (yaw).
Três eixos de movimentos de uma embarcação: arfagem (pitch), rolagem (roll) e guinada (yaw); além do movimento de subida e descida com as ondulações, conhecido por heave.
Em geral, os compensadores de movimento (MRU – Motion Refence Unit ou IMU – Inertial Motion Unit) mais simples medem apenas roll, pitch e heave, deixando as medidas de yaw/heading para outro sistema. Entretanto, há MRUs mais poderosos, capazes de medir também yaw.
Os valores — em graus para roll, pitch e yaw, e em unidades métricas para o heave — são enviados para software de aquisição, que os utiliza no processamento do sinal de retorno do sonar para posicioná-los em seu local correto.
Para conversão do tempo em profundidade, é essencial o controle da velocidade de propagação da onda sonora na água do ambiente estudado. Diferenças de temperatura, salinidade e densidade alteram significativamente os valores de velocidade que, por sua vez, alteram os valores calculados de profundidade. Assim, utiliza-se dois tipos de medições: (1) velocidade instantânea de propagação do som e (2) perfil de velocidade de propagação do som.
A velocidade do som instantânea é medida por um sensor instalado junto à cabeça do sonar, ou seja, ele mede a velocidade do som na água junto ao transdutor. Isso é essencial para que se conheça a velocidade no ponto de emissão e recepção do sinal acústico. Porém, ainda é necessário saber as velocidades ao longo da coluna d’água. Para isso, utiliza-se um perfilador de velocidades que é lançado na coluna d’água e realiza medições ao longo de sua descida e/ou subida. As diferenças das velocidades de propagação são mais significativas em águas profundas, que possuem maiores variações de salinidade, temperatura e densidade, e também em estuários, que possuem variações diárias destes parâmetros.
A Figura abaixo mostra o efeito da velocidade do som nos dados de batimetria. À esquerda, está representado um perfil batimétrico em foi utilizada uma velocidade do som acima do valor real, gerando um efeito de “sorriso”; à direita, foi utilizada uma velocidade do som abaixo do real, gerando um efeito “chorando”; no centro, o valor utilizado foi correto, gerando um fundo plano. Merece destaque ainda o fato de que este efeito “sorrindo” nos dados é mais saliente nos feixes mais distantes do centro, por conta do maior trajeto percorrido pela onda acústica.
Efeito da velocidade do som superestimada (à esquerda), correta (centro) ou subestimada (à direita) nos dados de batimetria. Fonte NORMAN 25-REV2.
Resultado de levantamento batimétrico multifeixe.
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