Precisão de GPS de Smartphones: Uma Alternativa para Pesquisas Acadêmicas

PRECISÃO DE GPS DE SMARTPHONES UMA FERRAMENTA PARA PESQUISAS ACADÊMICAS E TRABALHOS EM CAMPO SMARTPHONE GPS ACCURACY A TOOL FOR ACADEMIC RESEARCH AND FIELDWORK John Kennedy Ribeiro de Santana Programa de PósGraduação em Geografia PPGEOUFPE Av dos Funcionários sn Universidade Federal de Pernambuco CEP 50740550 RecifePE Email Santanajohn87gmailcom Paulo Lucas Cândido de Farias Programa de PósGraduação em Geografia PPGEOUFPE Av dos Funcionários sn Universidade Federal de Pernambuco CEP 50740550 RecifePE Email paulolucas0407gmailcom Joaquim Pedro de Santana Xavier Programa de PósGraduação em Geografia PPGEOUFPE Av dos Funcionários sn Universidade Federal de Pernambuco CEP 50740550 RecifePE Email joaquimxavierufpebr Victor Pina Figuereido Programa de PósGraduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente PRODEMAUFPE Av dos Funcionários sn Universidade Federal de Pernambuco CEP 50740550 RecifePE Email victorqrogmailcom RESUMO O Sistema de Posicionamento Global mais conhecido como GPS surgiu inicialmente com uma proposta militar porém com a abertura para uso civil se tornou popular e está presente em diversas atividades do nosso cotidiano Desse modo o presente trabalho vem com a proposta de avaliar a viabilidade do uso de Smartphones como receptores de sinal GPS frente aos dispositivos especializados em recepção de GPS para atividades técnicocientíficas Para tal foram utilizados quatro Smartphones de marcas e modelos diferentes munidos do aplicativo GPS Essentials e um receptor de GPS padrão da GARMIN De modo geral os resultados apontam para uma proximidade nos erros médios entre os Smartphones e o receptor de GPS Sendo assim o uso dos Smartphones se mostrou uma boa alternativa para a realização de atividades de pesquisa e localização espacial Palavraschave Sistema de Posicionamento Global Aplicativos Receptor de GPS ABSTRACT The Global Positioning System better known as GPS initially came up with a military proposal but with the opening for civilian use it became popular and is present in several activities of our daily life This way the present work comes with the proposal to evaluate the feasibility of using Smartphones as GPS signal receivers in front of devices specialized in GPS reception for technicalscientific activities For this four Smartphones were used of different makes and models equipped with the application GPS Essentials and a standard GPS receiver of GARMIN Overall the results point to a proximity in the average errors between Smartphones and the GPS receiver Therefore the use of Smartphones has proved to be a good alternative for performing research activities and spatial location Keywords Global Positioning System Applications GPS Receiver 256 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 1 Introdução O GPS Sistema de Posicionamento Global é um sistema de rádio navegação baseado em satélites desenvolvido e controlado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América US DoD onde permite que qualquer usuário saiba a sua localização velocidade e tempo 24 horas por dia e em qualquer ponto do globo terrestre ROSA 2005 Além do sistema GPS norteamericano existem outros sistemas de posicionamento por satélites análogos como o sistema russo GLONASS o sistema europeu Galileo ou chinês Beidou alguns destes ainda em fase de desenvolvimento O sistema de GPS foi desenvolvido na década de 70 inicialmente para utilização militar em nível de navegação e posicionamento Sendo posteriormente aberta para utilização civil também para navegação e posicionamento mas com diversas aplicações que inclui navegação marítima segurança pessoal agricultura de precisão aviação civil meio ambiente planejamento urbano cartografia social mapeamentos de precisão pesquisas em áreas de epidemiologia além de outras diversas aplicações COELHO E RIBEIRO 2006 PRINA E TRENTIN 2015 Os fundamentos do GPS se baseiam na determinação da distância entre um ponto o receptor e outros pontos de referência os satélites Sabendo a distância que separa o receptor dos pontos de referência podemos determinar sua posição relativa aos mesmos Sabese que para uma melhor coleta de dados se faz necessário haver a interação do receptor de sinal GPS com pelo menos três satélites dessa forma os dados obtidos terão uma melhor precisão e acurácia MIRANDA 2005 ROSA 2005 Com a maior aplicação desse sistema principalmente o fácil acesso pelas plataformas mobile surgiram aplicativos de smartphones que utilizam dados de localização geográfica ou até mesmo simulam a interface dos dispositivos receptores de sinal GPS convencionais e permitindo ao usuário diversas possibilidade de uso envolvendo localização espacial O sistema de localização dos smartphones funciona de três modos segundo descrição dos aparelhos no manual de instruções dos fabricantes Alta precisão mescla informações de localização recebidos através de rede de telefonia eou internet com informações do receptor GPS do aparelho para determinar a localização Economia de Bateria usa apenas informações de localização da rede de telefonia e ou internet para determinar a localização 257 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 Somente no dispositivo utiliza apenas informações do receptor GPS do aparelho para determinar a localização A escolha do modo apropriado é geralmente feita pelo sistema operacional do smartphone Dependendo da disponibilidade de pontos de acesso à internet ou a rede de telefonia a primeira posição pode ser determinada rapidamente Maior precisão da informação é reunida quando o GPS é ativado corrigindo a localização da primeira posição Para algumas aplicações uma estimativa aproximada é suficiente outros podem exigir informações mais precisas O nível exato de precisão só é considerado raramente embora influencie significativamente na qualidade do serviço prestado MICHAHELLES E WATZDORF 2010 A utilização de localização geográfica por dispositivos Smartphones tem as mais diversas aplicações sendo mais comum o uso para navegação de trânsito sistema de informações e nos últimos tempos é uma das principais ferramentas para oferta de serviços e geomarketing como é o caso dos aplicativos Waze Uber CittaMobi e iFood No entanto a utilização destes equipamentos para levantamentos de cunho científico seja acadêmico ou profissional ainda é um tabu devido ao fato de que a literatura acadêmica pouco explora a respeito deste assunto Desta forma o objetivo dessa pesquisa é analisar a precisão dos dispositivos de localização geográfica nos smartphones em relação aos aparelhos convencionais de GPS entendendo assim quais são os principais limites da aplicação desses dispositivos em estudos científicos na geografia e em outras áreas 2 Materiais e Métodos 21 Local de Desenvolvimento O campus Recife da UFPE possui marcos geodésicos levantados por Vila Flor 2008 As suas coordenadas foram usadas para calcular o erro de posicionamento Figura 1 258 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 Figura 1 Campus Recife da UFPE em laranja os marcos geodésicos Foram utilizados apenas os marcos EPS01 EPS02 EPS03 EPS04 EPS06 e EPS07 Fonte Vila Flor 2008 A metodologia tem o caráter comparativo onde foi calculado o erro de posicionamento do receptor GPS GARMIN Etrex Vista H e de quatro Smartphones modelos Umi Plus E Moto G3 Moto G2 e o Xiaomi Redmi 2 Tendo como referencial os marcos geodésicos distribuídos pelo campus Recife da Universidade Federal de Pernambuco UFPE VILA FLOR 2008 22 Aplicativo GPS Essentials Nos Smartphones foi utilizado o aplicativo GPS Essentials versão 4423 disponível no Google Play para sistemas androids para obtenção das coordenadas O aplicativo oferece uma interface semelhante à das encontradas nos receptores GPS padrões do 259 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 mercado sendo possível a visualização das coordenadas a constelação de satélites a acurácia da coordenada e outras opções Contudo o principal motivo pelo qual foi escolhida para a realização da pesquisa foi o fato de que este aplicativo conseguir distinguir de qual modo de localização está vindo as informações pode assim ter certeza de que estamos usando apenas informações do receptor GPS do aparelho Para este trabalho foi utilizado o modo somente no dispositivo pois ele é livre de outras informações que não sejam apenas aquelas fornecidas pelo receptor GPS do próprio aparelho Toda a pesquisa utilizou esse aplicativo para capturar coordenadas UTMs nos aparelhos de Smartphones 23 Atividades de Campo Foram coletados em cada aparelho pontos de coordenadas referente aos marcos geodésicos distribuídos no campus Recife da UFPE resultando em um total de 6 pontos referente aos marcos geodésicos EPS01 EPS02 EPS03 EPS04 EPS06 e EPS07 Figura 1 Tabela 1 Para que houvesse uma comparação justa as coordenadas foram coletadas com os aparelhos ao mesmo momento para serem submetidos às mesmas condições que poderiam ocasionar erros como por exemplo a quantidade de satélites para a triangulação a interferência das nuvens e entre outros Este processo foi repetido por dois dias 27042017 12052017 Tabela 1 Coordenadas em UTM dos marcos geodésicos distribuídos no campus da UFPE utilizados para o cálculo de erro médio Marco Projeção UTM Altitudem E m N m EPS1 285297043 9109864895 2789 EPS2 284814681 9109960583 4334 EPS3 285384804 9109430884 5201 EPS4 284742276 9109481118 4893 EPS6 284603506 9109006560 4587 EPS7 284650091 9109407837 4587 Fonte Adaptado de Mendonça et al 2010 260 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 24 Cálculos dos erros posicionamento e da precisão gráfica Para cada dia foi calculado o erro de posicionamento dos aparelhos referente a cada marco geodésico Tabela 1 e posteriormente com uma média aritmética foi calculado o erro médio total do dia Como o objetivo é avaliar de forma comparativa o erro de posicionamento entre um receptor GPS padrão e a recepção dos Smartphones os erros médios diários dos Smartphones foram somados e chegouse a um valor em metros que foi comparado com a média de erro de posicionamento diário do receptor GPS padrão Para o cálculo de erro de posicionamento foi utilizado a fórmula da equação 1 conforme Ângulo Filho 2001 Erro de posicionamento Equação 1 x 2 y 2 Onde Diferença entre a longitude E do marco geodésico e a longitude E x fornecida pelo receptor y Diferença entre a latitude N do marco geodésico e a latitude N fornecida pelo receptor No intuito de entender a escala adequada dos mapeamentos realizados com a utilização dos Smartphones compreendendo assim os limites escalares e os tipos de pesquisas que podem aplicar o uso desses dispositivos utilizouse o cálculo da precisão gráfica Equação 2 que permite encontrar a escala apropriada dos mapeamentos com base no erro de posicionamento dos dispositivos Em 02 mm x M Equação 2 Onde Em Erro gráfico 02 mm Menor dimensão gráfica percebida pelo olho humano M Denominador da Escala 3 Resultados e discussões Inicialmente os resultados mostraram que o receptor GPS Garmim teve um melhor desempenho que os Smartphones em geral apresentando uma média de erro de 22 m em relação aos marcos geodésicos Esse receptor indicou erros médios semelhantes nos dois dias da pesquisa Figura 2 como também apresentou uma melhor estabilidade como pode 261 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 ser visto pelas curvas dos gráficos Figura 2 apresentando uma triangulação mais rápida entre os satélites e um maior número deste em disponibilidade que os Smartphones Figura 2 a Erro de posicionamento do receptor de GPS no primeiro dia b Erro de posicionamento do receptor de GPS no segundo dia 31 Comparação dos erros entre Smartphones e o receptor de GPS Entre os dispositivos de Smartphones o UMI PLUS E apresentou desempenho irregular em relação aos outros Smartphones apresentando um erro médio de 4m no primeiro dia e 59m no segundo dia e apresentou erros inconstantes das coordenadas indicando uma menor precisão do aplicativo GPS Essentials neste aparelho Figura 3 Outro aparelho que também se mostrou inconstante foi o Moto G3 apresentando um erro médio 36m no primeiro dia e de 38m no segundo dia Embora o erro desse aparelho foi menor se comparado com o UMI PLUS E ele apresentou bastante variação nos erros das coordenadas Figura 4 Já os Smartphones Moto G2 Figura 5 e Xiaomi Redmi 2 Figura 6 mostraram os melhores desempenhos o primeiro apresentou erros médios de 23m no primeiro dia e 22m no segundo Já o segundo indicou erros médios de 21m no primeiro de e 26m no segundo Esses dois aparelhos mostraram erros parecido com o dispositivo da GARMIN 262 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 Figura 3 Erro de posicionamento do Smartphone UMI PLUS E Figura 4 Erro de posicionamento do Smartphone Moto G3 263 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 Figura 5 Erro de posicionamento do Smartphone Moto G2 Figura 6 Erro de posicionamento do Smartphone Xiaomi Redmi 2 De maneira geral em uma média entre todos os Smartphones nos dois dias da pesquisa foi constatado um erro de 33m mostrando assim um bom desempenho dos aparelhos em geral apresentando um erro não muito distante dos receptores de GPS padrão com erro médio de 22m Mas vale ressaltar que o dispositivo de GPS apresentou uma maior quantidade de satélites disponíveis para triangulação o que permitiu uma maior velocidade na extração das coordenadas 264 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 É importante salientar que embora usando o mesmo aplicativo GPS Essentials nem todos os dispositivos de Smartphones apresentaram o mesmo desempenho o aparelho UMI PLUS E apresentou um erro elevado em comparação com o GARMIM já Moto G2 e Xiaomi Redmi 2 demonstraram erros gerais semelhantes ao receptor de GPS 22m e 23m respectivamente o que mostrou um bom desempenho desses aparelhos na localização espacial dos objetos 32 Aplicações do sistema de posicionamento dos Smartphones Aplicando a equação de precisão gráfica mencionada anteriormente se identificou as escalas cartográficas adequadas para os erros apresentados pelos aparelhos Primeiramente o erro médio do receptor de GPS foi de 22m tornando possível a aplicação deste dispositivo em escalas grandes menores que 111000 ou seja pesquisas que optarem pelo receptor GPS em mapeamentos com escalas maiores do que a mencionada ex 1 9000 ou 1 2000 teriam uma precisão fora dos padrões cartográficos Em relação aos Smartphones eles apresentaram erro médio geral de 33m levando em consideração todos os aparelhos nos dois dias a escala adequada para esse erro é de 117000 que pode ser considerada uma escala de detalhe Desta forma pesquisa em escalas municipais regionais ou até mesmo locais dependendo se a escala for menor que 117000 podem utilizar esses aparelhos dentro dos padrões cartográficos de precisão ex 125000 Já o uso desses dispositivos em trabalhos de precisão elevada como zoneamentos ambientais ou estudos comparativos de alto detalhamento que necessitem trabalhar com escalas maiores que 117000 ex 15000 não apresentaram uma precisão relevante com a realidade assim comprometendo os resultados da pesquisa Devese esclarecer que nem todos os Smartphones tiveram o mesmo erro então alguns dispositivos possibilitam trabalhos em escalas maiores do que a mencionada como é o caso do Moto G2 que permite a utilização de escalas iguais ao do receptor de GPS utilizado já que os dois tiveram erros médios próximos No entanto se levou em consideração os dispositivos no geral a fim de ter um padrão no erro e nas escalas adequadas 4 Considerações Finais 265 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 Em virtude dos dados e informações apresentadas neste trabalho pôdese observar que é possível a utilização de Smartphones para a realização de algumas atividades de cunho técnicocientíficas todavia é preciso ressaltar que há um limite de precisão e assim uma análise quanto à escala que será adotada se faz necessária antes de seu uso efetivo A acessibilidade apresentada por esses aparelhos demonstra um grande potencial para baratear custos com pesquisa e até dar celeridade às mesmas Principalmente em áreas de pesquisa que trabalham com mapeamentos colaborativos como cartografia social já que o uso dos smartphones já está bem consolidado na sociedade tendo alto potencial a produção de dados espaciais com relativa precisão É importante mencionar que é preciso mais estudos para melhor validar essas informações prestadas visto a grande variedade de Smartphones disponíveis no mercado mundial e às condições técnicas de cada um deles Nesse sentido esse trabalho vem propor dados iniciais para a discussão sobre o uso de smartphones para uso técnicocientífico dando base para futuros parâmetros sobre a precisão dos dados e escalas adequadas para o seu uso Referências Bibliográficas ÂNGULO F R Avaliação da Exatidão de Posicionamento Planimétrico de Um Receptor GPS Operando Sob Diferentes Condições de Cobertura Vegetal Tese livredocente Curso de Agronomia Departamento de Engenharia Rural Universidade de São Paulo Piracicaba 2001 COELHO R S RIBEIRO P F Sistemas de Posicionamento Global Universidade Nova de Lisboa cap 3 20052006 MENDONÇA F J B GARNÉS S J A PEREIRA C M NETO J A B MELO W D A Análise Do Ajustamento Por Mínimos Quadrados De Uma Trilateração Topográfica Com Injunções Nos Planos UTM e Topocêntrico In III Simpósio Brasileiro De Ciências Geodésicas E Tecnologias Da Geoinformação p 001 009 Recife 2010 MICHAHELLES F WATZDORF SV Accuracy of positioning data on smartphones LocWeb p 14 2010 266 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019 MIRANDA J I Fundamentos e Sistemas de Informações Geográficas Embrapa 2005 BrasíliaDF PRINA B Z TRENTIN R Geotecnologias Discussões e Análises a Respeito da Evolução dos Sistemas Global de Navegação por Satélites GNSS Revista Eletrônica em Gestão Educação e Tecnologia Ambiental UFSM v19 n2 p 12581270 2015 ROSA R Geotecnologias na Geografia Aplicada Revista do Departamento de Geografia Universidade Federal de Uberlândia v16 p8190 2005 VILA FLOR C D R Rede geodésica cadastral do campus Recife da UFPE Fase I planejamento e implantação da rede principal Trabalho final de graduação Relatório parcial Departamento de Engenharia Cartográfica Universidade Federal de Pernambuco Recife 2008 267 ISSN 2236837X V 9 n 2 2019