5.1. Teoría del GPS

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5.1. Teoría del GPS.
5.2. Navegadores y confección de mapas y planos.
5.3. Levantamiento con navegador GPS Garmin 76. 5.4. GPS aplicado a la agricultura de precisión. Bibliografía y referencias Núñez‐García del Pozo, A., Valbuena Durán, J. L., Velasco Gómez, J. GPS: la nueva era de la Topografía. Ed. Ciencias Sociales, 1992. Página española del GPS: http://www.elgps.com/ Portal de agricultura de precisión: http://www.agriculturadeprecision.org 5.1. Teoría del GPS El GPS se basa en la observación o recepción de señales de radiofrecuencia procedentes de satélites artificiales de diferentes constelaciones internacionales. El inicio de esta idea, la utilización de señales emitidas desde fuera de la superficie terrestre, datan del lanzamiento del primer satélite artificial de la tierra (Sputnik I) en 1957. Pudo observarse que con el análisis de las señales del satélite recibidas en una estación terrestre de posición conocida, podía determinarse la órbita del mismo; y viceversa: conocida ésta y recibidas y analizadas las señales en distintas posiciones del satélite, podía obtenerse la situación de la estación receptora. La primera aproximación al GPS fue el sistema militar norteamericano TRANSIT, de 1967, que en 1973 fue redefinido como una nueva constelación de satélites artificiales llamada NAVSTAR, formada por 24 satélites, con órbitas casi circulares y una altitud media de 22000 km, distribuidos uniformemente en seis planos orbitales. Esta configuración asegura que sobre el horizonte de cualquier lugar de la tierra serán visibles simultáneamente entre 4 y 7 satélites, con una continuidad de observación durante las veinticuatro horas del día. La culminación de este proyecto y su total operatividad se produjo en el año 1993. Actualmente se han sumado a esta constelación la rusa GLONASS y la incipiente Galileo, de Europa, con sus correspondientes satélites (aunque no todos los receptores pueden leer las señales de los tres sistemas). El vehículo espacial Giove‐A, el primer satélite de la constelación Galileo, fue puesto en órbita el 28 de diciembre de 2005 y el segundo en 2008; pero para su plena operatividad todavía faltan algunos años. Los satélites se pueden clasificar genéricamente entre activos o pasivos. Los pasivos carecen de emisiones propias, simplemente devuelven la energía que en ellos incida por simple reflexión; mientras que los activos poseen sistemas de emisión de ondas electromagnéticas de diferentes espectros, así como un mecanismo autónomo de producción de energía (placas fotovoltaicas o 42 BLOQUE 5 paneles solares). Los satélites GPS son activos, y emiten varias ondas en el espectro de la radiofrecuencia en las que van codificadas las efemérides: los parámetros orbitales, las correcciones a los mismos y otros datos complementarios como la antigüedad de la información emitida y la hora atómica. Las frecuencias principales son las llamadas portadoras (aprox. 1200 y 1500 MHz) y dos modulaciones de éstas, llamadas código y mensaje. También existen una serie de estaciones de control a lo largo de la superficie terrestre que reciben la información necesaria de los satélites para establecer con gran precisión sus órbitas, así como las efemérides y los estados de los relojes. El sistema geodésico global que utiliza el GPS para aproximar la forma global del planeta es el llamado WGS84 (World Geodetic System 1984), ya que tiene que ser un elipsoide común para todo el globo. Si se quiere transformar los resultados a un sistema geodésico particular, como el ED50 o el ETR89, habrá que hacer una transformación entre uno y otro si queremos utilizar nuestros datos en los mapas. Estas transformaciones son relativamente sencillas, pues son transformaciones matemáticas, y normalmente vienen implementadas en los receptores. Respecto a la altura, la cuestión es más compleja, puesto que el GPS utiliza el elipsoide como referencia altimétrica, mientras que en la cartografía y la observación geodésica y topográfica se usa el geoide, que como ya se había definido es una superficie física irregular en cada punto del planeta, no una figura matemática. Para relacionar ambas habrá que conocer la llamada ondulación del Geoide, separación entre las superficies del geoide y el elipsoide medida sobre la normal al elipsoide (Figura 2‐14 del bloque 2). Este proceso se puede obtener de mapas de ondulación para una determinada zona, que se van actualizando conforme se dispone de más observaciones geofísicas de la gravedad terrestre. Desde la radiodifusión por el propio satélite de sus coordenadas en un sistema convencional de referencia celeste hasta la obtención de las coordenadas del receptor, situado en la superficie terrestre, en un sistema local, el proceso es el siguiente: 1. Paso de las coordenadas celestes del satélite a un sistema convencional terrestre (el WGS84). 2. Obtención de las coordenadas WGS84 del punto de estación mediante la recepción de las señales de los satélites. En este punto se puede hacer una corrección en tiempo real si se dispone de dos receptores midiendo en la misma zona al mismo tiempo, o tomar las coordenadas directamente y corregir (o no) a posteriori con datos auxiliares. 3. Paso de esas coordenadas GPS a coordenadas locales en el sistema ED50. Este paso se puede hacer también directamente configurando el receptor para tomar los datos en ED50, o mejor aún, transformar los datos WGS84 al datum local mediante software especializado, si la precisión del trabajo lo requiere. El GPS permite localizar el punto de observación por medición de distancias o de variación de distancias entre las antenas emisoras de varios satélites y la receptora del equipo de observación, tanto en el mundo estático de la Geodesia y Topografía como al dinámico de la navegación en un vehículo terrestre, marino, aéreo o espacial. El sistema utilizado por los receptores tipo navegador es el de pseudodistancias: consiste en una multilateración tridimensional2 que sitúa la estación en la intersección de unas esferas con centro en el satélite y radio la distancia correspondiente. Las distancias se obtienen a partir del tiempo que tarda la señal en llegar desde el satélite al receptor tomando previamente un origen común de tiempos para ambos. Si los relojes del satélite y receptor estuvieran perfectamente sincronizados, el intervalo de tiempo medido en el receptor proporcionaría el valor de la distancia sin más que multiplicarlo por la velocidad de la radiación 2
Un punto puede quedar definido en el plano como intersección de dos distancias, o de tres si el sistema de coordenadas es espacial. Cuanto mayor sea el número de distancias conocidas desde ese punto a otros, mejor se conocerá su posición. De ahí el nombre de "multilateración".
43 BLOQUE 5 emitida. Pero como existe una diferencia entre los estados de los dos relojes, no se obtiene la distancia real, sino lo que llamamos una pseudodistancia. La precisión y rendimiento del sistema mejora sensiblemente si a la configuración satélite‐
receptor se le añade un segundo receptor que observe a los mismos satélites simultáneamente. Se suele colocar un receptor con la antena fijo en un lugar alto y despejado e ir con el otro equipo midiendo por las zonas de interés. Algunos receptores pueden hacer la corrección de las coordenadas en tiempo real, pero se suele hacer el procesamiento de los dos juegos de coordenadas de sendos receptores en un software específico ‘en diferido’. A falta de un segundo receptor, se pueden utilizar datos de una antena GPS pública o perteneciente a alguna casa comercial de equipos bajo pago. En este caso debemos buscar una antena que no esté a más de 100 km de la zona de trabajo, ya que si estuviera más alejada las condiciones de la toma de un receptor y otro serían muy diferentes y ya no tendría validez una toma simultánea. Una vez medida la zona, se anotan con cuidado las horas de trabajo y se descargan los ficheros de corrección de esas horas procedentes de la antena ajena, a través de Internet, por ejemplo. Esta corrección se puede hacer actualmente en la propia medición, descargando los datos de una estación cercana a través de un modem de GPRS similar al de los teléfonos móviles. Después se aplican, junto con los datos descargados del receptor, en el software que lo acompaña. Normalmente estas correcciones se realizan con configuraciones más complejas que un simple navegador, y se obtienen precisiones centimétricas. Sin embargo, un simple navegador de coche o de teléfono no proporciona precisiones por debajo de varios metros, sobre todo si las condiciones de la observación no son buenas (pantallas de edificios, vegetación, interferencias, etc.) o si la geometría de los satélites es mala (pocos satélites observables, ángulos de observación cercanos al horizonte, etc.). El error se cuantifica con un factor adimensional llamado GDOP que es mostrado por el receptor, y se desglosa en otros cuatro que caracterizan el error en posicionamiento, en planimetría, en altimetría y en tiempo. 5.2. Navegadores y confección de mapas y planos Habitualmente, los navegadores GPS se están utilizando para determinar la posición en tiempo real del usuario receptor. Además, en combinación con la cartografía digital que pueda mostrar el receptor tendremos una completa referencia espacial de nuestra posición. A falta de cartografía específica, o si las necesidades de detalle son mayores que la escala que permite dicha cartografía, algunos navegadores permiten al usuario introducir mapas en formato vectorial o imágenes de mapas (u otro tipo de imágenes: ortofotos, etc.). Se puede escanear un mapa de la zona, georreferenciarlo con coordenadas e introducirlo en el GPS para guiarnos por él. También se le pueden indicar rutas preestablecidas punto a punto o por itinerarios y después seguir esa ruta en el terreno guiándonos con el navegador. Pero otra aplicación interesante de los navegadores GPS, especialmente cuando su precisión sea la requerida, es la inversa de la anterior: tomar los datos de coordenadas o de rutas y volcarlos en un software de diseño cartográfico o de SIG para confeccionar planos. Además se podrían medir superficies, determinar distancias, combinar nuestros datos con cartografía oficial, etc. En este caso es especialmente relevante el error planimétrico con el que determinamos la posición. Recuérdese entonces que la escala de representación es un límite, junto con el límite de percepción visual, que determinará la elección de un instrumento u otro. Por ejemplo, si queremos confeccionar un plano de una parcela a escala 1:1000, 1000 x 0,2 mm= 200 mm= 0,2 m 44 BLOQUE 5 Lo que significa que no se debería usar un receptor que proporcionara una precisión más baja de 0,2 m (lo cual es difícil con un navegador GPS de gama baja), porque entonces el error con el que representamos un punto tendría relevancia en el plano. Dicho de otra forma: podemos usar precisiones peores, pero entonces deberemos sopesar la precisión que requiere el trabajo. La precisión también debe valorarse cuando estimamos superficies, ya que no es lo mismo determinar la superficie de una parcela de 200 has con un posible error de 1 m al levantar sus lindes que hacerlo con ese mismo instrumental si la parcela mide 500 m2. Dependiendo de las capacidades del receptor, el flujo de trabajo variará; pero puede haber unos pasos comunes en la organización del trabajo para levantar un plano: 1. Planificación del trabajo: escala, precisiones, objetivos, tipo de plano final requerido (papel o digital), formato y software más adecuado, etc. Esta fase es muy importante para elegir el GPS acorde al trabajo y ahorrar costes inútiles. 2. Levantamiento topográfico en campo: - Anotar la fecha y la hora de comienzo y final del trabajo. - Configurar el GPS para el sistema ED50, o si no existe esa posibilidad, hacer la conversión en el software posteriormente. Configurar unidades de medida (X,Y) en metros (mejor que longitud y latitud en grados). - Elegir el tipo de entidad que se va a tomar. Los GPS, al igual que la mayoría de sistemas de representación gráfica, trabajan con tres tipos básicos: puntos, líneas y superficies. Según el dato que se tome en el terreno se puede ir cambiando el tipo de entidad. El sistema más simplificado es tomar todo como puntos y luego unir en el diseño gráfico. - Darle un nombre o código a cada punto o entidad, guardarla en memoria e ir haciendo un croquis de campo simultáneamente para una mejor comprensión posterior y para no olvidarnos ninguna zona. Si el navegador no tiene posibilidad de almacenamiento, o para asegurar los datos, se puede hacer un estadillo con las coordenadas e ir anotando las coordenadas y posibles incidencias. - Anotar el error que se produce en cada punto, para luego desechar puntos. Una estrategia para mejorar la precisión consiste en, al tomar el punto, dejar que el GPS tome repetidos valores y promedie el valor final. También se pueden almacenar dos o más datos en cada punto. Ir observando si las variaciones de coordenadas y cota son muy grandes y esperar en cada punto hasta que dichos valores se estabilicen. 3. Volcado de datos al software. Si el programa de GPS tiene corrección diferencial, tomar los datos de la antena y proceder a la corrección. Si no los tiene, volcar los datos directamente en este programa, comprobar que el sistema de coordenadas y el geodésico es el correcto y exportarlos a un formato gráfico que nos permita trabajar a posteriori para hacer el plano (quizás el software del GPS nos permite diseñar directamente y entonces podemos acabar en este punto). Los formatos gráficos vectoriales más populares son: .dxf: es un formato genérico, que leen casi todos los programas de diseño .dgn: el formato de microstation .dwg: el formato de autocad .shp: el formato de ArcGis 4. Trabajo de los datos en el software cartográfico o CAD y diseño del plano final. Marco, leyenda, escala, etc. Formatos de impresión y presentación, A4, A3, etc. 45 46 BLOQUE 5 5.3. Levantamiento con navegador GPS Garmin 76 5. 3. 1. Características del receptor 5. 3. 2. Encendido y ajustes iniciales 5. 3. 3. Recibir la señal de los satélites 5. 3. 4. Almacenar, editar y borrar puntos (Waypoints) 5. 3. 1. Características del receptor (Figura 5‐1) Figura 5‐1. Receptor navegador Garmin 76. Este receptor GPS pertenece a la categoría de los llamados “navegadores”, instrumentos de precisión media o baja (desde 50 m a 3 m, según los modelos y marcas), que se utilizan generalmente para orientarse en la navegación marítima o terrestre, seguimiento de rutas, etc. Tiene 12 canales de recepción de satélites y la antena está integrada en el conjunto. Dentro de esta categoría, y siempre según las condiciones de recepción de las señales de los satélites, el Garmin 76 puede arrojar unas precisiones en torno a los 3‐5 m. Este margen se puede mejorar si simultaneamos las medidas con la recepción de las correcciones que se envían mediante GPRS (vía telefónica), por ejemplo desde organismos oficiales como el ITACyL, que dispone de una red de antenas GPS fijas (http://gnss.itacyl.es/). La utilización que le vamos a dar a este aparato en el contexto de las prácticas de esta asignatura va a ser la de tomar puntos directamente del terreno (lindes de parcelas, líneas eléctricas, vías de comunicación, etc.) para después, mediante la transmisión de estos datos de coordenadas a un ordenador, bien de forma digital con el cable, bien ‘a mano’ si son pocos puntos, poder confeccionar planos, perfiles, mediciones, etc. Es muy importante tomar conciencia del error inherente en la posición de esos puntos, por lo que para levantar superficies pequeñas, en las que el porcentaje de error sea muy grande, habrá que recurrir a otras opciones más precisas con instrumental topográfico adecuado. También se deben observar las variaciones que se producen en BLOQUE 5 las cotas, tanto por el propio método de medición GPS de estos receptores, el más sencillo, como por el diferente origen de alturas que tiene el sistema GPS y sistema oficial. El receptor funciona con dos pilas alcalinas de 1,5 v que se recambian en su parte trasera, girando la argolla hacia la izquierda y tirando de ella hacia fuera. El estado de carga de las pilas determina en buena parte la rapidez de la recepción de coordenadas: cuanta mayor sea aquélla, más rápida será la medición. 5. 3. 2. Encendido y ajustes iniciales En principio estos ajustes vendrán predeterminados y no será necesario hacerlos. Pero si el receptor ha estado apagado mucho tiempo es posible que se tengan que volver a introducir. Enciende el instrumento en la tecla roja y pulsa ENTER hasta que aparezca la pantalla de recepción de satélites:  Pulsa la tecla de MENU dos veces hasta que te aparezca el Menú principal  Selecciona del menú principal Ajustar mediante el botón más grande, que puede utilizarse arriba / abajo, derecha / izquierda.  En la pestaña de General, desplázate hasta la etiqueta de Idioma y pulsa ENTER. De los idiomas disponibles, escoge el Español.  Sube hasta la pestaña de Hora y elige análogamente las opciones (+ 1h ó +2 h dependiendo de la fecha de verano/invierno)  En la pestaña Unidades, escoge metros para las uds lineales y grados numéricos para las direcciones  En las pestaña Localización, elige UTM con sistema European 1950  No es necesario hacer ajustes en Alarmas ni en Interface Para salir de esta pantalla, así como de cualquier otra, utiliza la tecla QUIT. 5. 3. 3. Recibir la señal de los satélites (Figura 5‐2) En esta pantalla se ve cómo se reciben los satélites GPS, tanto en las barras (con el número del satélite) como en los círculos de horizonte (sitúa los satélites entre el horizonte y el cenit, con un círculo intermedio de 45° sobre el horizonte). Dependiendo de la zona, más o menos despejada, y de la disponibilidad de satélites en ese momento, comenzarán a aparecer más barras de satélite. El color negro de estas barras significa que se están utilizando para gestionar las coordenadas (en gris: está todavía en proceso). 47 48 BLOQUE 5 Figura 5‐2. Pantalla de localización de satélites. Cuando aparece el mensaje Localización GPS 3D el satélite está tomando datos de al menos cuatro satélites y está listo para almacenar las coordenadas X, Y, Z del punto en el que estemos situados. Cuantas más barras negras, más satélites recibe y más precisa será la medición. Es conveniente esperar a que el receptor tenga un mínimo de cuatro o cinco satélites y la lectura de coordenadas sea estable; o que el error de posicionamiento (en la parte superior derecha de la pantalla) sea lo más bajo posible. 5. 3. 4. Almacenar, editar y borrar puntos (Waypoints) La terminología anglosajona llama Waypoints a los puntos que tomamos con el receptor, haciendo referencia a que son puntos que luego se usan para rutas o navegación, (way, “vía”). Para tomar un punto:  Desde la ventana de satélites puedes ver también las coordenadas de ese punto. Pulsa ENTER durante más de un segundo y aparecerá la ventana de Marcar Waypoint. La posición ha sido almacenada.  Puedes editar tanto el tipo de símbolo asignado al punto como su nombre. Para ello desplázate con la tecla grande a esos campos, pulsa ENTER y cambia el símbolo y el nombre del punto.  Desplázate hasta el botón OK y pulsa ENTER para grabar esos cambios. Para borrar puntos:  Entra en el menú principal pulsando dos veces la tecla de MENU desde la ventana de satélites.  Escoge la opción Puntos y pulsa ENTER  Escoge Waypoints y pulsa ENTER  Aparecerá el listado de puntos de la memoria  Pulsa MENU y aparecerá la ventana de borrar puntos, uno a uno (borrar waypoint), o todos a la vez (borrar todo) BLOQUE 5 Nota importante: el almacenamiento de waypoints se recomienda cuando haya que coger muchos puntos. Cuando se vayan a tomar 15 o 20 puntos solamente, es suficiente con anotar las coordenadas en un estadillo de campo junto con un croquis de la zona y luego se introducirán manualmente los puntos en Autocad o ArcGis. 5.4. GPS aplicado a la agricultura de precisión La llamada ‘agricultura de precisión’ nace con la idea de mejorar los rendimientos de grandes parcelas, cuando se detecta que, bien por las condiciones químicas del suelo, por el contenido de agua, la topografía u otros factores, se producen diferencias de producción y/o calidad en unas zonas y otras. De esta forma, se han diseñado tecnologías en combinación con imágenes remotas y GPS que permiten hacer las tareas agrícolas de forma diferencial a través del guiado de los vehículos agrícolas, controlar las cantidades de semillas, fitosanitarios, abonado; visualizar y monitorizar en campo sobre un mapa las tareas, etc. La agricultura de precisión se podría entender como una agricultura individualizada a una cierta extensión de terreno, por lo que en primer lugar consiste en hacer un diagnóstico de los terrenos de cultivo de forma precisa. En efecto, cada zona concreta tiene su propia producción unitaria que depende del estado del suelo en nutrientes, de su profundidad y pendiente, disponibilidad de agua, insolación, etc.; por lo tanto no se puede abonar igual todas las zonas ni aplicar fitosanitarios uniformemente, pues redundará en pérdidas, contaminación y efectos indeseados. Se estudiarán esos factores de forma espacial y se determinarán las diferentes áreas, que serán localizadas y delimitadas en un mapa. A continuación se establecerán criterios agronómicos sobre cada una para aplicar diferentes modelos de cultivo y manejo y finalmente, con equipos automáticos, se dosificarán diferencialmente la cantidad de semillas, abono, pesticidas, fitosanitarios, riego. Esta tecnología supone para el agricultor una mejora en la producción y un mayor ajuste de inversiones en los productos agrícolas y el manejo, con lo cual se produce el retorno de la inversión en estas nuevas tecnologías. Además, a largo‐medio plazo, también se podrá estudiar la variabilidad temporal, comparando los mapas de producciones a lo largo del tiempo, y se observarán tendencias de rendimiento, necesidades, etc.; pudiendo establecer correcciones con mayor posibilidad de éxito. Por otro lado, también repercutirá en una mejora ambiental, pues se conservará mejor el suelo, se contaminará menos y se consumirá menos agua. Por todo ello, tanto, la agricultura de precisión se ha convertido en uno de los fundamentos de la agricultura sostenible, pues respeta y mejora los cultivos, la tierra y el agua. La utilización del GPS en este contexto facilita la georreferenciación de los datos agrícolas. Permite, combinado con la maquinaria agrícola (que lleva un medidor de volumen de entrada de semilla o carga, Figura 5‐3), la confección de mapas de rendimientos (Figura 5‐4) con diferentes zonas en la parcela. También permite realizar planos o mapas en combinación con ortofotos, imágenes y estimaciones directas: mapas de profundidad de suelo, de texturas, capacidad de campo y punto de marchitez, mapas de malas hierbas; mapas de humedad de suelo, de pendientes, etc. Estos mapas se procesan a lo largo de varias campañas y permiten realizar el proceso a la inversa: aplicación por zonas de dosis diferentes de fertilizantes (Figura 5‐5), semillas o herbicidas; así como la instalación y programación del riego también por zonas o sectores. Para dosificar y aplicar 49 BLOQUE 5 automáticamente los productos y semillas se utilizan pequeños ordenadores instalados en la maquinaria que regulan las dosis y controlan la velocidad de la misma. Figura 5‐3. Dosificador de abonado conectado a la consola de la cabina. Tomado de SSIIA (http://www.ssiia.com/). Figura 5‐4. Mapa de rendimiento seco de trigo. Tomado de http://www.agriculturadeprecision.org ‘Reguladores automáticos de flujo en cosechadoras’, M. Braganchini et al. (2010). 50 51 BLOQUE 5 Figura 5‐5. Ordenador con GPS y software de control de insumos a bordo de tractor. Tomado de http://www.tractordrive.es y SSIIA (http://www.ssiia.com/ Estos sistemas, unidos a los cada vez más implantados Sistemas de Información Geográfica y a la liberación de las bases de datos cartográficas, se están desarrollando rápidamente y son una tecnología en constante crecimiento y expansión en agricultura. Son innumerables las casas comerciales que incorporan tanto dispositivos GPS de guiado y toma de datos como de automatización, monitoreo y control del manejo agrícola.