integración de las tecnologías gis, gps y pda para su

INTEGRACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS GIS, GPS Y PDA PARA SU APLICACIÓN
EN LA MEDICIÓN DE SUPERFICIES AGRÍCOLAS Y FORESTALES.
AGUILERA UREÑA, María Jesús (1), JIMÉNEZ BERNI, José Antonio (2), MEROÑO DE
LARRIVA, José Emilio (3).
(1)
Universidad de Córdoba
ETSIAM, Dpto, Física Aplicada
Correo electrónico : [email protected]
(2)
Universidad de Córdoba
SCAI. Unidad de Técnicas Geoespaciales.
Correo electrónico [email protected]
(3)
Universidad de Córdoba
ETSIAM, Dpto. Ingeniería Gráfica e Ingeniería y Sistemas de Información Cartográfica
Correo electrónico [email protected]
RESUMEN
El avance de la tecnología en esto últimos años nos ha permitido disponer de receptores GPS de
bajo coste, que integrados con PDAs, nos permitirán obtener posiciones en campo de manera
simple, rápida y precisa.
En este trabajo se presenta el equipo basado en tecnología GPS+PDA diseñado para la medida
de superficies agrícolas o forestales. La aplicación permite en campo, mediante la
implementación de un SIG basado en el software comercial ArcPad, la integración de los
levantamientos de parcelas agrícolas basados en posicionamiento GPS (posicionamiento
absoluto o mediante correcciones EGNOS), con la diferente cartografía existente en formato
raster o vectorial (polígonos catastrales, ortofotografías digitales...).
Asimismo, se presentará un análisis preliminar de la precisión obtenida en el posicionamiento
utilizando equipos GPS de bajo coste, así como la precisión en la medida de superficies.
Palabras clave: GPS, PDA, SIG, medida de superficie.
ABSTRACT
The advance of the technology in this last years has allowed to get low cost GPS receivers, that
integrated with PDAs, will allow us to obtain precise positions of easy way.
In this work is presented an equipment based on GPS+PDA technology, designed for the
measurement of agricultural or forest surfaces. The application allows in field, by means of the
implementation of a SIG based on the commercial ArcPad software, the integration of the
measurement of agricultural parcels based on GPS positioning (absolute positioning or by
means of EGNOS corrections) with different raster or vectorial existing cartography (cadastral
polygons, digital orthophotos...).
Also, a preliminary analysis of the precision is obtained, in the positioning using low cost GPS
receivers, as well as the precision in the measurement of surfaces.
Key words: GPS, PDA, GIS, surface measurement.
Grupo temático: SIG: Sistemas de Información Geográfica y Cartografía.
1. Introducción
En estos últimos años se ha popularizado el uso de navegadores basados en la integración de un
PDA y un receptor GPS de bajo coste, para satisface una amplia variedad de aplicaciones para
navegación vehicular, rastreo, deportes, tiempo libre...Al constituir así sistemas de navegación
portátiles, se presentan como herramientas de gran utilidad en todos los sectores que demanden
agilidad y movilidad en la captura de información, constituyendo soluciones ligeras, fáciles de
utilizar y de muy bajo coste, idóneas para satisfacer necesidades de mapeo o navegación.
Así, se plantea la posibilidad de utilizar estos sistemas para el levantamiento de parcelas
agrícolas o forestales, operación que hasta ahora se ha venido realizando con equipos GPS de
alta gama, más costosos, menos ligeros y más difíciles de utilizar. Una vez eliminada del
sistema GPS la disponibilidad selectiva (año 2000), la precisión obtenida con uno de estos
receptores de bajo coste, en modo absoluto y tiempo real, puede ser suficiente para la obtención
de la superficie de parcelas agrícolas y forestales, en la mayor parte de las aplicaciones.
Además, otro aspecto a tener en cuenta es que la mayor parte de los equipos de bajo coste
vienen ya preparados para recibir las señales EGNOS. EGNOS es un sistema que permite
mejorar la precisión, la integridad, continuidad y disponibilidad del sistema de navegación GPS,
que se espera que esté plenamente operativo a partir del segundo cuatrimestre de 2005 [1], lo
que supondrá una mejora sustancial en el uso de la señal GPS.
En este trabajo se presenta el sistema GPS/PDA implementado por el grupo de trabajo de la
universidad de Córdoba, describiendo el hardware y el software utilizado, así como la
implementación informática de la aplicación. Finalmente se presentarán algunos resultados
prelimitares conseguidos con este sistema, referentes a precisiones en el posicionamiento y en la
medida de la superficies.
2. Sistema integrado PDA/GPS y software utilizado.
Tras el análisis de los requerimientos y condicionantes del problema en cuestión, y analizadas
las alternativas existentes en el mercado en el momento de la decisión, se optó por el equipo
formado por la PDA Toshiba Pocket PC e800 y el GPS Pretec GPS Compact Flash, ambos
mostrados en la figura 1.
Figura 1. PDA y GPS utilizados.
Las principales características técnicas de ambos elementos se muestran a continuación:
Toshiba Pocket PC e800 [2]
• Procesador Intel® PXA263 a 400 MHz
•
•
•
•
•
Comunicación inalámbrica incorporada, conectividad Wireless LAN (802.11b Wi-Fi) o
BluetoothTM.
Amplia capacidad de almacenamiento. 128 MB SDRAM / 32 MB Flash ROM / Memoria
NAND Flash ROM de 32 MB.
Pantalla color con retroiluminación de 4,0”; compatible con QVGA y VGA.
Puerto de infrarrojos
Batería recargable de ion de litio extraíble por el usuario.
Pretec GPS Compact Flash [3]
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Formato ComplactFlash.
12 canales paralelos para una rápida adquisición y readquisición.
Soporta el protocolo NMEA-0183 v2.2.
Algoritmos y protocolos optimizados para uso dentro y fuera de la ciudad.
Funciona en cualquier slot Compact Flash (tipo I o II) o PCMCIA (con adaptador).
Batería interna que minimiza los tiempos de adquisición de ubicación de satélites.
Incluye antena externa magnética.
Led indicador de comunicación estable.
Antena interna.
En cuanto al software a utilizar, existen en el mercado una gran variedad de ellos, pudiendo
agruparlos en dos tipos diferentes [4]:
• Software cuya función principal es la navegación
• Software de gestión de SIG y/o con funciones de CAD.
Para nuestra aplicación se eligió el software ArcPad, aplicación SIG integrada dentro de la
solución corporativa ArcGIS de ESRI destinada a dispositivos móviles. Esta herramienta está
especialmente orientada a proyectos de captura de datos y recogida de información geográfica
mediante posicionamiento GPS en campo, facilitando la edición de información vectorial en
campo.
La posibilidad de comparar datos espaciales y alfanuméricos almacenados en una base de datos,
con las características reales del terreno, facilita el proceso de toma de información en campo.
Así, en nuestra aplicación, a los recintos medidos en campo se los podrá asociar en campo
información adicional de utilidad.
Las principales características de ArcPad son [5]:
• Lectura directa de diversos formatos estándar vectoriales (shp) y raster (MrSID, JPEG,
BMP y PNG), así como servicios de imágenes de ArcIMS.
• Integración con sistemas de posicionamiento GPS, tanto para la captura de información,
como para navegación.
• Tiene disponibles diversas herramientas para la búsqueda, visualización, y consulta de datos
espaciales.
• Posee herramientas de edición y captura de datos, lo cual puede hacerse vía ratón, lápiz
magnético o GPS.
• Herramientas que permiten la medición de áreas, distancias y direcciones.
• Disponible para distintos sistemas operativos: Windows NT, Windows 2000, Windows XP
y Windows CE.
Con el objeto de obtener una herramienta simple de utilizar y perfectamente adaptada a
la resolución del problema concreto de medida de superficies en campo, se planteó la
necesidad de personalizar la interface de usuario de ArcPad, así como desarrollar
aplicaciones que se adaptaran a la metodología propia de trabajo en campo. Para poder
realizar estas personalizaciones se recurre al software asociado ArcPad Application
Builder, que permite las siguientes posibilidades [5]:
•
•
•
•
•
Editor de barras de herramientas, que permite diseñar nuevas herramientas que incluyan
funciones ya definidas en ArcPad, o herramientas con funcionalidad a medida.
Editor de formularios, que permite la generación de nuevos formularios para automatizar y
facilitar la captura de datos en el campo.
Editor de scripts que automatizan tareas concretas, interactuando con los objetos del Modelo
de Objetos de ArcPad, y con cualquier otro objeto ActiveX.
Herramientas para la construcción de applets, que satisfagan las necesidades de sus
usuarios.
Desarrollo de extensiones que soporten nuevos formatos de datos y protocolos GPS.
3. Descripción de la aplicación.
Como se ha indicado anteriormente, el software utilizado ArcPad se ha personalizado con el
objeto de obtener una aplicación simple de utilizar, y adaptada a la metodología de
levantamiento de parcelas en campo.
Así, la aplicación cuenta con las barras de herramientas que muestra la figura 2, que contienen
todas las opciones necesarias, y sólo las necesarias de todas las que presentan las barras de
herramientas estándares de ArcPad.
Figura 2. Barras de herramientas.
A continuación se describen las opciones más interesantes, y obtenidas mediante la
personalización con ArcPad Application Builder.
Administración de Trabajos
muestra un administrador de trabajos (figura 3), permitiendo abrir un trabajo
El icono
existente en la memoria de la PDA, borrar un trabajo o crear un trabajo nuevo
A la hora de crear un nuevo trabajo, además de asignar un nombre habrá que seleccionar
el sistema de referencia en el que queremos que vengan expresadas las posiciones que
tomemos en campo, eligiendo de entre varios (ED-50 o WGS-84, y en los distintos
husos UTM) (figura 4). Así, si se elige el sistema ED-50, las posiciones WGS84 tomadas con
el GPS se transformaran al sistema local a través del módulo de transformación implementado,
mediante los siete parámetros de transformación que relacionan ambos sistemas de referencia.
Figura 3. Administrador de trabajos.
Figura 4. Definir trabajo nuevo.
Cartografía y navegación
Una ventaja importante de la aplicación es que permite superponer cartografía raster y/o
vectorial en los distintos formatos soportados por ArcPad, y poderla mantener de fondo en el
levantamiento de las parcelas (figura 5).
Figura 5. Abrir cartografía.
Figura 6. Ortofoto digital de fondo.
Así, puede ser interesante poder ver en campo una ortofotografía digital de la zona, que nos
permita controlar la parcela que se está midiendo, con una visión de conjunto aplicando
distintos niveles de zoom (figura 6), o que nos ayude a ir navegando hasta llegar al lugar
concreto del trabajo.
Levantamiento de recintos
ArcPad presenta ciertas deficiencias a la hora de medir parcelas de manera sucesiva. La
principal dificultad es que para medir una parcela, tendremos que recorrer todos los puntos en el
orden definido por el perímetro. Además, si queremos medir dos parcelas colindantes, el lado
común será necesario recorrerlo dos veces, una para cada parcela que queramos medir.
Este problema se ha resuelto implementando un módulo basado en el procesado de códigos
asociados a los puntos levantados en campo. Esto consiste en ir levantando en campo puntos,
asignándoles un código, de modo que cuando tenemos todos los puntos levantados, procesando
los códigos, se generan todos los recitos levantados, uniendo puntos con el mismo código. A un
punto levantado en campo se le puede asignar más de un código, por lo que puede pertenecer a
más de una parcela y se evita por tanto levantar el mismo punto más de una vez. La figura 7
muestra un ejemplo de posible numeración y asignación de códigos para el levantamiento de
dos parcelas colindantes.
1, R1
2, R1+R2
R1
3, R2
R2
7, R1
6, R1+R2
5, R2
4, R2
Figura 7. Numeración y códigos para el levantamiento de dos parcelas con un lado común.
Por ello, la metodología de campo será levantar puntos (icono
), asignando a cada
uno de ellos número, código y comentario (figura 8), y una vez levantados todos generar las
parcelas mediante el procesado de los códigos (icono
) (figura 9).
Figura 8. Definición de punto.
Figura 9. Recinto generado al procesar códigos.
Una vez creadas las parcelas, la aplicación permite editar los datos de la medición
correspondiente a cada una de ellas (área y perímetro) (figura 10), así como incorporar en la
base de datos asociada información complementaria (fecha, persona que realiza el
levantamiento...).
Figura 10. Edición de datos asociados a la medición.
El resultado de la medición se almacenará en dos fichero formato .shp. Un fichero de puntos,
con todos los puntos levantados, y otro de polígonos, con los recintos levantados y la
información adicional almacenada.
4. Análisis de precisiones.
En el momento actual se está realizado un análisis exhaustivo de la precisión que se puede
alcanzar con el equipo diseñado en la medida de superficies, considerando los diferentes
parámetros geométricos que pueden afectar a dicha precisión. No obstante, aquí se presenta, a
modo de avance, un estudio preliminar de la precisión que puede dar idea de las posibilidades
de utilización de equipos GPS de bajo coste en la medida de superficies.
Para el estudio se ha partido del levantamiento de cinco parcelas de prueba, de distinta
superficie, en la finca Rabanales de la Universidad de Córdoba. La figura siguiente muestra las
parcelas de prueba levantadas (figura 11).
Figura 11. Parcelas de prueba.
Parcela 1: Recinto A.
Parcela 2: Recinto A+B
Parcela 3: Recinto A+B+C
Parcela 4: Recinto D
Parcela 5: Recinto A+B+C+D
Para el levantamiento de dichas parcelas se han observado un total de 63 puntos de control con
equipo Trimble bifrecuencia, en modo relativo. La tabla 1 muestra un resumen de la precisión
horizontal en las coordenadas WGS-84 obtenidas para estos puntos.
Mínima
Máxima
Media
Desviación estándar
Precisión Horizontal (m)
0,007
0,003
0,005
0,001
Tabla 1. Precisión coordenadas planimétricas WGS-84 de los puntos de control.
La tabla siguiente muestra la superficie, el perímetro y el número de puntos de control que
forman cada una de las parcelas de prueba:
Superficie (m2)
17784,45
45076,08
82461,02
236929,98
319391,01
Parcela 1
Parcela 2
Parcela 3
Parcela 4
Parcela 5
Perímetro (m)
551,36
973,16
1204,14
2025,87
2296,65
Nº puntos control
13
23
31
36
47
Tabla 2. Superficie, perímetro y nº puntos de control de las parcelas de prueba.
Las parcelas de prueba se han levantado con el equipo GPS-PDA objeto de evaluación, un total
de 10 veces. A continuación se muestra un resumen de las precisiones obtenidas en la posición
planimétrica de los puntos, para el conjunto de puntos levantados.
Error máximo (m)
Error mínimo (m)
Error medio (m)
Desviación estándar (m)
Componente x
3,536
0,011
0,484
0,723
Componente y
5,154
0,178
1,637
1,130
Posición planimétrica
5,663
0,193
1,974
0,887
Tabla 3. Precisiones en las posiciones planimétricas.
Se observa un error planimétrico máximo de 3.6 metros, con error medio de 2 m y desviación
estándar inferir al metro.
Con estas precisiones, las precisiones medias alcanzadas en la medida de las distintas parcelas
se muestran en la tabla 4. Estas precisiones están expresadas en error en superficie, porcentaje
que representa el error respecto a la superficie, y factor de perímetro. Este último expresa la
relación entre el error superficial y el perímetro de la parcela, y representaría el ancho del buffer
alrededor del perímetro que significa el error en superficie.
2
Error sup. (m )
% Sup. real
Factor perímetro
Parcela 1
219,081
1,232
0,397
Parcela 2
485,864
1,078
0,499
Parcela 3
640,700
0,777
0,532
Parcela 4
636,385
0,199
0,277
Parcela 5
327,868
0,138
0,162
Tabla 4. Precisiones medias en la medida de superficie.
A la vista de los resultados, se ve la clara y lógica influencia del tamaño de la superficie en el
error superficial porcentual, siendo las superficies más pequeñas donde puede ser más
restrictivo el uso de estos sistemas.
5. Conclusiones.
En este trabajo se ha presentado una herramienta basada en la integración de una PDA y un GPS
de bajo coste, con una aplicación tipo SIG diseñada para el levantamiento de parcelas agrícolas
y forestales. Comparada con los costosos y poco manejables GPS que se han venido utilizando
hasta ahora, supone un gran avance tecnológico, pudiendose extender su uso a multitud de
situaciones en las que se hace necesario la recogida de información “in situ”.
En cuanto a las precisiones alcanzadas en la medida de la posición planimétrica, en modo
absoluto se han obtenido precisiones medias de 2 m con 1 m de desviación estándar para el
conjunto de puntos levantados en campo, precisiones que se espera que incluso puedan mejorar
cuando el sistema EGNOS esté plenamente operativo.
Respecto a la precisión en la medida de la superficie, como era de esperar, esta precisión
depende de la superficie de las parcelas medidas, siendo los errores relativos mayores conforme
disminuye el área. Para la menor parcela medida (1,7 has), el error porcentual obtenido ha sido
poco mayor al 1%, error que entra dentro de la tolerancia de la mayor parte de aplicaciones que
requieren medidas de superficie.
Referencias.
[1] www.pocketgps.co.uk/egnos.php
[2] www.toshiba.com
[3] www.pretec.com
[4] QUINTANILLA GARCÍA, I. et al. Análisis de la integración de sistemas (SIG, GPS y
PDA) para aplicaciones medioambientales “in situ”. XI Congreso Métodos Cuantitativos,
Sistemas de Información Geográfica y Teledetección. Libro de Actas. 2004.
[5] www.esri-es.com