Sistemas de Referencia Tridimensionales
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I TALLER TÉCNICO SOBRE TOPOGRAFÍA Y CARTOGRAFÍA TOPOGRAFIA ETA KARTOGRAFIAKO LEHEN TAILER TEKNIKOA Nuevas infraestructuras de referencia Erreferentzia azpiegitura berriak NUEVAS INFRAESTRUCTURAS DE REFERENCIA ERREFERENTZIA AZPIEGITURA BERRIAK Sistemas de Referencia Tridimensionales Hiru dimentsiotako Erreferentzia-Sistemak Dr. J. Zurutuza ARANZADI – Universidad de Jaén [email protected] [email protected] CONTENIDO: 9 Introducción 9 Sistemas de Referencia Tridimensionales 9 Marcos de Referencia Tridimensionales 9 Transformación entre Marcos de Referencia 9 Red GPS de Euskadi 9 Notas finales 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 3 REAL DECRETO 1071/2007, de 27 de Julio, por el que se regula el sistema geodésico de referencia oficial en España. El sistema de referencia ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989), Sistema de Referencia Terrestre Europeo 1989, ligado a la parte estable de la placa continental europea, es consistente con los modernos sistemas de navegación por satélite GLONASS y el europeo GALILEO. Su origen se remonta a la resolución de 1990 adoptada por EUREF (Subcomisión de la Asociación Internacional de Geodesia, para el Marco de Referencia Europeo) y trasladada a la Comisión Europea en lo que está siendo adoptado sucesivamente por todos los países europeos. El objeto de este real decreto es la adopción del Sistema de Referencia global, ETRS89, sustituyendo al sistema geodésico de referencia regional ED50 en el que actualmente se está compilando toda la cartografía oficial en el ámbito de Península Ibérica y las Islas Baleares, y el sistema REGCAN95 en el ámbito de Canarias, permitiendo una completa integración de la cartografía oficial con los sistemas de navegación y la cartografía de otros países europeos. Dado en Palma de Mallorca, el 27 de Julio JUAN CARLOS R. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 4 REAL DECRETO 1071/2007: campo de aplicación. CAPÍTULO I: Disposiciones generales y sistemas de referencia Artículo 1. Objeto. Este real decreto regula el sistema de referencia geodésico sobre el que se debe compilar toda la información geográfica y cartografía oficial, permitiendo una completa integración de la información geográfica y de la cartografía oficial española con la de otros países europeos y con los sistemas de navegación. Artículo 2. Ámbito subjetivo de aplicación. Este real decreto será de aplicación a la producción cartográfica e información geográfica oficiales referida a todo o parte del territorio español. Artículo 3. Sistema de Referencia Geodésico. Se adopta el sistema ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989) como Sistema de Referencia geodésico oficial en España para la referenciación geográfica y cartográfica en el ámbito de la Península Ibérica y las Islas Baleares. En el caso de las Islas Canarias, se adopta el sistema REGCAN95. Ambos sistemas tienen asociado el elipsoide GRS80 y están materializados por el marco que define la Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales, REGENTE, y sus densificaciones. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 5 Sistema de Referencia Definición (Prof. M. J. Sevilla): un Sistema de Referencia (Reference System) es una estructura geométrica para referir las coordenadas de puntos en el espacio, quedando definido por su origen, las direcciones de los ejes, la escala y los algoritmos necesarios para sus transformaciones espaciales y temporales Características y convenciones habituales: 9 Concebidos para “soportar” y representar la información geodésica: Redes Geodésicas (precisión) y Cartografía Analítica. 9 Figura geométrica: elipsoide de revolución. 9 Período de revolución fijado por el BiH (Bureau International de l’heure). 9 Uno de los ejes es coincidente con el eje de rotación en una determinada época. 9 Otro eje coincide con el meridiano de Greenwich en una determinada época, siendo normal al primero. 9 Tercer eje, formando sistema “dextrosum”. 9 Origen aproximadamente geocéntrico, pero sin necesidad, ya que depende del área a ajustar. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 6 Sistemas de Referencia: Concepción Clásica del datum 9 Parámetros definidos por observaciones astronómicas 9 Se Necesita: Origen: aprox. Geocéntrico (en función de la zona) Definición de Coordenadas Astronómicas Λ,Φ de una Estación Desviación de la Vertical ξ,η en una Estación Ondulación del Geoide N Fijar la orientación: ecuación de Laplace: Escala 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 7 Sistemas de Referencia: Variaciones temporales 9Los Sistemas de Referencia se refieren a épocas de Referencia (CIO) 9Las observaciones se realizan en una determinada época (instantánea) que no es coincidente con la época de referencia (origen): hay que corregir las observaciones 9Los efectos del Polo que necesitamos corregir mediante rotaciones son: •Precesión (período de 26.000 años): varia 23º27’ el eje de Rotación de la Tierra •Nutación (período de 18.6 años): hasta casi 20’’ el eje de Rotación •Movimiento del Polo (forzado y libre): hasta 10 m en 435 días •Movimientos de periodo inferior a un día 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 8 Sistemas de Referencia: Variaciones temporales 9Además: •Mareas Terrestres: con efectos de hasta 30 cm en altura y 5 en planimetría •Carga oceánica: con efectos de hasta 5 cm en altura y 2 en planimetría •Tectónica de placas: varios cm anuales. •Otros: rebote post-glacial,… 9Necesitamos una cuarta dimensión: la época!!! 9Necesitamos relacionar los Sistemas Terrestres con los Astronómicos (Celestes) 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 9 Marcos de Referencia Tridimensionales: El Sistema de Referencia es la concepción teórica de una estructura que permite el posicionamiento sin ambigüedades. Sin embargo, una de las propiedades más importantes de los Sistemas es el acceso a los mismos. MARCO de REFERENCIA es la materialización del Sistema de Referencia con los errores de observación intrínsecos a cada observable. Es el conjunto de elementos que definen, de forma práctica, el Sistema y está constituido por las coordenadas de los puntos de definición, las técnicas aplicadas en las observaciones y medidas, y los métodos de cálculo aplicados para la obtención de sus parámetros. Actualmente, los Marcos de Referencia se definen a partir de diversas técnicas, cada una de las cuales aporta elementos que otras, por sí solas, no pueden producir. El análisis de las series temporales es fundamental (Z. Altamimi, IGS, ERUREF,…) para determinar velocidades y, por tanto, posiciones en distintas épocas, con precisión. ¡¡¡La precisión plantea problemas!!! 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 10 Marco de Referencia Global ITRF05: Es el Marco de Referencia más moderno y más preciso, obtenido a partir de series temporales y de parámetros de orientación de la Tierra: • • • • Origen: Geocéntrico (13 años de observaciones SLR) Escala: Definida por más de 26 años de observación VLBI Orientación: Alineado a ITRF00 en la época 2000.0 a partir de 70 estaciones. Consistencia ITRF00: 0.1, 0.8, 5.8 mm Y 0.2, 0.1, 1.8 mm/Año para X, Y y Z respectivamente. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 11 ¿Qué es IGS05? IGS05 es una solución, basada en ITRF05, pero considerando únicamente estaciones GPS, para lo cual se han utilizado 130 estaciones GPS. Es la solución IGS (Internacional GNSS Service) de ITRF05. Es importante destacar que IGS05 se procesa con un modelo de PCV absoluto y no relativo, como ha sucedido en versiones ITRF previas, incluido ITRF05. Por este motivo, IGS05 no es consistente con ITRF05 (ni con versiones ITRFxx anteriores), que se calcularon con PCVs relativas. La solución propuesta ha sido procesar las estaciones con ambos modelos de PCVs para determinar, posteriormente y considerando las diferencias entre una y otra solución, unos parámetros de transformación. Con estos 7 parámetros, se vuelve a alinear ITRF05 usando las Red IGS. El Marco resultante es IGS05. A partir de la Semana GPS 1400.0 (5 de Noviembre de 2006): •Se adopta el Marco IGS05 para referir las efemérides. •Dicho Marco está definido por 130 estaciones permanentes GPS distribuidas por toda la Tierra. •IGS05 es una versión del reciente ITRF05, pero determinado sólo con observaciones GPS. •IGS05 se procesa con APCV, al contrario de las versiones ITRFxx y IGb00 (RPCV). 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 12 Sistemas de Referencia Global ETRS89: Para definir un Sistema de Referencia Terrestre Europeo preciso, en 1987, el CERCO (Comité Europeo de Responsables de la Cartografía) y la IAG (Internacional Association of Geodesy) constituyen el Grupo de Trabajo VIII (WK VIII) y la Subcomisión EUREF. Como conclusión a este apartado, cabe destacar que las precisiones obtenidas rondaron los 3-4 cm para la componente horizontal, mientras que, como cabía esperar, la precisión para la componente altimétrica ronda los 6 cm. Las principales características del ETRS89 son: •Coincidente con ITRS en la época 1989.0 •Los 7 Parámetros de Transformación de Helmert entre ITRS y ETRS89 son nulos en 1989.0 •Fijado a la parte estable de la placa Euroasiática •Respecto de dicha placa, las velocidades de las estaciones son nulas •Las derivadas respecto del tiempo de los 7 parámetros son nulas excepto para las 3 rotaciones 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 13 ¿Qué pasa con WGS84? Las efemérides radiodifundidas dan los parámetros necesarios (elementos Keplerianos y sus variaciones temporales) para obtener coordenadas WGS84 de los satélites GPS. A efectos prácticos NO se considerará. Si bien las últimas actualizaciones de WGS84 han mostrado coincidencia con ITRF00 centimétrica, el acceso al sistema se realiza a través de las medidas de código (pseudodistancia), por lo cual no da precisión (en la práctica, unos 2-3 m). Su uso está muy extendido en aplicaciones de Cartografía y de Navegación, pero para fines geodésicos no se usa, ya que las efemérides precisas se dan en IGS05. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 14 Modelo General de Transformación(1) : ITRFxx<->ETRS89 ⎛X ⎜ ⎜Y ⎜Z ⎝ ⎞ ⎛X⎞ ⎛ TX ⎞ ⎛ D ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ = Y + TY + ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ R3 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎠ ETRS 89 ⎝ Z ⎠ ITRF −YY ⎝ TZ ⎠ ITRF −YY −> ETRS 89 ⎝ − R2 − R3 D R1 R2 ⎞ ⎟ − R1 ⎟ D ⎟⎠ ⎛X ⎜ ⋅⎜ Y ⎜Z ⎝ ITRF −YY −> ETRS 89 ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ITRF −YY −> ETRS 89 IGS05 a ITRF05(2): 0.165, -0.016, 0.236, -1.85533, -0.01118, -0.00693, -0.00046 (mm) (ppb) (mas) ITRF05-ITRF00(3), época 2000.0: P. Transf.: 0.10, -0.80, -5.80, 0.40, 0.00, 0.00, 0.00 (mm) (ppb) (mas) Variaciones: -0.20, 0.10, -1.80, 0.08, 0.00, 0.00, 0.00 (mm/año) (mas/año) Las Transformaciones ITRF05-ETRS89 e ITRF05-ETRS89 de 14 parámetros son las publicadas por el IERS: ITRF00->ETRS89: ITRF05->ETRS89 P. Transf.: 5.60, 4.80, -3.70, 0.00, 0.00, 0.00, 0.00 5.40, 5.10, -4.80, 0.00, 0.00, 0.00, 0.00 (mm) (ppb) (mas) Variaciones: 0.00, 0.00, 0.00, 0.00, 0.054, 0.518, -0.781 0.00, 0.00, 0.00, 0.00, 0.081, 0.490, -0.792 (mas/año) (1) Altamimi, Z., P. Sillard and C. Boucher, (2002): ITRF2000: A new release of the International Terrestrial Reference Frame for Earth science applications. J. Geophys. Res. 107, No B10, 2214, 10.1029/2001JB000056. (2) Ferland, R. (2006b). IGSMAIL-5447. (3) http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2005/tp_05-00.php 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 15 TRANSFORMACIÓN ETRS89<->ED50: LOS MODELOS DE TRANSFORMACIÓN NO HAN DADO UNA SOLUCIÓN DEFINITIVA. En la actualidad hay varias líneas de trabajo abiertas: Procrustes Cuaterniones ADEMÁS, LOS ERRORES EXISTENTES EN LAS COORDENADAS, HACEN NECESARIA UNA SOLUCIÓN ALTERNATIVA PARA UNIFICAR LOS MODELOS DE TRANSFORMACIÓN: Mínima curvatura: basado en una malla de “correcciones”. Según nuestra experiencia, la solución más adecuada MincuRV (IGN): Unifica la transformación, independientemente de la precisión RGN. Elimina la Independencia de la RGN: ¿cuáles observo? Porporciona Ondulación del Geoide (IberGEO95, escalado a NAP) Válida para todo el Estado En contrapartida, necesitamos Coordenadas ETRS89 precisas: ¿REGENTE?, ¿Redes GPS?: Red GPS de Euskadi. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 16 Red GPS de Euskadi 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 17 Funciones de la Red GPS de Euskadi La Red GPS de Euskadi tiene precisión sub-centimétrica en todas sus coordenadas ITRF00 y, por tanto en las ETRS89 derivadas de la transformación ITRF00->ETRS89. Proporciona, por tanto, un Marco idóneo para obtener ED50 sin grandes esfuerzos. Esto es fundamental para poder ofrecer servicios de correcciones diferenciales con plenas garantías y totalmente compatibles con Territorios limítrofes. Además de Coordenadas, cuando se calcularon las series (2006-2007), se produjeron datos adicionales (ZDTs). Este tipo de parámetro es fundamental para mejorar la precisión en la componente altimétrica. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 18 Procesamiento de la Red GPS de Euskadi En la actualidad, las coordenadas están desfasadas, ya que se han modificado varios parámetros de procesamiento a lo largo de 2008: Troposfera: modelo GMF (en vez de NMF) Máscara de elevación 10º (incluso menos, hasta 3º) Se han creado nuevas Redes GNSS (La Rioja, Cantabria) cuyas observaciones conviene incluir para evitar desfases en zonas limítrofes, sobre todo al trabajar en Tiempo Real. La Red GPS de Euskadi ha sido procesada a diario durante 2006-2007 para obtener Series y poder estimar velocidades con precisión, tal y como recomienda EUREF, durante 2006 (Marco de Efemérides ITRF00-IGb00; sin embargo, los parámetros de procesamiento han variado. IGS está procediendo a recalcular todas sus observaciones con estos nuevos parámetros. Al igual que IGS, GFA, por ejemplo, está procediendo a actualizar las coordenadas de su Red GNSS hasta la semana GPS 1400 (5 de Noviembre de 2006). Este tipo de actuaciones es fundamental para que las Administraciones puedan actualizar Coordenadas para generar correcciones RTK!!!! 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 19 Notas finales • Los Sistemas de Referencia Tridimensionales son cada vez más importantes, ya que el número de usuarios y aplicaciones aumenta a medida que la Geodesia se ha “democratizado” con el GPS. • Disponer de Sistemas de Referencia precisos es fundamental para obtener Coordenadas precisas y modelar correctamente velocidades y posiciones. Estos valores y su interpretación, son imprescindibles para el análisis de diversos fenómenos: Nivel del Mar, velocidad de las placas tectónicas, movimientos corticales,... Además, es posible mejorar otro tipo de parámetros de otras Ciencias: Vapor de Agua Precipitable. • Sin embargo, a mayor precisión requerida, mayor número de correcciones, complicando y ralentizando los cálculos. • Los usuarios de los Sistemas de Referencia han de familiarizarse con las transformaciones entre ellos con objeto de entender las transformaciones y los porqués: p. e. Redes GPS emitiendo en ETRS89. • Redes GPS del tipo Red GPS de Euskadi son de una gran utilidad para los usuarios, ya que simplifican, en gran medida, los cálculos para obtener Coordenadas en varios Sistemas de Referencia. Sin embargo hay que ser muy conscientes de las precisiones que se obtienen. 13 de Febrero de 2009 I Taller técnico sobre topografía y cartografía 20 Sistemas de Referencia Tridimensionales Hiru dimentsiotako Erreferentzia-Sistemak Gracias por su atención Dr. J. Zurutuza ARANZADI – Universidad de Jaén [email protected] [email protected]
