Mi Comunidad, Nuestra Tierra: Geografía para el Desarrollo Sostenible (MyCOE)

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1 Mi Comunidad, Nuestra Tierra: Geografía para el Desarrollo Sostenible (MyCOE) Taller: Introducción a Aplicaciones de Técnicas Espaciales para la Conservación de la Biodiversidad Universidad Tecnológica de Panamá Ciudad de Panamá. 28 de enero a 1ro de febrero, 2008 MODULO SOBRE SISTEMA DE PASICIONAMIENTO GLOBAL GPS Preparado por: Edwin Ortiz, Ing.Geog. TABLA DE CONTENIDOS 1. OBJETIVOS DEL MODULO General Específico 2. PRICIPIOS DEL SITEMA DE POSCIONAMIENTO GLOBAL (GPS) Fundamentos Técnicos Descripción del Sistema El segmento Espacial El Segmento de Control El Segmento de Usuarios Fuentes de error Posicionamiento Diferencial DGPS (Differential GPS) Tipos de receptores Herramientas relacionadas 3. APLICACIONES 4. PRACTICAS Objetivo General Materiales Programas Algunas precisiones Practica 1: Marcando de puntos Practica 2: Edición y borrado de un punto Practica 3: Grabación y borrado de una trayectoria (Traks) Practica 4: Bajada de datos BIBLIOGRAFIA ANEXOS: Hoja de campo 1. OBJETIVOS DEL MODULO General Aprovechar el Sistema de Posicionamiento Global en la toma de datos de Campo.

2 Específico Recolectar información sobre la posición, longitud y área de elementos geográficos. Procesar en laboratorio información espacial recolectada en el campo 2. PRINCIPIOS DEL SISTEMA DE POSCIONAMIENTO GLOBAL (GPS) Fundamentos Técnicos GPS es la abreviatura en inglés de Global Positioning System, que traducido al español significa Sistema de Posicionamiento Global. El GPS genera información sobre la ubicación de elementos geográficos en relación a un modelo matemático de la tierra. Antes de que se utilice los GPS, para determinar la ubicación y medición de elementos geográficos se realizaban en relación al sol y las estrellas. Dichos métodos tenían sus limitaciones, ya que dependían de las condiciones climáticas y/o la determinación de una posición requería de un tiempo bastante considerable. Es por estos inconvenientes, que Los Estados Unidos lanza el Proyecto Navstar a través del Departamento de Defensa a principio de los años 70 y lo pone operativo para el público en La determinación de la posición mediante el sistema GPS se basa en la medición de la distancia entre el receptor y el satélite. La posición de los satélites es conocida por información trasmitida por los mismos y en base al retardo de las señales de radio que viajan a la velocidad de la luz se calcula la distancia a los satélites (espacio = velocidad x tiempo). Con la medición de la distancia a un solo satélite la posibilidad de ubicación de un punto es en algún lugar de la superficie de una esfera de radio igual al de la distancia calculada, con dos mediciones tendríamos la posibilidad en algún lugar de la circunferencia que cortan dos esferas que se interceptan, con tres mediciones la intersección de tres esferas nos da dos puntos pero el uno es desechado ya que las coordenadas son inconsistentes (Figura 1). Con tres satélites se obtiene una posición en 2D, para tener una posición en 3D es necesario una medida a un cuarto satélite, que ratificará la posición calculada con los 3 satélites y corregirá la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites.

3 Descripción del Sistema El sistema GPS comprende tres segmentos diferentes: El segmento Espacial - satélites que giran en órbitas alrededor de la Tierra. El segmento de Control - formado por estaciones ubicadas cerca del ecuador terrestre para controlar a los satélites. El segmento de Usuarios Cualquiera que reciba y utilice las señales GPS. El segmento Espacial El segmento Espacial esta compuesto por una constelación de 24 satélites que emiten señales de radio, distribuidos en 6 planos orbitales inclinados a 55 con respecto al plano ecuatorial, se encuentran a una distancia del centro de la tierra de Km. y tienen un período órbital de 12 horas (Figura 2). El segmento espacial está diseñado de tal forma que se pueda contar con un mínimo de 4 satélites visibles por encima de un ángulo de elevación de 15º en cualquier punto de la superficie terrestre, durante las 24 horas del día, permitiendo tener la posición de un punto sobre la tierra tanto en su coordenadas horizontales como vertical (x,y,z) Los satélites transmiten constantemente en dos ondas portadoras. Dichas ondas portadoras se derivan de la frecuencia fundamental, generada por un reloj atómico muy preciso. Las portadoras son moduladas por códigos. Los receptores GPS utilizan los diferentes códigos para distinguir los satélites. Los códigos también son empleados como base para realizar las mediciones de seudo distancia y a partir de ahí, calcular una posición. El Segmento de Control El segmento de control está conformado por 4 antenas de tierra distribuidas entre 4 puntos y una estación de Control Maestro ubicado en Colorado Springs (Figura 3). En las estaciones se realiza el monitoreo de los satélites para realizar la corrección de los relojes atómicos de los satélites y trayectorias de estos.

4 El Segmento de Usuarios El segmento de usuarios son quienes pueden receptar las señales GPS con un receptor para determinar la posición. Fuentes de error Existen diferentes fuentes de error que degradan la posición GPS que pueden llegar hasta algunas decenas de metros. Estas fuentes de error son: 1. Retrasos ionosféricos ( ± 5 m) y atmosféricos (± 0,5 m) 2. Errores en el reloj del Satélite y del Receptor (± 2 m) 3. Efecto Multitrayectoria ((± 0.6 m) producido por reflejos de las señales de radio que no llegan directamente al receptor debido a obstáculos en la tierra como árboles, edificios grades Figura 4. ficies de agua entre otras. super 4. Dilución de la Precisión (DOP) es una medida de la geometría de los satélites. 5. Errores y/o imprecisiones en los datos obtenidos relativos a la orbita en la que se encuentran los satélites. (± 2.5 m) 6. Disponibilidad Selectiva (S/A). El Departamento de Defensa de los EE.UU. puede introducir errores aleatorios que pueden superar las decenas de metros. Fue eliminado a principios del año 2000 pero puede activarse en cualquier momento.

5 Posicionamiento Diferencial DGPS (Differential GPS) La finalidad del método DGPS es incrementar la precisión del punto de ubicación eliminando o disminuyendo los errores de la señal GPS. Se utiliza un Receptor de Referencia el cual esta ubicado sobre un punto de coordenadas conocidas, lo cual le permitiría calcular los errores con referencia a este y uno o varios receptores móviles que se ubican sobre el punto o puntos que deseamos obtener las coordenadas. El proceso consiste en encender al mismo tiempo el receptor de referencia y el receptor móvil. El receptor de referencia calcula los errores respecto a cada satélite y trasmite o registra correcciones hacia los receptores móviles para que puedan aplicarlas y mejore la poción calculada. Es obvio que si el receptor de referencia no observa los mismos satélites que el móvil no se podrá realizar DGPS. Las correcciones se envía por enlaces de radio para realizar la corrección en tiempo real, pero no todos receptores tienen los mecanismos electrónicos que le posibilitan hacer estos enlaces de tiempo real, por lo que es necesario realizar un post procesamiento en laboratorio, el cual consiste en bajar los datos recibidos por el receptor de referencia y el móvil a un computador y con el software adecuado realizar la corrección diferencial. DGPS actualmente se puede hacer con la información que envían satélites diseñados con este fin: EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) creado por la Agencia Espacial Europea, la Comisión Europea y Eurocontrol ; WAAS (Wide Area Augmentation System) desarrollado por Estados Unidos (no cubre América del Sur) y en Japón el MSAS. No todos los receptores GPS vienen con la posibilidad de recibir estas señales, generalmente los fabricantes incrementan su precio por esta posibilidad. Tipos de receptores Dependiendo de la precisión en general se puede clasificar a los GPS en 3 tipos: 1. Receptores geodésicos 2. Receptores topográficos 3. Receptores para navegación personal 1. Receptores Geodésicos.- Son receptores de doble frecuencia (L1, L2), con los cuales se puede obtener una alta precisión (al centímetro), ideal para trabajos de Geodesia, para definir redes y trabajos de ingeniería. Permiten DGPS. Su costo sobrepasa los dólares 2. Receptores Topográficos.- Son receptores de una frecuencia. Permiten DGPS. Nos dan una menor precisión (> 10 cm.) (Figura 5) 3. Receptores de Navegación Personal.- Son receptores de una frecuencia, se los puede llevar a mano. En general con estos equipos podemos obtener precisiones hasta de 3 metros.. (Figura 6)

6 Figura 5 Figura 6. Herramientas relacionadas En general los fabricantes de receptores venden su producto con el software necesario para manipular los datos de estos (bajar, subir, calcular distancias, etc.) o lo podemos bajar gratis de sus páginas Web, pero otros proveedores venden por separado el receptor y el software tal es el caso de la Compañía. Trimble. 3. APLICACIONES Las aplicaciones del GPS son inmensas y depende del técnico que la utilice por ejemplo un punto, para un biólogo puede representar la localización de alguna especie, para un geólogo el lugar de un tipo de formación, para un pescador un sitio de pesca, para ingeniero eléctrico la posición de una antena de telecomunicaciones, para un policía el sitio de un accidente, para un topógrafo los vértices de una manzana, para una empresa de transporte la localización de sus unidades, para un piloto de avión la localización de la pista de aterrizaje, etc. 4. PRACTICAS Objetivo General Recolectar datos en campo y desplegarlos en un Sistema de Información Geográfica (SIG). Materiales Receptor GPS etrex vista HCx Manual GPS etrex vista HCx Libreta de campo:

7 Programas Oziexplorer versión demo (bajar datos del GPS y exportarlos a formato.shp ArcGis) ArcGIS (Desplegar datos ) Algunas precisiones El receptor etrex Vista que se utilizará en la práctica es un navegador personal con una precisión menor a 10 metros y posee una brújula y un altímetro electrónicos que antes de ser utilizados deben ser calibrados (ver páginas 29 y 35 del manual). Para mayor información sobre el receptor ver página 45 del manual. El termino waypoint representa la localización de un punto. El software OziExplorer utilizado para bajar los datos del GPS y exportarlos en formato.shp de ArcView es un demo que puede ser bajado de la página por ser un demo tiene ciertas funciones limitadas pero funciona muy bien para los objetivos planteados de esta práctica. Con lo que aprenderá en las prácticas, podrá hacer trabajos como los realizados en un proyecto de delimitación de comunidades, actualización cartográfica de vías y ubicación de pequeños centros poblados a escala 1: realizado en las selvas del Ecuador (país sudamericano).para este trabajo se utilizó un receptor GPS marca Carmín modelo 12 XL cuya precisión es inferior a 15 m. que representa menos de 1/3 de un milímetro de la escala de trabajo. El personal que realizó la delimitación estaba conformado por dos miembros de la comunidad debidamente capacitados y un ingeniero geógrafo como coordinador. Para el trabajo se realizaron 4 procesos: Toma de puntos Toma de track (senderos) Bajada de datos del GPS y exportación a formato.shp de ArcView Edición de datos y realización de polígonos Las comunidades son representados cartográficamente por polígonos cuyos vértices en campo fueron levantados como puntos con el receptor GPS, el cuál nunca se apagaba ya que los Garmin 12XL siempre graban el recorrido del operador (TRACK) obteniéndose de esta manera los lados del polígono de las comunidades (Figura 7). Para la actualización de vías y localización de pequeños poblados se utilizaba un vehículo en el cual se ponía en la cabina frente al volante del chofer el receptor GPS, cuando se llegaba a un centro poblado este se marcaba con un punto, en la libreta de campo se anotaba la descripción del poblado y el nombre con que se lo graba en el GPS (Figura 8).

8 Los datos obtenidos en campo se bajaban al computador (Figura 9), luego se los exportaba a formato.shp de ArcView programa GIS en el cual se editan los datos y se dibujan los polígonos (Figura 10). Figura t Figura 8 PRACTICA 1 Marcado de puntos Figura 9 Lea la página 3 del manual de usuario del receptor GPS, que indica las funciones de los botones de su receptor GPS. Antes de comenzar cualquier trabajo debe configurar su receptor para que despliegue las unidades de acuerdo a las necesidades de trabajo además tiene que calibrar la brújula y altímetro que posee este:

9 Figura 10 Aplaste el botón MENU para ingresar a la pantalla de Menú Principal, luego con el botón INTRO/BOTÓN DE DIRECCIÓN seleccione CONFIGURAR MENU e ingrese a la pantalla que despliega esta opción, escoja la opción UNIDADES e ingrese a este submenú aquí, configure las unidades como usted desea que su receptor despliegue los datos. Utilice las instrucciones de las páginas 29 y 35 del manual del usuario del receptor para calibrar la brújula y un altímetro. En la página 7 del manual de usuario del receptor GPS encontrara las instrucciones de cómo marcar un punto, memorice estas instrucciones. Salga a un lugar abierto, encienda el receptor GPS, espere a que reciba la señal de al menos 4 satélites y luego siga algún sendero o camino y marque por lo menos unos 5 puntos de interés (poste, árbol, etc.). Para cada punto de interés llene la hoja de campo (monografía de puntos GPS) que encontrará en el anexo de este documento. Para visualizar los puntos que a grabado utilice las intrusiones BUSQUEDA DE WAYPOINT de la página 13 del manual del usuario. Cuando despliega los datos del

10 punto que a visualizado en la esquina inferior derecha existe un botón IR A o en inglés GO TO al aceptar esta opción el GPS desplegará la brújula del GPS con la flecha indicando el rumbo y dirección como llegar al punto desplegado desde su posición actual. PRACTICA 2 Edición y borrado de un punto Edite los puntos colectados en la práctica anterior, utilice el manual del usuario página 8, luego borre un punto según las instrucciones de la misma página PRACTICA 3 TRACKS (Grabación y borrado) El GPS tiene la función TRACK que nos permite guardar senderos una vez que el GPS identifica una posición. Lo primero que se debe realizar es configurar el GPS. Este proceso esta explicado en el manual en la página 17. Para esta práctica utilice método de grabación auto y como intervalo normal. Una vez que haya configurado su GPS salga a un lugar abierto y camine por algún sendero o camino diferente al realizado en la práctica 1, camine por lo menos unos 300 metros y regrese al lugar de partida utilizando un camino diferente, la idea es conseguir un polígono. Utilice las instrucciones del manual del usuario páginas 17 que indica como guardar el track completo. Aunque no realice la grabación del track según el método anterior el receptor gps mantendrá los datos del sendero en su memoria hasta que se llene, luego sobrescribirá los datos. PRACTICA 4 Bajada de datos 1. Instale el software MapSource que viene en el CD distribuido junto con su receptor. 2. Instale el programa OZiExplorer:

11 3. Ejecute el programa OZiExplore: Inicio Programas OziExplorer Oziexplorer. No escoja la opción Oziexplorer Trial ya que esta no permite bajar los datos del receptor GPS al computador. 4. Configure el software para bajar los datos del receptor GPS Garmin. File Configuration

12 5. Escoja en GPS Make Garmin y GPS Model vista y luego grave (SAVE) 6. Clic en la pestaña COM y realice un visto en Garmin USB y grave (Save)

13 7. En el MENU del software vaya a MAP y de un visto 8. Conecte el cable USB al GPS y al computador y encienda el GPS. En el MENU del Programa OziExplorer escoja GARMIN - Get Waypoints from GPS

14 9. En el MENU del Programa escoja GARMIN Get Track from GPS 10. Para exportar los datos bajados del GPS a formato de ArcView de un Clic en el icono SAVE - Export to ESRI Shape File Waypoints to points.

15 11. Cree una carpeta donde guardará los datos exportados y ponga un nombre adecuado a los puntos que esta exportando 12. Escoja los parámetros de exportación, Datum, Proyección TM, ZONA, etc

16 13. Para exportar los tracks del GPS a formato de ArcView de un Clic en el icono SAVE - Export to ESRI Shape File Tracks to Polylines y luego siga el mismo procedimiento que lo realizo para los puntos. Los datos exportados pueden ser ya vistos en Arview o ArcGIS Nota: Entre los datos exportados existe tres puntos que vienen por defecto grabados en su receptor y pertenecen a ubicaciones de diferentes lugares del mundo, por lo que los datos de su trabajo pueden esta bastante separados en relación a estos y al desplegar los puntos en ArcGIS puede crear dificultad de visualización. BIBLIOGRAFIA Trimble Cía. Ltda.(1999). CD Guía de operación del GeoExplorer 3. Leica,Geosystems AG.(1999). Introducción al Sistema GPS Garmín Cía. Ltda. (2007). Manual de usuario Serie etrex HC. Des Newman. (2007). Software OziExplorer Misnisterio del Medio Ambiente, Ecuador. Proyecto Gran Sumaco. (2007). Modelo de Monografía Para Puntos GPS.

17 ANEXOS HOJA DE CAMPO Monografías de Puntos GPS Proyecto: Cantón: Subcentro: Características del Punto: Nombre Punto: Fecha establecido: Establecido por: Coordenadas Geográficas (Datum ) Coordenadas planas (UTM Zona / Datum ) Lat.: Long.: h Este: Norte: Elevación: Croquis de detalle: Fotografía : Acceso: Observaciones:

18 Ejemplo de llenado Plan de Manejo Pueblo Kichwa de Rukullakta Cantón: Archidona Nombre Punto: GPS 1 Subcentro: RUKULLAKTA Fecha establecido: 16/02/2007 Características del Punto: Placa de bronce empotrada en losa del edificio de las oficinas de la cooperativa Rukullakta Establecido por: Norman Dávila Coordenadas Geográficas (PSAD56) Coordenadas planas (UTM Zona 18S / PSAD56) Lat.: 0º S Este: Long.: 77º W Norte: ASE: m Elevación: Croquis de detalle: Fotografía : B A Acceso: Partiendo en vehículo desde Archidona con dirección hacia Baeza por la vía llamada troncal Amazónica, A 300 m mas adelante de la gasolinera REPSOL, a la derecha se entra a un desvío, y luego de recorrer 5 min. Por éste Se llega al centro poblado de Rukullakta. Observaciones: 16/02/2007 Control, posicionamiento y ajuste de coordenadas. Sobre la losa de concreto está empotrada una placa de bronce marcada GPS 1.