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Resumen
El presente artículo describe como los avances en la tecnología han tomado gran importancia en la topografía, contribuyendo principalmente a elaborar con mayor detalle y precisión los estudios y/o proyectos relacionados con el desarrollo de la infraestructura portuaria y costera, por ejemplo, los levantamientos topobatimétricos para el monitoreo de las variaciones morfológicas estacionales y/o anual de la línea y del perfil de playa.
Los equipos utilizados para realizar topografía, han pasado de ser equipos mecánicos – ópticos a equipos electrónicos con alta precisión, rapidez de lectura y mayor seguridad en los resultados. Y, aunque el uso de los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés) y drones han aumentado la velocidad y la precisión de la topografía, aún es necesario realizar la combinación de esta tecnología con los equipos tradicionales (estación total).
Introducción
La topografía se puede considerar como la disciplina que comprende todos los métodos para medir, procesar y difundir la información acerca de la superficie terrestre y nuestro medio ambiente, la topografía ha tenido gran importancia desde el principio de la civilización. Sus primeras aplicaciones fueron las de medir y marcar los límites y los derechos de propiedad.
Las actividades principales de la topografía se realizan en el campo y en gabinete. En la topografía en campo se llevan a cabo las mediciones y se recopilan los datos necesarios, y en la topografía en gabinete, se realizan los cálculos para dibujar en un plano una figura que se asemeja al terreno que se desea representar.
La topografía en la Ingeniería de Puertos y Costas (Figura 1), tiene suma importancia ya que constituye el punto de partida de diversos proyectos que requieren de la configuración del terreno y del fondo marino de zonas costeras para la elaboración de los proyectos de infraestructura portuaria y costera o para estudios donde se muestran los cambios periódicos en la morfología de la playa (erosión y/o avance de la playa).
Figura 1. Levantamiento topográfico de un perfil de playa.
En sus orígenes, los aparatos e instrumentos utilizados para realizar topografía (ver Figura 2), eran simples y llanos planos armados con algún material rígido y bien calibrado, con una mirilla al centro y sus respectivos objetivos. Con el paso de los siglos, dichos instrumentos se han ido perfeccionando tanto en materiales como en tecnología.
Figura 2. Antiguos instrumentos de mediciones topográficas.
En la actualidad, los avances tecnológicos han tomado gran importancia en la topografía, evolucionando los aparatos topográficos de equipos mecánicos – ópticos a equipos electrónicos con alta precisión, rapidez de lectura y mayor seguridad en los resultados. Ejemplo de esto, son las estaciones totales o taquímetros electrónicos donde se combina un instrumento de medición de distancias, un teodolito con un procesador electrónico de información y una computadora. Otro ejemplo son, los equipos GPS, que permiten determinar las coordenadas geográficas de puntos sobre la corteza terrestre con precisiones muy considerables en donde no se requiere intervisibilidad entre las estaciones de tierra.
Aunado a esto, la interacción de equipos y software especializados permiten a la topografía constituirse en el elemento indispensable para numerosas aplicaciones.
Caso práctico
Con el fin de hacer un comparativo de cómo los avances tecnológicos en el equipo topográfico han contribuido de manera importante en el desarrollo de la topografía misma, en el presente trabajo se consideraron los levantamientos topográficos realizados por personal del Instituto Mexicano del Transporte (IMT) en la playa El Palmar, localizada en Ixtapa, en el estado de Guerrero, México (Figura 3), con un sistema GPS de posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK, por sus siglas en inglés) y con un dron.
Para complementar dicha comparación, se consideraron dos levantamientos topográficos hipotéticos mediante el uso de teodolito y estación total. Dichas consideraciones fueron realizadas con base en la experiencia del personal del área de puertos y costas del IMT.
La playa en cuestión, tiene una longitud aproximada de 2.70 km, y un ancho promedio de 40 m libre de obstáculos. Se consideraron secciones transversales de playa a cada 20 m, con puntos a cada 5 m desde los límites de los predios, hasta una profundidad aproximada de 1.50 m, tomando como referencia el banco de nivel ubicado sobre la escollera Oeste del acceso a la marina Ixtapa.
Figura 3. Playa El Palmar, Ixtapa, Guerrero. Fuente: Google Earth (2017).
Caso 1: Teodolito.
El teodolito es un equipo mecánico-óptico que se utiliza para obtener ángulos horizontales y verticales. Dicho equipo es necesario complementarlo con otras herramientas auxiliares para medir distancias y desniveles.
Para llevar a cabo el levantamiento con este equipo y obtener una buena precisión, se consideró el uso de un distanciómetro acoplado al teodolito (figura 4) para medir las distancias entre puntos. Para optimizar los tiempos de trabajo en campo, se colocaron los equipos a la mitad de la distancia de la playa para no tener que desplazar los equipos a otra posición.
Figura 4. Distanciómetro acoplado al teodolito.
Para poder llevar acabo esto, se requiere como mínimo, la participación de tres personas: el topógrafo encargado de operar los equipos y dos auxiliares encargados de llevar las balizas, uno hacia la izquierda y el otro hacia la derecha respecto a la ubicación del equipo.
Se consideró el registro de puntos en secciones transversales de la playa, la información que se obtiene se va capturando de forma manual en una libreta de campo. El tiempo requerido para el trabajo de campo es de dos días (16 horas).
La precisión obtenida depende del tipo de instrumento utilizado, de la habilidad del observador, de las condiciones atmosféricas y de la longitud de las lecturas.
En gabinete mediante los principios de la taquimetría se puede obtener la ubicación y elevación de los puntos.
Caso 2: Estación total.
La estación total (Figura 5), mide de manera automática ángulos horizontales y cenitales, y, de manera simultánea, mide distancias horizontales, inclinadas y verticales, así como las direcciones. Dichas mediciones se pueden transmitir a la computadora integrada y almacenar en un recolector de datos que puede ser el propio del equipo y/o externo, eliminando de esta forma los registros manuales.
Figura 5. Estación total.
Para llevar a cabo el levantamiento, al igual que en el caso 1, se consideró colocar el equipo a la mitad de la distancia de la playa para no tener que desplazar los equipos a otra posición.
De acuerdo con este plan, se requiere de un mínimo de tres personas: el topógrafo encargado de operar el equipo y dos auxiliares encargados de llevar los prismas, uno hacia la izquierda y el otro hacia la derecha respecto a la ubicación del equipo.
La información que se obtiene se va registrando en la memoria del equipo y una vez terminado el levantamiento se descarga la información a una computadora portátil. El tiempo requerido para el trabajo de campo es de un día y medio (12 horas).
La precisión obtenida depende del tipo de instrumento utilizado, de las condiciones atmosféricas y de la longitud de las lecturas.
En gabinete, mediante el uso de software especializado, se puede obtener la ubicación y elevación de los puntos.
Caso 3: GPS con sistema RTK
El RTK (Figura 6), utiliza la tecnología de navegación por satélites junto con un módem de radio o un teléfono GSM para obtener correcciones instantáneas. Existen tres variables en relación a la precisión del levantamiento. En un primer caso, se ingresan a la base coordenadas X, Y, Z conocidas a partir de un banco de nivel. En un segundo caso, al no contar con dicho banco de nivel, se deja la base en observación por un periodo largo de hasta 6 horas para poder llegar a determinar con precisión las coordenadas del punto de referencia. Finalmente, en un tercer caso, se realiza el levantamiento y se ajusta con un post-procesamiento de los datos.
Figura 6. Equipo GPS con sistema RTK. A la izquierda está la estación base y, a la derecha, está el Rover.
La técnica de posicionamiento RTK se basa en la solución de la portadora de las señales transmitidas por los sistemas globales de navegación por satélites GPS, logrando que , con la precisión obtenida, se llegue al nivel centimétrico.
Esta técnica está dotada de un receptor con Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS, por sus siglas en inglés) y un módem de radiotransmisor. Cabe mencionar que, para su funcionamiento, se debe disponer de por lo menos una estación de referencia y conocer las coordenadas.
Para llevar a cabo el levantamiento, se colocó la estación base sobre el banco de nivel ubicado en el morro de la escollera Oeste de la Marina Ixtapa, y con el Rover se fueron registrado las coordenadas X, Y, Z de los puntos.
De acuerdo con este plan, se requiere de la participación de al menos una persona encargado de instalar la estación base y de llevar la baliza con el equipo Rover.
La información obtenida se va registrando en la memoria de la controladora y, una vez terminado el levantamiento, se descarga la información a una computadora portátil. El tiempo requerido para el trabajo de campo es de un día (8 horas).
En gabinete, mediante el uso de software especializado, se puede graficar la ubicación y elevación de los puntos en un plano georreferenciado.
Esta tecnología evidentemente presenta ventajas para realizar levantamientos topográficos en áreas costeras, ya que se puede ahorrar un tiempo considerable para el traslado del nivel, la velocidad para el registro de puntos y la ubicación de estos, en planos referenciados (trabajo de gabinete) cuando no se cuenta con un banco de nivel como referencia de partida.
Caso 4: Dron
Los levantamientos topográficos con el uso de una aeronave no tripulada, (también llamada dron), se realizan mediante la toma de fotografías aéreas georreferenciadas ( Figura 7). Un dron estándar puede llegar a cubrir en un día 100 hectáreas de terreno, mientras drones más avanzados llegan sin problemas a las 5000 hectáreas de terreno en un día.
Figura 7. Dron de ala fija
La información obtenida con el dron, es procesada mediante un software especializado para obtener un modelo 3D con resolución centimétrica y una precisión de hasta 1 cm. Entre sus principales ventajas destacan:
Cabe mencionar que, para realizar un levantamiento topográfico con este tipo de equipo, es necesario tener diferentes puntos de control. Para llevar a cabo el levantamiento con el dron, fue necesario ubicar 8 puntos de control a lo largo de la playa, mediante la colocación de lonas. De acuerdo con este plan, se requiere de mínimo la participación de dos personas para poder operar el equipo.
La información obtenida, se va registrando en la memoria del dron y una vez terminado el levantamiento se descarga la información a una computadora portátil. El tiempo requerido para el trabajo de campo es de medio día (4 horas).
En gabinete, mediante el uso de software especializado, se puede obtener un modelo de elevación digital y una ortofoto georreferenciada.
RESULTADOS
En la Tabla 1, se describe los requerimientos mínimos para realizar los levantamientos topográficos.
Tabla 1. Comparativa de requerimientos mínimos.
De acuerdo con lo anterior, se puede señalar que con el uso del teodolito y de la estación total, se requiere de mayor tiempo y personal para realizar un levantamiento topográfico, situación que se ve reflejada en costos mayores. Sin embargo, con el uso del RTK y del dron, prácticamente el costo asociado al tiempo de trabajo en campo y personal es el mismo.
Por otro lado, la eficiencia de los equipos se obtuvo a partir de la relación de los puntos registrados entre el tiempo requerido para el levantamiento, considerando una jornada de 8 horas/día. Los resultados se indican en la Tabla 2.
Tabla 2. Comparativa de puntos registrados en los levantamientos.
De acuerdo con la tabla anterior, se observa que el levantamiento realizado con teodolito es el menos eficiente, en cuanto a la propia ejecución de los trabajos. Por lo tanto, esta situación implica un aumento en los tiempos de los levantamientos y por consiguiente un aumento en los costos.
Con respecto a la densidad de los puntos registrados, los levantamientos con teodolito, estación total y RTK son muy pocos en relación a los obtenidos mediante el dron. Cabe mencionar que la densidad de puntos permite que los planos resultantes tengan mayor detalle en las configuraciones topográficas. En la figura 8, se indica una comparación de la nube de puntos obtenida del procesamiento del vuelo del dron, contra la densidad de los puntos obtenidos con el RTK, los cuales se muestran en color rojo.
Figura 8. Imagen comparativa de densidad puntos obtenidos con RTK en rojo y nube de puntos en el fondo obtenida con el Dron.
Conclusiones
Un levantamiento tradicional consigue determinar una serie de puntos que sirven para crear un plano preciso. Cuanto mayor número de puntos se obtengan, mejor será la interpretación o semejanza con la realidad del sitio donde se realizó el levantamiento.
Entre las limitantes del teodolito y de la estación total se encuentra la distancia máxima para las lecturas la cual va a depender de las condiciones climáticas y de la precisión de los equipos. En estos casos, se debe tener una línea de vista libre sin obstáculos, se requiere, de preferencia, un banco de nivel conocido con coordenadas X, Y, Z y la experiencia de un topógrafo que opere los equipos.
Por otra parte, entre las limitantes del sistema RTK se encuentran las zonas cubiertas, ya sea por vegetación muy densa o bien por estructuras como láminas, techos, etc., que no permitan que la base o el Rover reciban la señal de los satélites. Esto se debe a que, este tipo de sistemas, opera únicamente en áreas con cielo abierto ya que depende, en gran medida, del número de satélites que captan las antenas.
Entre las ventajas de usar este equipo es que, al no contar con un punto conocido ya sea banco de nivel o placa con coordenadas conocidas, se puede dejar promediando observaciones por un periodo de hasta de 6 horas, obteniendo así un dato 100% confiable para comenzar un levantamiento.
El Rover cuenta con una baliza de aproximadamente 2 m con lo que permite levantar la interfase tierra – mar hasta una profundidad aproximada de -1.5 m y así lograr una mejor conexión con la batimetría en el caso de requerirla, no requiere que haya línea de vista entre la base y el Rover, en casos donde la línea de vista es libre se pueden tener un alcance de hasta 7 km.
Entre las limitantes del uso de naves no tripuladas (drones), es que no se puede realizar topografía si hay presencia de agua, es indispensable contar con una serie de puntos de control para poder rectificar las imágenes aéreas, se requiere de permisos en áreas de vuelo restringido y condiciones climáticas extremas (viento mayor a 40 km/h y lluvia intensa).
Las principales ventajas del uso de los drones, son la rapidez con la que se puede cubrir áreas extensas y zonas de difícil acceso, la cantidad de puntos que se obtienen por levantamiento y que permiten realizar modelos digitales de elevación (MDE).
Con base en lo anterior, concluimos que los avances de la tecnología dentro de la topografía, ha permitido que ésta, se desarrolle de una manera más eficiente en menor tiempo, produciendo resultados de mayor cobertura, mejor calidad y por consiguiente menores costos de ejecución.
Sin embargo, para realizar levantamientos topográficos de muy buena calidad, aún es necesario el uso combinado de equipos tradicionales (estación total), con equipos de tecnología satelital (GPS – RTK) y equipos para la toma de fotografías aéreas (drones).
Referencias
1. Euler, H.-J., Seeger, St., Zelzer, O., Takac, F., Zebhauser, B.E. Improvement of Positioning Performance Using Standardized Network RTK Messages, ION NTM, San Diego, CA, January 26-28, 2004. 2. Reyes, M., Y Hernández, A. (2003). Tratamiento de Errores en Levantamientos topográficos. Instituto Nacional de Estadísticas, Geografía e Informática. México Pag 252-253. 3. Wübbena G., Bagge A.y Schmitz M., RTK Networks based on Geo++® GNSMART−Concepts, Implementation, Results. ION GPS−01, September 11 − 14, 2001. 4. Alcántara García, Dante A., Topografía y sus aplicaciones. Grupo Editorial Patria Cultural, México, 2014 5. https://es.slideshare.net/eliarosa/historia-de-la-topografia 6. http://topografiaula1.blogspot.mx/2013/11/historia-del-teodolito_17.html 7. http://www.pdatungsteno.com/2009/03/30/explicacion-tecnologia-costo-ventajas-sistema-a-gps/ 8. https://zcopters.com/2015/04/los-drones-y-la-topografia/ 9. http://stardrones.es/levantamiento-topografico-con-drones/ SEGURA David SERRANO Etelberto SERVÍN Dolores RENDÓN Camilo |
