Fundamentos y Aplicaciones de Topografía, Geomática y Sistemas de Información Geográfica

Conceptos Fundamentales de Geomática y Cartografía

Topografía: Estudio de los métodos para representar un terreno con sus detalles (naturales o artificiales), y el conocimiento y manejo de los instrumentos necesarios para ello.

Geodesia: Ciencia que estudia la forma, dimensiones y campo gravitatorio de la Tierra, así como sus variaciones en el tiempo.

Astronomía geodésica de posición: Método para obtener coordenadas geográficas mediante observaciones astronómicas.

Cartografía: Ciencia que estudia los métodos (proyecciones cartográficas) para representar en un plano la superficie curva de la Tierra.

Mapa: Representación plana de una parte de la Tierra que requiere sistemas espaciales de transformación debido a la curvatura del planeta.

Teledetección: Técnica de adquisición de datos de la superficie terrestre desde sensores en plataformas espaciales, basada en la interacción electromagnética entre el terreno y el sensor.

Fotogrametría: Conjunto de técnicas y ciencia para obtener medidas fiables (tamaño, forma y posición en tres dimensiones) de un objeto a partir de fotografías aéreas o terrestres, detectando previamente puntos sobre el terreno.

Geomática: Ciencia que gestiona la información geográfica mediante Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC). Abarca la adquisición, modelado, tratamiento, análisis y difusión de la geodesia, fotogrametría, teledetección, SIG e Infraestructura de Datos Espaciales.

Diferencias entre Fotografía Aérea Vertical y Cartografía

La fotografía contiene más información que la cartografía.
En la cartografía la información está jerarquizada por importancia; en la fotografía toda la información tiene la misma relevancia.
En la cartografía se pueden realizar mediciones; en una fotografía convencional no.
La fotografía es una proyección cónica, mientras que la cartografía es una proyección ortogonal.

Sistemas de Información Geográfica (SIG / GIS)

Cualquier sistema de información capaz de integrar, almacenar, editar, analizar, compartir y mostrar información geográficamente referenciada.

Propósitos de un SIG:

Organización de datos: Almacenamiento digital que reduce el espacio físico, evita el deterioro del papel y permite una rápida búsqueda de datos.
Producción de mapas: Herramientas completas para incluir escalas, leyendas, norte, textos y datos en 2D y 3D.
Consulta espacial: (Función más importante) Permitir preguntar por las propiedades de un objeto determinado o localizar los lugares que cumplen con ciertas propiedades.
Análisis espacial: Combinación de niveles de información mediante técnicas para evidenciar patrones.
Previsión: Verificación de escenarios modificando parámetros para evaluar cómo ocurrirían eventos naturales o artificiales bajo diferentes condiciones.

Altimetría y Métodos de Nivelación

La Altimetría comprende los métodos altimétricos, que son técnicas utilizadas en topografía para determinar las diferencias de altura entre distintos puntos del terreno.

1. Nivelación Geométrica (o por alturas)

Este método se basa en la comparación directa de alturas a través de una línea horizontal visual establecida mediante un instrumento de nivel, como un nivel automático, un nivel de burbuja partida o un nivel digital.

El procedimiento consiste en colocar un estadal (o mira vertical graduada) sobre el punto cuyo desnivel se desea conocer, y realizar lecturas desde el nivel en dos puntos consecutivos: el punto de respaldo (punto con cota conocida) y el punto de avance (punto por determinar). Restando ambas lecturas, se obtiene la diferencia de alturas. Esta técnica puede realizarse de forma compuesta, encadenando varias estaciones para cubrir distancias mayores, siempre asegurando la horizontalidad de la línea de visión.

Existen varios tipos de niveles utilizados para esta tarea, incluyendo:

Niveles automáticos pendulares: que estabilizan automáticamente el eje visual.
Niveles de burbuja partida: más tradicionales pero menos prácticos.
Niveles digitales y láser: que mejoran la precisión y eficiencia de las lecturas, algunos de los cuales son de segunda generación con capacidades electrónicas avanzadas.

La nivelación geométrica es muy precisa y adecuada para trayectos cortos o áreas planas, siendo común en obras de ingeniería civil y levantamientos topográficos de detalle.

2. Nivelación Trigonométrica (o por pendientes)

En este método, la diferencia de altura entre dos puntos se determina a partir de la medición de un ángulo vertical y una distancia inclinada, generalmente utilizando una estación total. Este método es especialmente útil en terrenos accidentados o cuando no es práctico instalar un nivel convencional.

Sin embargo, requiere aplicar correcciones por esfericidad de la Tierra y refracción atmosférica, ya que ambos fenómenos pueden distorsionar la línea de visión en distancias largas. Por ejemplo, a 2,000 metros de distancia, la corrección conjunta por esfericidad y refracción puede llegar a 0.264 m, y a 4,000 metros puede superar el metro (1.055 m). Algunas estaciones totales modernas ya incluyen automáticamente estas correcciones al realizar los cálculos.

GPS/GNSS

Ubica objetos con precisión métrica o centimétrica (diferencial). Se divide en tres segmentos:

Segmento espacial: Satélites GPS, GLONASS, GALILEO y COMPASS.
Segmento de control: 5 estaciones terrestres que calculan efemérides y relojes.
Segmento de usuario: Receptores que calculan posición (X, Y, Z) y tiempo.

Funcionamiento (Intersección de esferas):

El 1º satélite crea una esfera.
El 2º forma un anillo.
El 3º define el punto en la tierra dando latitud/longitud.
El 4º satélite calcula la altura sobre el nivel del mar.

Si fallan las distancias, las esferas no cruzan y no hay posición ni altitud.

Métodos de Posicionamiento: Intersección

El método de intersección en topografía es una técnica fundamental para la obtención de coordenadas de puntos desconocidos a partir de vértices con coordenadas ya conocidas. Su aplicación principal se basa en la densificación de redes topográficas existentes, permitiendo establecer nuevos puntos con coordenadas precisas para trabajos específicos donde las distancias entre puntos de orden superior son demasiado grandes. También se utiliza para verificar la exactitud de las redes o en trabajos preliminares de enlace a un sistema de coordenadas.

Clasificación de las Intersecciones

Las intersecciones se clasifican según diferentes criterios:

1. Según los datos previos del punto de estación:

Directa: La estación se realiza sobre un punto con coordenadas conocidas.
Inversa: Se determinan las coordenadas de la estación a partir de puntos conocidos.
Mixta: Combina aspectos de las intersecciones directa e inversa.

2. Según el número de observaciones:

Simple: Se realizan un número mínimo de observaciones para determinar el punto.
Múltiple: Se realizan observaciones redundantes para aumentar la precisión y verificar resultados.

3. Según el modelo de observación:

Angular: Se basan únicamente en mediciones de ángulos.
Angular más distancias: Combinan mediciones angulares y de distancias.

La intersección angular

Este tipo de intersección se enfoca en el cálculo de coordenadas utilizando exclusivamente mediciones angulares, típicamente desde dos o más puntos conocidos hacia un punto desconocido.

Metodología general de observación: Implica la preparación del terreno, la elección de los puntos de estación y visados, la materialización de los vértices y la planificación de las observaciones. Esto incluye la ocupación de los puntos conocidos con el instrumental topográfico y la realización de las lecturas angulares hacia el punto desconocido.

Intersección Directa Simple

El método de intersección se basa en principios geométricos simples, principalmente la triangulación. Si se conocen las coordenadas de dos puntos (P1 y P2) y se miden los ángulos desde estos puntos hacia un tercer punto desconocido (P3), se puede formar un triángulo y, mediante relaciones trigonométricas, calcular las coordenadas de P3.

Resolución Gráfica: Para determinar las coordenadas (XP, YP) de un nuevo punto P mediante intersección, se requiere al menos dos vértices de apoyo conocidos, V1(X1, Y1) y V2(X2, Y2). Se miden los ángulos (α1, α2) desde estos vértices hacia el punto desconocido P. El cálculo se realiza resolviendo un sistema de ecuaciones trigonométricas o utilizando fórmulas específicas derivadas de la geometría del triángulo formado.

Método Itinerario o Poligonal

El método itinerario o poligonal es una técnica topográfica fundamental utilizada cuando el área de trabajo es demasiado extensa para ser cubierta desde una única estación. Consiste en establecer una secuencia de estaciones (vértices) que forman un recorrido o «itinerario», desde las cuales se realizan las observaciones necesarias para el levantamiento o replanteo de la zona de influencia de cada estación.

Este método permite la conectividad y el control sobre un área amplia al establecer una red de puntos intermedios que sirven de base para trabajos posteriores o para la densificación de una red existente. Los itinerarios se clasifican principalmente según sus puntos de inicio y final, y según el sistema de observación.

Clasificación según los puntos de inicio y final:

Itinerario Encuadrado: Parte de un punto de coordenadas conocidas y finaliza en otro punto también de coordenadas conocidas. Permite controlar el error de cierre tanto angular como lineal, facilitando la compensación de errores.
Itinerario Cerrado: Se parte de un punto y se regresa al mismo punto de inicio. Permite también un control del error de cierre, aunque solo respecto al punto de partida.
Itinerario Abierto o Colgado: Inicia en un punto y finaliza en otro punto con coordenadas desconocidas. Es el menos fiable y el más susceptible a la acumulación de errores, ya que no ofrece un control de cierre para la verificación de la precisión.

Clasificación según el sistema de observación:

Itinerarios Orientados: Mantienen el acimut en todas las estaciones transportando la orientación inicial mediante la medición de ángulos y acimutes, asegurando que todas las observaciones queden referenciadas al mismo sistema de coordenadas.
Itinerarios No Orientados: No se conserva la orientación en cada estación de forma explícita; se miden los ángulos, las distancias, y la orientación general del itinerario se establece a posteriori o se basa en un acimut inicial de referencia.

Metodología general: Implica la medición de ángulos (generalmente ángulos horizontales en cada vértice de la poligonal) y distancias entre los vértices consecutivos. A partir de estas mediciones, se pueden calcular las coordenadas de los puntos intermedios, permitiendo a los itinerarios encuadrados y cerrados calcular y distribuir los errores de cierre angular y lineal para ajustar las coordenadas finales.

Método de Radiación

Es el más sencillo; se usa si todo es visible desde una única estación de coordenadas conocidas (o desde bases de una poligonal). Consiste en medir coordenadas instrumentales o polares (acimut, distancia, ángulo cenital) de los puntos de interés.

Datos a registrar: Acimut, distancia, ángulo cenital, altura del aparato (i), altura del prisma (m) y descripción.
En estadimetría: m = (Hs + Hi) / 2.
Fórmulas de coordenadas rectangulares:
- X del punto = X de la estación + (distancia * seno del Acimut)
- Y del punto = Y de la estación + (distancia * coseno del Acimut)

Metodología de Radiación:

Materialización y Reseña: Fijar el punto en el terreno y crear un documento con coordenadas, tipo de señal y referencias fijas para futuros trabajos.
Orientación: Establecer el origen del aparato hacia una dirección específica (arbitraria o con acimut conocido). No afecta el resultado, depende del operador.
Croquización y Nomenclatura: Indispensable hacer un croquis de campo proporcional, limpio y claro (a mano alzada) con numeración correlativa idéntica a la libreta. Debe incluir fecha, autor, información altimétrica y ser entendible por cualquiera (no usar el dorso ni abreviaturas).
Control por Referencias: Visar referencias al inicio para calcular la desorientación. Hacer controles sucesivos durante la toma; si la lectura varía más de la tolerancia por movimiento del equipo, se anulan los datos desde el último control.
Cálculo de Acimutes: Si el instrumento está orientado, las lecturas son directamente acimutes. Si está desorientado (origen arbitrario), la desorientación se calcula como: Desorientación = Acimut conocido – Lectura conocida. Los demás acimutes serán: Acimut del punto = Lectura del punto + desorientación calculada.

Teledetección y Levantamiento Topográfico

Teledetección

Técnica de adquisición de datos de la superficie terrestre mediante sensores en plataformas espaciales. Se basa en la interacción electromagnética entre el terreno y el sensor, generando datos que se procesan para obtener información interpretable de la Tierra.

Levantamiento Topográfico

Consiste en realizar la descripción detallada de un terreno concreto a través de un topógrafo, quien examina la superficie incluyendo tanto elementos naturales como artificiales. Con los datos obtenidos se trazan mapas o planos que describen las características del lugar y las diferencias de altura de los relieves.

Tienen una gran importancia en el desarrollo y construcción de infraestructuras; gracias a las nuevas tecnologías se logran mediciones y descripciones muy precisas. Un error en la toma de medidas o en la realización del plano tiene graves consecuencias, ya que una representación incorrecta de la realidad impediría ejecutar obras de forma segura en dicho terreno.

El Replanteo: Del Plano al Terreno

Replanteo

Operación inversa al levantamiento que consiste en llevar el plano al campo materializando en el terreno las coordenadas (X, Y, Z) de un proyecto. Se divide en planimetría (planta X, Y) y altimetría (cota Z respecto a la rasante).

Definiciones Técnicas:

Planta: Representación horizontal que puede usar un sistema absoluto (UTM o WGS84) o relativo (coordenadas locales).
Rasante: Cota proyectada del elemento.
Cota absoluta: Referida al nivel del mar.
Cota relativa: Referida a un origen arbitrario.
Cota roja: Diferencia entre rasante y terreno (positiva si la rasante es mayor, negativa si es menor). Indica cuánto subir o bajar y se marca en estacas, tochos o clavos.

Métodos de Replanteo:

Coordenadas polares: Calcula acimut y distancia desde una base (automático en estaciones totales).
GPS: El receptor guía al operario tras introducir la coordenada.
Bisección angular: Intersección de dos visuales midiendo solo ángulos desde bases conocidas para posicionar el punto (sin distancias).

Casos específicos:

Agropecuarios: Alta precisión, aparatos con precisión angular menor o igual a 5 segundos centesimales.
Jardinería y bancales: Menor precisión, bastan instrumentos de 20 segundos centesimales.
Alzado: Saca la cota del terreno para hallar la cota roja; en obras precisas (estructuras o pendientes menores al 1%) se exige nivel o equialtímetro.

Agricultura de Precisión 4.0 (AP)

Conceptos de AP

Métodos para gestionar cultivos y suelo de forma óptima mediante datos. Integra las TIC en todo el proceso para mejorar la eficiencia y rentabilidad. Usa GPS, SIG, sensores y mapas según el clima del terreno.

Tecnologías Integradas:

SIG: Analizan topografía, pendientes y vegetación para manejar la variabilidad espacial en riego y abono.
Drones: Toman imágenes para detectar enfermedades, gestionar el agua y crear mapas agronómicos por teledetección.
Sensores y estaciones: Miden humedad, temperatura y radiación en tiempo real. Analizan área foliar, biomasa, plagas y estrés hídrico sin contacto.
Maquinaria inteligente: Tractores autónomos y sembradoras que aplican dosis variables de insumos según el terreno.

Aplicación en el Archipiélago Canario

Es ideal por su relieve, suelos volcánicos y falta de agua.

Usos generales: Drones en plataneras de La Palma, Gran Canaria y Tenerife para reducir consumo de agua; topografía digital y SIG para diseñar terrazas contra la erosión; sensores en zonas áridas y viticultura para ajustar el abono según el suelo.
Tenerife: En el norte (La Orotava, Los Realejos) usan drones en plátano y aguacate para detectar plagas o falta de agua; en el sur usan riego automático por sensores de humedad. El ICIA y la Universidad de La Laguna crean modelos de predicción y análisis multiespectral.