MARCO TEORICO

GEOREFERENCIACION:

La georreferenciación o rectificación es un proceso que permite determinar la posición de un elemento en un sistema de coordenadas espacial diferente al que se encuentra. Existen por tanto dos sistemas de coordenadas: el sistema origen y el sistema destino. Este proceso es determinado con una relación de posiciones entre elementos espaciales en ambos sistemas, de manera que, conociendo la posición en uno de los sistemas de coordenadas es posible obtener la posición homóloga en el otro sistema.

La georreferenciación se utiliza frecuentemente en los sistemas de información geográfica (SIG) para relacionar información vectorial e imágenes raster de las que se desconoce la proyección cartográfica, el sistema geodésico de referencia, o las distorsiones geométricas que afectan a la posición de los datos.La georreferenciación queda definida por una función matemática del tipo:

X= f(x, y) Y= f(x, y)

Donde la posición de una entidad geográfica en el sistema de coordenadas destino (X,Y) es función de las coordenadas (x, y) que tiene ese elemento en el sistema origen. Para poder realizar una georreferenciación es necesario identificar sin lugar a equivocación puntos homólogos en los sistemas de coordenadas origen y destino, lo que permite calcular los parámetros de la transformación. Algunos de los factores que afectan a la calidad de la rectificación son el número de puntos homólogos identificados y la distribución de estos puntos en la superficie del mapa.

METODOS DE GEOREFERENSACION:

Para realizar una buena georreferenciación es necesario identificar los mismos puntos en los documentos y obtener las coordenadas en los dos sistemas. Cuando se trata de rectificar un documento escaneado, las coordenadas origen corresponden a los valores de la fila y la columna en la imagen raster. Cuanto mayor sea el número de estos puntos, mejor y más precisa puede ser la transformación matemática que obtengamos, permitiendo estimar los errores previsibles en los cálculos. Algunos de los nombres relacionados con estas transformaciones son los siguientes: transformación conforme, afín, o polinómicas.

La transformación conforme está compuesta por una traslación según el eje X, otra en el eje de las Y, un giro y un cambio de escala.

Una transformación de tipo afín permite calcular los mismos parámetros que la transformación conforme pero aplicando un cambio de escala diferente en el eje de las X y en el eje de las Y.

La transformación polinómica de grado superior a dos permite corregir distorsiones e imprecisiones de manera más exacta a cambio de distorsionar la apariencia del documento para adaptarse mejor a la geometría. Para determinar los parámetros de las transformaciones más sencillas suele ser suficiente de dos a cuatro puntos homólogos; la utilización de más puntos permite obtener una estimación de los errores. Las funciones polinómicas más complejas mejoran los resultados utilizando el mayor número posible de puntos. Las características que deben tener los puntos seleccionados para calcular la rectificación son las siguientes:

Deben ser claramente identificables en todos los documentos. Si es posible, se deben seleccionar elementos en los que se supone que por sus características se ha dibujado con la máxima precisión; por ejemplo, es de esperar que la situación de un faro sea más exacta en una carta de navegación que un elemento alejado de la costa y que no es visible desde el mar.

Los puntos deben corresponder con elementos fijos en el tiempo; por ejemplo, un banco de arena de una carta náutica es menos fiable que un islote de roca.

Los puntos deben estar separados unos de otros y estar homogéneamente distribuidos en todo el mapa.

Figura 1. Accuratissima totius regni Hispaniae tabula de "Atlas Maior" de Frederick de Wit (1707).

Fuente: Instituto Geográfico Nacional. Elaboración Propia.

EFECTOS DE LA GEORREFERENCIACIÓN EN LAS IMÁGENES.

Los SIG actuales permiten la visualización en pantalla de documentos georreferenciados sin que se produzcan distorsiones en la imagen; únicamente se transforman las coordenadas de manera interna al programa, de forma que cuando se intenta visualizar varios documentos al mismo tiempo o se almacena en alguno de los formatos habituales para imágenes, se producen deformaciones debidas a los cambios geométricos.

Figura 2. Accuratissima totius regni Hispaniae tabula de "Atlas Maior" de Frederick de Wit (1707). Rectificación polinómica de segundo grado.

Fuente: Instituto Geográfico Nacional. Elaboración Propia

Como resultado de la georreferenciación, el documento obtenido puede aparecer con un efecto difuminado o borroso en comparación con el documento original. Se puede plantear escanear los documentos a mayor resolución de la prevista en la imagen final, reduciendo así la degradación de la calidad. Como efecto de las modificaciones geométricas, los textos pueden tener deformaciones que dificulten su lectura.

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LOS DOCUMENTOS.

El objetivo de la georreferenciación de documentos de cartografía antigua es corregir una serie de problemas que producen errores en la posición de los elementos geográficos. En algunos casos de cartografía antigua, no es posible identificar el modelo geométrico de Tierra o la proyección cartográfica utilizada

para obtener el mapa. Por otro lado, existen errores y deformaciones en el papel original que producen que la escala no sea la misma en todas las direcciones, ni en todo el documento; este problema se puede ver incrementado cuando al digitalizar el documento no se han utilizado equipos apropiados.

Además hay que añadir los errores geométricos propios de los instrumentos y las técnicas que se utilizaron en su época para realizar el mapa. A nivel general podríamos considerar dos tipos de mapas a la hora de georreferenciar cartografía antigua:

En primer lugar, los documentos en los que en su realización se puede suponer que por la finalidad del mapa se utilizaron métodos y técnicas que garantizan una precisión homogénea.

En este tipo de mapas puede conseguirse una buena georreferenciación identificando tres o cuatro puntos homólogos. Para poder identificar estos documentos es conveniente poder disponer de información de cómo se realizó el proceso cartográfico. (Figura 3)

Figura 3. Planimetría de Miengo en sus anejos de Miengo, Barcena de Cudón, Cudón, Cuchí, Gornazo y Mogro, IGN (1926).

Fuente: Instituto Geográfico Nacional. Elaboración Propia.

Por otro lado, los mapas en los que la utilidad, finalidad, medios técnicos, o métodos utilizados en su realización no garantizan una precisión geométrica homogénea en toda la mancha del mapa1 . Para obtener una rectificación de calidad de este tipo de

documentos es necesario un número elevado de puntos homólogos, por lo que su georreferenciación precisa necesita mucho trabajo y es poco práctica a la hora de gestionar los fondos de una cartoteca o archivo. Por ello, puede ser recomendable una georreferenciación sencilla basada en la identificación de únicamente dos puntos homólogos; de esta manera, se evitan deformaciones en la imagen resultante. En el ejemplo de la Figura 1 se puede observar una serie de errores y problemática usual en este tipo de documentos:

o Hasta el siglo XVIII no se pudo determinar la longitud con facilidad y precisión, por lo que la cartografía histórica suele tener un error mayor en longitud que en latitud.

o Existen errores en la toponimia del documento. La ciudad de Santander aparece en el mapa con el nombre de S. Andreo.

o En el documento no aparece información, o es inexacta, sobre aspectos geométricos como la escala, proyección, tamaño y dimensión de la Tierra, etc.

o Errores introducidos de manera consciente o inconsciente por el cartógrafo por razones militares, políticas o culturales. Se observa que existe más detalle en la información que aparece en la Península y en las islas Baleares que en la costa de África.

o En el soporte original se observan pliegues y deformaciones.

LEVANTAMIENTO BATIMETRICO

La batimetría es el equivalente submarino de la altimetría, en el presente reporte se da una completa descripción de esta rama de la topografía, destacando su importancia, su origen y el desarrollo que esta ha tenido desde sus inicios en los que fue utilizada mediante instrumentos simples como piedras atadas con cuerdas o cordones con los cuales se medía la profundidad del mar y se conocía el relieve submarino, pasando por la fotogrametría, algunos de los métodos clásicos de batimetría hasta llegar a las nuevas tecnologías en las que se utilizan sistemas de localización satelital GPS equipados con ecosonda digital.

TÉCNICAS DISPONIBLES DE BATIMETRIA:

Conocer la profundidad de superficies bajo agua se obtiene midiendo el tiempo que le toma a una onda acústica, enviada desde un barco, viajar a través del agua hacia el fondo marino y luego volver al barco. Obtenido el tiempo de

regreso al barco que esta onda y conociendo la velocidad del sonido en el agua, se determina la profundidad a la cual se encuentra el fondo marino.

Se habla de batimetría monohaz cuando se emite un solo haz acústico y se obtiene la profundidad en un punto, de este modo, a medida que el barco avanza, se obtiene un perfil del fondo marino.La batimetría multihaz se utilizan varios haces de sonido, que forman una franja transversal a la navegación del barco generando una imagen del fondo marino en el área bajo el barco, a medida que éste se desplaza, se va completando el mapa batimétrico.Además de este tipo de obtención, cabe destacar otros métodos:

Batimetría fotogramétrica. Usado en aguas  poco profundas,  Batimetría por procedimientos fotográficos. Consiste en estudiar la

variación del espectro visible, con fotografias en diversas condiciones desde aeroplanos. Tambien es usada en aguas poco profundas. 

Batimetría mediante el uso de Láser. Esta cosnta de un sonar que funciona con láser, permitiendo determinar profundidades entre 2 y 30 metros, con errores promedio de un 1 metro como máximo.

Batimetría mediante Teledetección. Esta se obtiene con el uso de satélites como GEOSAT, LANDSAT, SPOT o RADARSAT.  Con el uso de ésta, se han determinados resultados bastante satisfactorios en mares poco profundos.

MÉTODOS DE CORTO ALCANCE:

El problema de la determinación de (x,y) consiste en replantear el perfil a ejecutar, o los puntos aleatorios que pretenden levantarse, y determinar las coordenadas de los puntos en los que se va a medir la profundidad. Los métodos que generalmente se han utilizado son:

Por medio de sextante: Es el método más antiguo, en desuso actualmente, a no ser que simplemente se quiera hacer una rápida aproximación. Este instrumento se utiliza para medir ángulos desde la superficie del barco, por lo que simplemente se puede utilizar en el caso de que desde la embarcación podamos ver tres puntos de referencia en la costa y conocer sus coordenadas planas. Se debe medir simultáneamente los dos ángulos que forman nuestro punto con los tres puntos de referencia visados obteniéndose las coordenadas de nuestro punto por intersección inversa. Este método es impreciso y en el mejor de los casos se puede llegar a los 10 segundos en la apreciación de una lectura, aunque lo normal es que esté en torno a los 30 segundos.

Método de bisección:Se necesitan dos teodolitos con sus operarios. La toma de datos en cada perfil se realiza desde dos bases: una (B1), generalmente coincidente con la propia del perfil, y otra (B2) desde la cual se intersecta la dirección del perfil posicionando el barco. La precisión de este método depende de varios factores, como son:

o La visibilidad, factor que siempre será un inconveniente importante a tener en cuenta.

o El error angular del aparato.o La sincronización entre los distintos operarios.o La geometría de la figura de intersección, que dependerá en gran

medida de la buena elección de las bases. Método de bisección con distancias.

Análogo al anterior en su procedimiento de observación y cálculo. La diferencia estriba en la instrumentación utilizada y en los datos empleados para el cálculo. Se sustituyen los ángulos por distancias, ya que en este método se utilizan distanciómetros, que proporcionan la distancia entre las bases y el barco. Estos instrumentos se basan en la generación de ondas y su análisis posterior, y trabajan en el espectro de la luz infrarroja. Son instrumentos electro- ópticos y normalmente alcanzan precisiones de 5 mm + 1 p.p.m., siendo la longitud de onda de 800 a 900 nm.Este método se ve limitado por dos factores:

o Alcance del distanciómetro, que oscila normalmente entre 1 y 5 Km. El alcance máximo de un distanciómetro viene determinado por:

La potencia de emisión de la fuente de radiación utilizada. Los prismas, la calidad de los mismos y el número de

prismas utilizados Las condiciones atmosféricas tales como la absorción,

radiación, refracción y dispersión, tienden a reducir la distancia máxima. Las que más afectan son, en este caso, la absorción y dispersión, ya que se trabaja en ámbitos costeros.

o La colocación de los prismas es muy importante, ya que la onda emitida por el distanciómetro tiene que reflejarse en el prisma y volver. Normalmente se equipa al barco con un gran número de prismas rodeando el punto donde se visa.

Por el método de polares con Estación Total: Es quizás el método más utilizado hoy en día en las batimetrías costeras, debido a su sencillez y precisión. Además, se ajusta bien a la mayoría de trabajos. Para la práctica de este método se precisa una estación total y su operario. La estación total es un instrumento donde está integrado un teodolito y un distanciómetro. La metodología consiste en orientar a la referencia, marcar el ángulo determinado para el perfil, y ejecutarlo. Los ángulos cenitales se toman respecto a unos prismas colocados en la posición de la sonda. El cálculo de las coordenadas (x,y) se realiza por el sistema de polares.

MÉTODOS DE MEDIO Y LARGO ALCANCE

Con estas técnicas se pueden alcanzar centenares de kilómetros.

Instrumentos de microondas:Son similares a los distanciómetros, pero con longitud de onda superior. Utilizan generalmente ondas de radio con una longitud de onda de 3 centímetros, aunque pueden variar entre 1 milímetro y 10 metros. De todos estos instrumentos el más utilizado es el telurómetro, muy útil en prospecciones marinas, aunque actualmente algo en desuso. El sistema del telurómetro consiste en la utilización de dos unidades idénticas. Cada elemento es una unidad completa y consta de todos los componentes necesarios para efectuar una medición: transmisor, receptor, antena, circuitos de medición y mecanismos de intercomunicación. Las unidades se centran sobre ambos extremos de la distancia a medir. Una de las unidades opera como “master” y la otra como “remote”. Las unidades son idénticas y por tanto intercambiables. Los sistemas de microondas miden la distancia inclinada entre los extremos de la línea por el método de comparación de fase. La onda portadora continua de alta frecuencia ( ≥ 10.000 ≤ 10.500 Hz) es modulada en frecuencia con una onda patrón de frecuencia inferior que varía entre 7.5 y 10 Mhz. Esta onda modulada es transmitida desde la unidad “master” a la “remote”. La onda portadora sirve para transportar la frecuencia patrón. Dado que su frecuencia es alta, es menos susceptible de ser afectada por dispersión, y, además, se requiere menos energía para su transmisión. Las frecuencias patrón proporcionan la necesaria calidad para conseguir mediciones precisas. Son generadas por la propia unidad y controladas por medio de cristales de cuarzo.

Loran-C:

Es un sistema de navegación hiperbólica de largo alcance, por impulsos de baja frecuencia. Al igual que todos los sistemas de navegación hiperbólica operan según el tiempo que tardan en recibir las señales de las distintas bases. El principio para la obtención de las coordenadas (x,y) del punto se basa en medir la diferencia de tiempo de la llegada de las señales procedentes de las bases al punto de observación. Mediante este tiempo y conocida la velocidad de la onda en el medio, se puede obtener el posicionamiento del punto receptor. Así pues los puntos de observación, quedan fijados por la intersección de dos o más hipérbolas cuyos focos son las estaciones fijas.

Omega:Este sistema proporciona posiciones en todo el mundo, con una exactitud nominal de una milla durante el día y dos millas durante la noche. Este sistema es un sistema global de ocho estaciones terrestres, situadas de tal forma que el usuario recibirá señales de al menos tres de ellas. Al igual que el sistema Loran-C, es un sistema de navegación hiperbólica de muy baja frecuencia, pero con la diferencia de que éste emplea diferencia de fase en vez de diferencia de tiempo. Esto hace que la ecuación de la hipérbola sea más exacta.

G.P.S:Es un sistema que utiliza los satélites norteamericanos de la constelación NAVSTAR, compuesta por 24 satélites. Para la navegación bidimensional, donde se conoce la altura y por lo tanto sólo se necesitan 3 satélites, se puede tener cobertura continua aunque con geometría mala en algunos períodos. Esta es una de las causas que lo hacen más aconsejable que el método anterior. El cálculo de las coordenadas utilizando el método de seudodistancias, exclusivo de la técnica G.P.S., consiste básicamente en la intersección de las distintas esferas que entren en el cálculo, con centro en los respectivos satélites y radio la seudodistancia obtenida.

MÉTODOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PROFUNDIDAD.

Los trabajos batimétricos necesitan compaginar los valores altimétricos de playa seca con los propiamente batimétricos. Existe una zona común que debe solaparse en una extensión al menos suficiente, de manera recomendable. Por esta razón, es usual en zonas con mareas, captar posiciones en tierra en bajamar y posiciones bajo el agua en pleamar. En trabajos con otro tipo de condiciones (mares sin carrera de marea significativa o lagos y embalses), resulta en todo caso necesario establecer el plano de referncia correspondiente.

La comprobación altimétrica está sustentada en la verificación de valores altimétricos en el estrán. Para la medida de las sondas los métodos utilizados son:

El escandallo. La sonda y datos del mareógrafo.

Nivelación trigonométrica

MÉTODO DEL ESCANDALLO.

El escandallo consiste en un peso suspendido de un cable o cadena marcada y calibrada. La posición se determina con cualquiera de los métodos explicados anteriormente, y los calados se miden fondeando el escandallo. El par posición-sonda, se establece mediante la coordinación tierra mar, de forma que cuando se realiza la lectura de la posición, al mismo tiempo se fondea el escandallo.

DETERMINACIÓN DE LA PROFUNDIDAD MEDIANTE SONDA Y DATOS DEL MAREÓGRAFO.

El instrumento que se utiliza se denomina ecosonda o sonar (Sound Navigation and Ranging). Consta de un emisor de ondas de sonido y de un receptor. Las ondas regresan tras reflejarse en el fondo o en algún cuerpo material. Las ecosondas pueden ser de destellos o de haz. Su tipología influye en los resultados que pueden obtenerse. Por ejemplo, la frecuencia de trabajo es una de las variables que intervienen: frecuencias altas, en torno a 200 KHz, provocan las reflexiones en materiales de baja densidad, esto es, fondos consolidados. En general resulta adecuado trabajar con frecuencias del orden de los 50 KHz, si bien la solución óptima estriba en disponer de ecosondas multifrecuencia, determinándose para cada trabajo la frecuencia más apropiada.

DETERMINACIÓN DE LA PROFUNDIDAD POR MEDIO DE NIVELACIÓN TRIGONOMÉTRICA.

Este sistema consiste en realizar topografía terrestre del fondo marino al obviar la medición correspondiente del nivel del mar. El sistema resuelve simultáneamente el posicionamiento en planta del punto en que se obtiene la medición de profundidad. El método se puede desarrollar con distintos equipos que son descritos a continuación.

Ecosonda. En el caso de que se disponga de una estación total es posible determinar la (h) a partir de una nivelación trigonométrica. Al hacer lectura angular a la cruceta del barco u otro punto considerado donde ubicar el prisma y calcular su distancia d se puede dar cota trigonométrica a la cruceta (Zc) a partir de la base. Como se conoce la altitud del punto visado respecto al nivel del agua H, la altitud de P puede determinarse con facilidad.Los datos incluidos en la figura están complementados con el ángulo cenital y con la distancia geométrica o reducida. Para la obtención de este valor es necesario ubicar el prisma en un lugar conveniente. En los trabajos usuales, se suelen situar en dos lugares de clara caracterización:

o En la cruceta de la embarcación, por su fácil accesibilidad y visibilidad.

o Sobre la propia sonda, dando continuidad con el valor a la verticalidad.

Profundímetro de precisión.

La Universidad Politécnica de Valencia, por encargo de la Dirección General de Costas del M.O.P.T.M.A., está desarrollando el "Estudio de la dinámica litoral y seguimiento de la Playa de El Saler (Valencia)". Este estudio pretende establecer sistemas para la cuantificación de los errores en los trabajos batimétricos y sus causas, así como elaborar un conjunto de recomendaciones para la mejora de las metodologías de trabajo. Ello llevó al diseño de un sistema que permitiese evaluar y determinar la fiabilidad de una batimetría ejecutada. Sucesivamente se desarrollaron dos equipos, de entre los que el segundo demostró mejores resultados, en cuanto a su concepción y funcionamiento (Serra et al., 1994). El segundo equipo diseñado y fabricado está formado por barras de aluminio de 2 a 4 metros de longitud. Las barras se engarzan entre ellas mediante tornillos pasantes con tuerca y contratuerca.Son barras huecas de aluminio, taponadas convenientemente a fin de que sean autoflolantes. Disponen de un pie pesado, de plomo, de forma sensiblemente cilindrica, articulado en el extremo inferior de la barra y que sirve de apoyo del conjunto en el fongo. En su extremo superior se aloja una corona en la que se roscan hasta siete prismas. La verticalidad de la barra se consigue por la propia flotabilidad de la barra.