REPORTE DE EXACTITUD POSICIONAL DE DATOS GNSS

Carol Nahomi Cabrera Amaya, Lizeth Katherine Castro Rodríguez

05 de febrero del 2020

1. Introducción

Con el avance de la tecnología y del tiempo se ha visto la necesidad de mejorar la forma en cómo se obtienen los datos de posición de un objeto, uno de estas tecnologías es el sistema GNSS o Global Navigation Satellite System. El GNSS es un sistema satelital que se usa para determinar la posición, velocidad y tiempo del receptor de un usuario en cualquier parte del mundo. Estos sistemas se componen de tres segmentos básicos base: segmento espacial^[1], segmento de control^[2] y segmento del usuario^[3], si alguno de ellos falta ya no se considera GNSS (García, 2008). Actualmente los sistemas GNSS más usados son: GALILEO, sistema independiente controlado por la Unión Europea; GPS, de origen militar, controlado por EE.UU; GLONASS, de origen militar, controlado por Rusia y BEIDOU, controlado por China (Garrido-Villén, 2014).

El sistema GPS es un servicio que brinda a los usuarios información acerca de posicionamiento, navegación y cronometría. Este sistema se caracteriza por tener 24 satélites activos que emiten señales unidireccionales que proporcionan la posición y la hora del GPS (segmento espacial). También por tener diferentes estaciones de seguimiento y control ubicadas alrededor del mundo (segmento de control), que mantienen los satélites en la órbita correcta (a través de maniobras de mando) y ajustan los relojes satelitales. Por último este sistema se apoya en el equipo receptor de GPS (segmento de usuario) que recibe las señales de los satélites de GPS y las procesa para calcular la posición tridimensional y la hora precisa (National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing, 2019). De modo que el propósito de este reporte es conocer qué tan confiables son los datos posicionales obtenidos a través de un receptor GPS, esto a través de la comparación entre los datos obtenidos de mediciones realizadas en campo con GPS y datos de referencia generados por medio de una ortofoto de Bogotá.

2. Datos y métodos

1. Zona de estudio

Para este trabajo se escogió el campus de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá ubicado en la carrera 45 en el barrio Teusaquillo. Actualmente el campus universitario cuenta con un área de 1’200.000 m2 (Somos campus UNAL, 2015) de los que se cubrió un cerca de 741.422 m2. El área trabajada corresponde a las zonas verdes de la universidad hacia el nororiente y algunos puntos en la parte occidental del campus, también se trabajó cerca a la plaza central de la universidad; principalmente se siguió el anillo vial para hacer más fácil la toma de puntos.

2. Datos

Figura 1. Ortofoto

Para la realización de este trabajo se utilizó la ortofoto de la ciudad de Bogotá del 2017 escala 1:2000 con error de 15 cm y con sistema de referencia de coordenadas MAGNA ciudad Bogotá, de la página del IDECA. En la ortofoto se localizó el campus de la Universidad Nacional de Colombia y se trabajó en el programa Arcgis para obtener una serie de geometrías de referencia (polígonos, líneas y puntos) que posteriormente se medirían en campo con un receptor GPS de la marca GARMIN® GPSMAP 64S, con sistema de referencia de coordenadas WGS84. 

Para la creación de las geometría de referencia se tuvo en cuenta que no estuvieran ubicadas muy cerca a edificios o árboles, ya que estos intervienen con la señal del GPS y puede afectar las mediciones en campo; el tamaño de los polígonos y largo de las líneas tenía que ser considerable para facilitar la medición y debido a que el error de medida aumenta.Para la selección de los puntos no podían ser árboles, carros o señales de tránsito ya que estos objetos no son fijos y la ubicación medida con el GPS sería errónea, por lo que se recomienda ubicar los puntos en intersecciones del anillo vial.

Posteriormente los datos obtenidos con el receptor GPS se procesaron en QGIS y se compararon con las geometrías de referencia creadas. Se realizó una comparación inicial cualitativa y luego se trabajaron los datos en excel para determinar qué tan exactas fueron las medidas.

3. Métodos

Se descargó la ortofoto de la ciudad de Bogotá (2017) de la página del IDECA (P1), posterior a esto, en el programa ArcGIS se dibujaron sobre la ortofoto las geometrías de referencia (polígonos, líneas y puntos) que se iban a medir con el receptor GPS (P2 y P3). Luego de digitalizar los objetos y de medirlos con el GPS, los nuevos datos obtenidos con el receptor se pasaron al computador (P4), en donde se separaron de acuerdo al tipo de figura, es decir, lo puntos en una carpeta, la líneas en otra y las líneas de polígonos en otra (P5). Una vez hecho esto en el programa QGIS se hizo la conversión de formato pasando los datos de GPS (.gpx) a shapefile (.shp) (P6), debido a la diferencia en el sistema de coordenadas se tuvo que reproyectar en al sistema de coordenadas MAGNA ciudad Bogotá de la ortofoto.

Después de esto, se editaron las líneas de los polígonos completando los huecos entre el punto inicial y final, hecho esto por medio de una herramienta en QGIS se paso de líneas a polígonos (P7) y se juntaron en una sola capa. Luego de hacer todo esto, se calcularon, en el caso de los puntos, sus coordenadas planas; para las líneas su longitud (en metros) y para los polígonos su área (metros cuadrados). Una vez obtenidos estos datos, se compararon con los resultados calculados de la ortofoto, para esta comparación se usó el programa Excel®.

3. Resultados

1. Evaluación cualitativa

Figura 2. Comparación entre los puntos de referencia y los puntos GPS

A simple vista se puede ver que la distancia entre los puntos de referencia y los puntos obtenidos con el GPS coinciden en su mayoría y se diferencian por 1 o 2 metros. Los puntos que parecen ser más precisos respecto a los de referencia son el 14, el 8, el 2, el 18 y el 20. Entre los más alejados están el 1, el 9 y el 15 que parecen estar a una distancia mayor a 4 metros.

Figura 3. Comparación entre las líneas de referencia y las líneas GPS

De forma general se puede ver que las líneas trazadas con el GPS coinciden bien con las líneas de referencia, también se ve que el largo entre ambas líneas es similar. A simple vista la línea que parece más alejada de la de referencia es la 2 que se trazó de forma diferente en los últimos metros

Figura 4. Comparación entre los polígonos de referencia y los polígonos GPS

Al igual que las líneas, los polígonos obtenidos con GPS mantuvieron una similitud muy grande con los polígonos de referencia. Se ve que en su mayoría la forma es similar a la dibujada y el área también es similar. Los más parecidos a los de referencia son el 3, el 9 y el 1,  mientras que los más diferentes son el 10 y el 7. Esta diferencia respecto a los de referencia se debe a las irregularidades del terreno que no permitían seguir un trayecto uniforme.

2. Evaluación cuantitativa

1. Puntos

Tabla 1. Comparación entre los puntos de referencia y los puntos GPS

Como se ve en la figura 2 los puntos coinciden bien con los de referencia (figura 2), sin embargo al realizar los cálculos correspondientes se ve que la diferencia entre algunas de los puntos en x es de cerca de 21 metros por delante (punto 9) y en otros es de 3 metros por detrás de la ubicación del punto (punto 10), lo que indica que una vez en campo ubicar los puntos de referencia se dificulto por la posición de los mismos.

En cuanto a la posición en y se tendió más a poner los puntos más abajo de su ubicación real, llegando a ubicar uno de los puntos 19 metros detrás de donde se debía (punto 1), en este caso el punto más cercano a su posición de referencia fue el 14 que se desplazó 0,7 de su ubicación (tabla 1).

Tabla 2. Raíz cuadrada del error medio cuadrático planimétrico (RMSE) del eje x , eje y, y ambos ejes, y Error máximo del GPS.

Al calcular los errores medios en X y Y entre los puntos de referencia y de GPS (tabla 2) se ve que cuando el error es del 30% o mínimo, la distancia promedio en la que se podría encontrar el punto es de 8,02 metros. Mientras que cuando el error es máximo o del 90% el punto puede encontrarse en un radio de cerca de 17,3 metros alrededor del punto marcado con GPS. Estas diferencias se pueden deber a la mala selección de los puntos a graficar y de los errores de campo.

2. Líneas

Tabla 3. Comparación entre las líneas de referencia y las líneas GPS

Las líneas trazadas se encuentran posicionadas geográficamente de forma más exacta que los puntos y los polígonos, además la diferencia de longitud entre las líneas de referencia y las trazadas con GPS no es muy grande (tabla 3). Por ejemplo la diferencia más grande ocurrió con la línea 4, en la que se sobreestimó la longitud real de la línea de referencia por casi aproximadamente 17 m como se puede ver en la figura 3. Por otro lado cuando miramos la diferencia mínima de longitud entre las 5 líneas trazadas se ve que la 5 fue la más exacta, siendo solo 4.614 metros más larga que la de referencia.

Estas diferencias se deben a que a la hora de dibujar las líneas de referencia sobre la ortofoto se sobreestimó su longitud en campo (el propósito era trazar líneas de minimo 300 m) y se trazaron líneas que a nuestro parecer cumplian con los requisitos, esto por no tener en cuenta la escala manejada por la ortofoto y error de medida del GPS.

3. Polígonos

Tabla 4. Comparación entre los polígonos de referencia y los polígonos GPS

En la figura 4 se puede apreciar que los polígonos obtenidos con GPS aunque tuvieron cierta precisión en su ubicación geográfica respecto a los de referencia presentan una diferencia de cerca de 400 m en el área (tabla 4). El poligono que quedó mejor representado, en cuanto a posición y tamaño fue el número 3 ya que al realizar la comparación cualitativa es el que menos diferencias presenta y el que más cercano estuvo al valor de 1 cuando se realizó la división entre los valores obtenidos (tabla 4).

El polígono que tuvo mayores diferencias fue el 10 pues se sobreestimó su tamaño al realizar la medida en campo. En este caso particular el área escogida para muestrear era irregular y no tenía una delimitación clara, lo que dificulto trazar el polígono correctamente.

4. Discusión

Cuando se hicieron las mediciones en campo de las diferentes geometrías pudimos ver que hay que ser más estrictos con la elección de los puntos de referencia para. Escogiendo lugares como esquinas o que sean fáciles de reconocer debido a que si se colocan en mitad de una cuadra como el punto 1 es difícil localizar su ubicación en campo. También se aprendió el correcto manejo de un receptor GPS, cómo marcar puntos, hacer líneas y polígonos, ya que al iniciar esta actividad no se contaba con el conocimiento necesario para trabajar con un dispositivo de estos. Adicionalmente se aprendió a procesar datos y a interpretar la información obtenida por medio de programas como Qgis y Arcgis, en los que se procesaron los datos del receptor (Qgis) y se crearon las geometrías de referencia (Arcgis).

En caso de que se pudiera hacer de nuevo el trabajo lo mejor antes de escoger los puntos de referencia sería revisar ya sea con Google Maps u otro programa el lugar a trabajar, para tener así una mejor idea de dónde ubicarlos y así evitar obstáculos como vías o parqueaderos en donde haya mucho movimiento, por ejemplo muchos de los polígonos escogidos tenían un difícil acceso debido a los carros y árboles que habían. También se debe considerar el tamaño de las geometrías de referencia dibujadas pues eran muy grandes (ocupaban en campo hasta 4 m2) y esto dificulto la identificación del lugar exacto, además poner un nombre de referencia o palabra clave que facilite su identificación. Si se usa una imagen en en vez de un mapa debería incluir las direcciones de calles o avenidas y una rosa de los vientos que facilite llegar a los puntos seleccionados.

En cuanto al funcionamiento y calidad de los datos obtenidos por medio de GPS es posible afirmar que si el trabajo en campo se realiza de forma adecuada los resultados tendrán errores muy pequeños y serán datos muy confiables. De forma general los sistemas GNSS son una herramienta muy importante para la realización de proyectos y obras gracias a que muchos de estos tienen una constelación de satélites grande que orbitan el planeta, así como muchos puntos de control en tierra que están vigilando constantemente el buen funcionamiento de los satélites. Aunque algunos no son de fácil acceso, son sistemas que han cambiado la forma de hacer las cosas y han permitido mejorar la información y los resultados de las investigaciones que se realizan.

5. Conclusiones

• Es muy importante primero realizar la digitalización de los polígonos, líneas y puntos de referencia para que al momento de medirlos y posicionarnos con el GPS no se pierda tiempo y se comenten menos errores que afecten los datos obtenidos. También, es conveniente que el tamaño de los puntos dibujados no sea tan grande para que al ubicarlos con el receptor sean más precisas sus coordenadas planas y su error más bajo.
• Los sistemas GNSS suministran una información confiable (si se realiza la medición de forma ordenada y correcta) y aunque tienen una probabilidad de error alta permite crear un perímetro en donde posiblemente estén los datos de interés. Y son una herramienta de fácil acceso y manejo (para el caso de GPS) de la que si se conoce el error aproximado puede darnos datos de buena calidad.
• Los puntos de referencia y los puntos GPS tuvieron un error mínimo de 8,081 metros y un error máximo de 17, 29 m, que aunque indica que los datos no son confiables se deben a que muchos de los puntos los ubicamos erróneamente hasta 20 metros del punto seleccionado, pero respecto a los puntos que estaban mejor ubicados estos tenían errores entre 2-6 metros, que son valores normales si se realiza bien la medición. Las líneas trazadas con GPS fueron las más parecidas a las de referencia tanto en tamaño como en ubicación. Los polígonos quedaron muy similares a los de referencia, teniendo también un área similar. La calidad de los resultados se debe probablemente al tamaño de los objetos a medir pues era más sencillo determinar su ubicación.

Referencias

Somos campus, universidad Nacional de Colombia (UNAL), (2015). Proyecto de arte participativo, nuestro campus nuestro compromiso. Consultado en: http://somoscampus.unal.edu.co/nuestro_campus_nuestro_compromiso.html

García, D. 2008. Sistema GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM). http://arantxa.ii.uam.es/~jms/pfcsteleco/lecturas/20080125DavidGarcia.pdf

Garrido-Villén, N. 2014. Receptores para Topografía y Geodesia. https://nagarvil.webs.upv.es/receptores-gnss-receptores-gps/

National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing. 2019. The Global Positioning System. https://www.gps.gov/systems/gps/