Imagen 1. GNSS

Imagen 1. GNSS

1. Introducción

Hoy en día, conocer la ubicación de un punto en específico se ha vuelto más común de lo que pensamos; casos ordinarios como: cuando estamos perdidos y deseamos saber en dónde estamos, al pedir un taxi para que nos recoja en cierto lugar, al recorrer un trayecto guiándose por una ruta trazada, etc. En estos casos se suelen utilizar aplicaciones que son, en palabras simples, un mapa dando nuestra ubicación en el mundo y la de muchos sitios. Pero, ¿qué hay detrás de esto?, ¿qué es lo que realmente nos da esa información de la ubicación de un lugar?

Un sistema global de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) es una red de satélites artificiales, los cuales emiten señales que son utilizadas para el posicionamiento y localización en cualquier parte del planeta. Estos se encuentran a una altura de 20000 km orbitando alrededor de la tierra proporcionando un posicionamiento geoespacial global (García, 2008). El sistema mencionado permite precisar coordenadas geográficas de cualquier punto del mundo y a cualquier hora del día sin importar las condiciones del terreno ni las situaciones climatológicas.

La aplicación GNSS es usada con fines de navegación, transporte, geodésicos, hidrográficos, agrícolas y otras actividades afines.

Su estructura se divide en tres segmentos (García, 2008):

Espacial: Hace referencia a los satélites que forman el sistema de comunicación y navegación.

Control: Comprende a las estaciones ubicadas en la tierra que recogen la información de los satélites, las monitorean y les aplican correcciones de posición temporal y orbital para evitar errores.

Usuario: Corresponde a los equipos GNSS que toman las señales del segmento espacial y la mayoría tienen la capacidad de captar la señal de 12 o 20 satélites y así mejorar el posicionamiento del punto estudiado.

Diversos gobiernos utilizan dichos sistemas, los más usados en cuanto a la constelación global son (Manandhar, 2018):

GPS: Es de origen militar, gestionado por el departamento de defensa de los Estados Unidos. GALILEO: Sistema independiente creado por la Unión Europea en el 2016 GLONASS: Gestionado por las Fuerzas Rusas de defensa aeroespacial. BeiDou (Compass): Controlado y manejado por China

En cuanto a la constelación regional son:

QZSS: Sistema de navegación de Japón, usado desde el 2018. NAVIC (IRNSS): Sistema de navegación de la India, usado desde el 2018.

Centrándose en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS),el cual se creó en los inicios de los 70’s por Estados Unidos, aunque comenzó a funcionar a mediados de los 90’s proporciona información relevante sobre navegación (hora, fecha, velocidad y altura), posicionamiento y se encuentra disponible para todos los usuarios (GPS.gov, sf). El GPS utiliza una técnica matemática llamada trilateración, para su funcionamiento. También usa 24 satélites, 4 de ellos están en órbitas Meo, lo cual quiere decir que se encuentran a una altura de 20000 km e inclinados 55°: tres de ellos calculan la situación y uno la altura.

Dicho lo anterior, el objetivo de este informe es identificar y evaluar el error máximo que presentan los datos obtenidos con el GPS, ya sea máximo y/o mínimo, tomados en el campus de la Universidad Nacional y basados en tres tipos de geometría, para así determinar qué tan fiable son sus resultados.

2. Datos y Métodos

2.1. Zona de estudio

La zona en donde se llevó a cabo el experimento fue dentro del campus de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. La universidad, perteneciente a la localidad de Teusaquillo, se encuentra ubicada en la carrera 45 # 26 – 85; sus coordenadas geográficas son 4°38’08” N y 74°04’58” O, cuenta con una superficie total de 1.213.500 m2 lo que equivale a 121.35 ha y un área construida de 308.541 m2 (wikipedia, sf). En este campus se pueden encontrar grandes zonas verdes, conjuntos de edificios, zonas peatonales, un anillo vial, entre otros. De ahí que, que la zona escogida comprende áreas verdes, caminos del anillo vial, una cancha de fútbol, entre otros lugares fijos en el terreno ubicados más que todo en la parte noroccidente del campus.

Imagen 2. Ortofoto de la zona de estudio

Imagen 2. Ortofoto de la zona de estudio

2.2 Datos

Centrándose en la zona escogida, se tomaron 20 puntos, optando porque fueran intersecciones notables, cruces de vías, esquinas (lugares fijos) evitando así postes, señales de tránsito, árboles y carros debido a que estos no podrían estar a la hora de medirlos; 10 polígonos, zonas verdes con áreas más o menos grandes, y 5 líneas que midieran 500 m o más. Todos estos datos (geometrías) primero se tomaron como referencia de la digitalización de la ortofoto de Bogotá realizada en el programa ArcGIS y proporcionada en la página web de la IDECA (Infraestructura de Datos Espaciales para el Distrito Capital), la cual pertenece al año 2017, presenta una resolución (tamaño el pixel) de 0,075 m o 7,5 cm y un nivel de conformidad o exactitud de 0,15 m o 15 cm (Unidad Administrativa Especial de Catastro Distrital, 2017). Luego en campo los días 7 de noviembre de 2019 y 29 de enero de 2020 se utilizó el dispositivo Garmin GPSmap 64sc para la toma de los datos correspondientes.

Imagen 3. Garmin GPS 64sc usado en la toma de datos

Imagen 3. Garmin GPS 64sc usado en la toma de datos

20 Puntos

Imagen 4. Ortofoto de la zona estudiada: puntos

Imagen 4. Ortofoto de la zona estudiada: puntos

10 Polígonos

Imagen 4. Ortofoto de la zona estudiada: polígonos

Imagen 4. Ortofoto de la zona estudiada: polígonos

5 Líneas

Imagen 5. Ortofoto de la zona estudiada: líneas

Imagen 5. Ortofoto de la zona estudiada: líneas

2.3 Métodos

El Método utilizado para la evaluación de exactitud de posiciones fue el siguiente:

Diagrama de flujo del proceso llevado a cabo

Diagrama de flujo del proceso llevado a cabo

En el diagrama anterior se pueden observar los 7 procesos para llevar a cabo este trabajo, el P1 consistió en buscar en la IDECA la ortofoto de Bogotá, es decir, una presentación fotográfica aérea de la zona urbana en donde todos los elementos presentan una escala homogénea , de forma digital para poderlo descargar y así trabajar en ARCGIS; en el P2 una vez obtenida la ortofoto se hizo zoom en el Campus UNAL (escala 1:2000) y se procedió a señalar 5 líneas, 10 polígonos y 20 puntos con los requisitos mencionados anteriormente. Paralelamente el P3 consistió en tomar el GPS asignado y comenzar a medir por la universidad los objetos escogidos asegurándose de que cada objeto se guardara en su debida forma, para esto se utilizaron ciertas funciones para su registro como lo fueron mark y track. Lo que se hizo en P4 fue descargar los datos del GPS en el computador y convertirlos de formato .gpx a formato .shp, ya que este formato es manejable y más conveniente al momento de usar el programa QGIS; también se tuvo muy en cuenta el sistema de coordenadas planas MAGNA Ciudad de Bogotá (EPSG:102233) debido a que los datos del GPS vienen en el sistema WGS 84 (EPSG: 4326), donde sus coordenadas son geográficas, mientras que las coordenadas de la ortofoto son planas. Posteriormente, en el P5 se hicieron todas las correcciones geométricas pertinentes (pasar de puntos a líneas y de líneas a polígonos) en QGIS obteniendo así tres shapefile diferentes que fue lo que se hizo en P6, donde se guardó cada objeto en una capa diferente para continuar finalmente con el P7 que fue comparar la posición de los objetos de una forma cualitativa y cuantitativamente los puntos, líneas y polígonos de referencia con los puntos, líneas y polígonos del GPS. Algo que vale la pena recalcar en la evaluación cuantitativa, es que se usaron tablas de atributos con longitud, distancia y área, para así poder calcular el error o diferencia de resultados.

3. Resultados

3.1 Evaluación cualitativa

PUNTOS:

Imagen 6. Puntos de referncia en amarillo y puntos del GPS en rojo

Imagen 6. Puntos de referncia en amarillo y puntos del GPS en rojo

Como se puede observar a simple vista, la mayoría de los puntos tanto de la ortofoto (puntos amarillos) como del GPS (puntos rojos) coinciden, salvo el punto 1 en donde se nota claramente que estos dos resultados quedaron muy separados a comparación de los otros, no se sabe la real causa del porqué quedaron así, ya que no se caminó por ahí. Sin embargo, se piensa que fue un error al no saber bien cómo manejar el GPS al principio, debido a que era la primera vez que se usaba, posteriormente con la práctica fue más sencillo. Por otro lado, al mirar los puntos detalladamente se puede decir que los que quedaron mejor tomados con el GPS fueron: 4, 5, 8, 10, 14, 19 y 20 al quedar entre 1 y 3 metros alejados de los puntos amarillos de la ortofoto.

POLÍGONOS

Imagen 7. Polígonos de referencia en verde y polígonos del GPS en naranja

Imagen 7. Polígonos de referencia en verde y polígonos del GPS en naranja

Como se puede observar la mayoría de los polígonos tomados con el GPS (polígonos naranjas) quedaron encima de los polígonos de la ortofoto ( polígonos verdes), estos últimos no se alcanzan a ver muy bien; entre ellos los que más se acercaron a los de referencia fueron el G01, G03, G04, G05, G06, G07, G08 y G10. Mientras que el que se alejó un poco al de de referencia fue: G09, en este fue más difícil la toma de datos debido a que un lado del polígono se encontraba una zona con muchos árboles, lo cual le dificultó al dispositivo dar una ubicación más precisa. En cuanto al área, se puede observar que la de los polígonos G01 y G08 es menor a comparación de los polígonos G05 y G06 que presentan mayor área.

LÍNEAS

Imagen 8. Líneas de referencia en amarillo y líneas del GPS en rojo

Imagen 8. Líneas de referencia en amarillo y líneas del GPS en rojo

Como se ve en la ortofoto, las líneas quedaron bien salvo la 3, la cual no quedó encima de la de referencia totalmente, ya que se caminó con el GPS por el lado y no por donde se había trazado la línea en la ortofoto. Por otro lado, dirigiéndose hacia la línea 4 se puede observar que el trayecto finalizó en un sitio diferente al definido previamente en la ortofoto, esto fue debido a que el lugar en donde debía acabar la medición no era un punto sino una zona. En cuanto al largo de las líneas se ve que cumplieron con la longitud mencionada anteriormente, eso sí, teniendo en cuenta la escala.

3.2 Evaluación cuantitativa:

3.2.1 Puntos

Tabla 1. Comparación de resultados

Tabla 1. Comparación de resultados

La tabla 1 es la base para entender los resultados obtenidos con el GPS y la ortofoto. Al mirar por encima, se puede ver que las coordenadas finales planas tanto del GPS como la ortofoto son muy parecidos, salvo en P01 donde se comentó anteriormente que hubo problemas y se podría conciderar un valor atípico en comparación a los demás. Al analizar los resultados y ver más valores negativos quiere decir que hubieron puntos que se tomaron con el GPS más hacia el sur y oeste, teniendo en cuenta el plano XY, del punto de referencia. Como se puede ver, la diferencia en X y Y del mismo punto no supera los 6 m. El valor en el eje X del P17 fue el que más lejos se encontró del dato de referencia (5,043 m de diferencia), mientras que el valor en el eje Y del P07 fue el más lejano al de referencia (5,741 m).

Tabla 2.Error cuadrático medio XY al 95% y 39%

Tabla 2.Error cuadrático medio XY al 95% y 39%

Por otro lado, al evaluar los resultados del error medio cuadrático aproximado (RMSExy) como se muestra en la tabla 2 fue de 4,101 m, lo cual no está mal para el dispositivo GPS usado; el error máximo con probabilidad del 39% fue de 8,800 m. A pesar de que este valor fue pequeño, no es tan confiable, por esa razón se expresa el error máximo con probabilidad del 95%, el cual en este caso fue de 10,034 m. La interpretación de del valor RMSExy, quiere decir que el punto que se tome como referencia va a estar dentro de un radio de 4,101 m del punto GPS y la interpretación del RMSExy al 95% quiere decir que el punto de referencia va a estar dentro de un radio de 10,034 m del punto GPS.

Tabla 2a. Error cuadrático medio XY al 95% y 39% sin el punto 1.

Tabla 2a. Error cuadrático medio XY al 95% y 39% sin el punto 1.

Sin embargo, P01 al considerarse un punto atípico a comparación de los demás puntos que no pasan más de 6 m de diferencia, no se tendría en cuenta y al hacer los respectivos cálculos y obtener los resultados, como se muestra en la tabla 2a, el error cuadrático medio en XY arroja un valor de 2,739 m y este valor con una probabilidad del 95% da 6,702 m, lo cual este valor último indica que el punto de referencia va a estar dentro de un radio máximo de 6,702m del punto GPS.

3.2.2 Líneas

Tabla 3. Diferencia de longitud de las líneas de la ortofoto y del GPS

Tabla 3. Diferencia de longitud de las líneas de la ortofoto y del GPS

Al mirar las líneas, estas presentaron también una buena aproximación en cuanto a longitud. La tabla 3 muestra cómo se obtuvo la diferencia entre las dos longitudes a evaluar (ortofoto y GPS), resumiendo así que la diferencia máxima la presenta la línea 05 con un valor de -7,454 m y la diferencia mínima la presenta la línea 01 con un valor de -0,221 m. Cabe resaltar que los valores de diferencia entre longitudes están expresados negativamente, esto quiere decir que hicieron falta 7,454 m y 0,221 m para haber obtenido la línea 05 y 01 de referencia respectivamente. La diferencia entre longitudes si es negativa quiere decir que quedaron más cortas las líneas con el GPS y si son positivas quiere decir que se pasaron de la línea de longitud de referencia.

3.2.3 POLÍGONOS

Tabla 4.Resultados de áreas de polígonos y su respectivo cociente

Tabla 4.Resultados de áreas de polígonos y su respectivo cociente

En la tabla 5 se puede observar que el polígono que quedó mejor elaborado fue el P04 presentando un cociente entre áreas del GPS y de la ortofoto de 0,994 un valor muy cercano a la unidad indicando que el área es casi perfecta. Mientras que el P01 fue el que tuvo el cociente máximo con 1,290. Esto último se pudo deber a que el área no era tan grande (701,786 m2) a comparación de los otros polígonos y presentaba carros alrededor lo cual dificultó al momento de bordear el polígono causando así un aumento en su área.

4. Discusión

Según los resultados finales, se evidenció que la exactitud del GPS se encuentra dentro un rango aceptable. En el caso de la posición de los puntos, valió la pena realizar la comparación del RMSE con 20 puntos y 19 puntos, en este último se eliminó el valor atípico (P01), obteniendo así una clara evidencia de la diferencia que se obtiene al analizar un dato que no pertenece al rango de la mayoría. Esta observación se tiene que tener en cuenta al momento de hacer estadística y analizar un valor, ya que si no se elimina se estaría reportando un valor incorrecto. Referente al área y longitud, el GPS proporciona valores también muy parecidos a los de referencia, lo cual llega a generar confianza en la persona que lo utiliza como elemento de trabajo.

Lo que se aprendió con este ejercico y las recomendaciones que se dan en cuanto a la recolección y elección de datos es que para un próximo estudio: primero es necesario ir a campo y tener una idea de que lugares (puntos, caminos o áreas verdes) escoger, ya que no en todos los casos se encuentra actualizada la ortofoto y esto causa que la geometría escogida sin ir a campo previamente, se encuentre o no en la actualidad o que hayan construído algo ahí ocacionando su dificultad al momento de medir. Por lo tanto, es necesario escoger la ortofoto más actual e intentar trabajar en escala 1:2000, porque al hacer más zoom el mapa “colapsa” y no se ve nada, esto para ser más exactos a la hora de seleccionar cualquier geometría.

Considerando la parte teórica, es necesario tener conocimientos previos a programas como ArcGIS, QGIS y en el uso del GPS; en este caso se aprendió a usar un dispositivo GPS (lo básico y necesario para el estudio) y a digitalizar geometrías en ArcGIS. Una observación que vale la pena recalcar es estar atento a los pequeños detalles como lo son; el sistema de coordenadas, los tipos de formato, ya que al editar en QGIS Y ArcGIS toca en formato shapefile, las unidades manejadas y al momento de guardar todos los datos relacionados con el trabajo hacerlo en una misma carpeta. Por último, la información geográfica que nos entrega el sistema GNSS y GPS es de gran importancia, tanto para conocer la ubicación y posición de un sitio, persona u objeto en cualquier parte de la tierra como lo indispensables que son en temas de transporte, arquitectura, topografía, geomática, cultivos, entre otros. Cabe resaltar, que la información brindada por estos sistemas no es del todo precisa y comprenderlo es fundamental para evitar errores. Aspectos como: la posición de los satélites de referencia, el pequeño cambio de dirección de la señal satelital debido a la atmósfera, el efecto que genera los objetos alrededor del sitio de recepción de señal, etc, son factores que disminuyen la exactitud de los datos geográficos y al momento de usar el dispositivo GPS no se va a estar en el sitio en el que se cree, sino en realidad a unos cuantos metros del punto de referncia. Contar con este margen de error al realizar una medición permite que la variación de los datos no genere algún problema.

5. Conclusiones

Referencias