Equipos Topográficos empleados en la Planimetría

La evolución de los instrumentos de topografía y los equipos topográficos ha sido especialmente rápida en los últimos 20 años. Hasta los años 80 se usaron las brújulas taquimétricas, los teodolitos y los taquímetros casi exclusivamente.

Todos ellos son instrumentos óptico‐mecánicos para la medida de ángulos y distancias, y se basan en giros y movimientos de círculos graduados combinados con un anteojo para visar el objeto.

Estos instrumentos, junto con mediciones en elementos auxiliares como las miras, no permitían alcances largos, y la precisión en la estimación de distancias era baja.

A principios de los años 80 surgen los distanciómetros, instrumentos auxiliares que se acoplaban a los taquímetros basados en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas que se generaban en el propio instrumento y que medían la distancia con precisiones de cm y alcances de varios km.

Al poco tiempo estos aparatos se compactaron en un único instrumento de medida angular (el teodolito o taquímetro) más el instrumento para medir distancias (distanciómetro), constituyendo las estaciones totales, que siguen vigentes para mediciones en ingeniería.

Instrumentos Topograficos

La siguiente revolución, y la más profunda de todas, fue el GPS, que comenzó con costes muy altos y bastantes incertidumbres en la medida, pero que hoy en día es imprescindible. Hay que distinguir entre el GPS del tipo navegador, que es el usado para aplicaciones de gama baja, y el GPS de tipo geodésico o topográfico, con aparatos y configuraciones mucho más precisas y sofisticadas.

Por último, la última generación de instrumentos y equipos topográficos la constituyen los escáneres basados en láser, que realizan una medición simultánea de las tres coordenadas del objeto, y por tanto pueden ser utilizados desde el aire, para obtener un modelo digital de elevaciones del terreno de gran exactitud; o desde tierra, para levantamientos de elementos arquitectónicos o de gran detalle.

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Equipos Topográficos empleados en la Planimetría

Sistema GPS en Topografía

Todos los trabajos de campo necesarios para llevar a cabo un levantamiento topográfico, consisten en esencia en la medida de ángulos y de distancias.

En ciertos trabajos puede ser suficiente medir sólo ángulos, o sólo distancias, pero, en general, suele ser necesario medir ambas magnitudes con equipos topográficos. En algunas operaciones elementales de agrimensura puede bastar con medir ángulos rectos, utilizando las escuadras y las distancias con cintas metálicas. Pero en general, este tipo de mediciones no gozan de la suficiente precisión.

En topografía la medida de ángulos se hace con instrumentos llamados
genéricamente goniómetros y la medida de distancias se hace por métodos indirectos (estadimétricos) o más recientemente por métodos electromagnéticos (distanciómetros electrónicos).

Los ángulos a medir, pueden ser horizontales (acimutales), los cuales miden el ángulo de barrido horizontal que describe el aparato entre dos visuales consecutivas, o verticales (cenitales), que miden el ángulo de inclinación del anteojo al lanzar una visual a un punto concreto.

Equipo topográfico GPS

Se van a dar seguidamente una serie de nociones sobre el sistema de posicionamiento global GPS (Global Positioning System), ya que a nivel topográfico tiene importantes aplicaciones. Este sistema basado en el uso de satélites artificiales y receptores específicos, se puso en funcionamiento en el año 1973 por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, lanzándose el primer satélite en febrero de 1978. Se halla totalmente operativo desde 1994.

Se habla de tres sectores fundamentales del sistema GPS:

GPS de alta precisión para topografia

Sector Espacial: formado por la constelación de satélites NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranking), organizado por 24 satélites distribuidos en seis órbitas casi circulares con cuatro satélites cada una. La altitud de los satélites es de unos 20.200 Km. Toda esta constelación está pensada para que exista cobertura a cualquier hora del día y en cualquier lugar del mundo. Los satélites transmiten señal de tiempos sincronizados, los parámetros de posición y la información de su estado.

La señal emitida por los satélites la emiten a través de antenas emisoras que funcionan en la banda L del espectro y éstas son las que recibimos en nuestros receptores.

Una cuestión importante en este sistema es la medida precisa del tiempo.
Los satélites llevan varios osciladores de alta precisión, que dan medidas del tiempo del orden de 10-14.

GPS para topografia

Sector Usuario: compuesto por un conjunto de aparatos que sirven para recibir y almacenar la señal emitida por los satélites y calcular en base a estos datos la posición en la que nos encontramos. Se compone de varios elementos, entre los que destacan la antena, el receptor y el terminal o unidad de control. A través de la antena se reciben y amplifican las señales de los satélites. El receptor recibe la señal y la decodifica, transformándola en información legible. La unidad de control manejada por el usuario muestra la información calculada y almacena todos los datos para posteriores aplicaciones.

GPS de precisión topografía

Sector de Control: formado por cinco estaciones de seguimiento en Colorado Springs, Ascensión, Diego García, Kwajalein y Hawai. La principal misión de estas estaciones es la sincronización del tiempo de los satélites. Además realizan el seguimiento continuo de los satélites, calculan su posición precisa, corrigen las órbitas si es necesario, …

GPS de precision milimetrica

Para localizar la posición de un receptor, el sistema debe calcular al menos tres distancias a tres satélites. Estas distancias pueden medirse por pseudodistancias o por medidas de fase. El primer método utiliza la diferencia de tiempos entre la emisión de la señal por el satélite y la recepción de la misma en el receptor. Esta diferencia de tiempo multiplicada por la velocidad de propagación de la señal nos permite calcular la distancia. Aquí la sincronización de los relojes es fundamental.

En el segundo método se utiliza el desfase de la onda portadora respecto de una señal de referencia generada por el receptor. Este método obtiene una mayor precisión que el de la medida de la pseudo-distancia.

Pero, además es importante tener en cuenta que todas las observaciones con GPS están sometidas a diversas fuentes de error, unos provenientes de los satélites (variaciones orbitales, errores del oscilador de los relojes), otros cuyo origen es el propio receptor (errores del oscilador, errores en coordenadas) y errores derivados de la observación (retrasos ionosféricos y troposféricos, ondas reflejadas…).

Estos errores se intentan minimizar utilizando equipos de altas prestaciones y métodos de observación adecuados.

Tipos de equipos topográficos GPS

En cuanto al tipo de posicionamiento en el sistema GPS, se habla de dos grandes modalidades:

• el posicionamiento absoluto y
• el posicionamiento diferencial.

En el primero se calcula la posición de un punto usando las medidas de pseudodistancia, llegando a precisiones que en topográfica pueden considerarse mediocres (de 3 a 5 metros). En el segundo, intervienen dos o más instrumentos GPS, existiendo un equipo de referencia fijo y uno o varios equipos móviles.

Con el método diferencial se eliminan muchos de los errores propios de la observación GPS (retardo ionosférica, retardo troposférico, error en efemérides, error del reloj del satélite).

Además, dentro de este tipo de posicionamiento existen diversos métodos de trabajo: estático, estático rápido, cinemática, stop and go…. Para determinar el uso apropiado de cada uno de ellos, se remite a la bibliografía especializada.

Equipos GPS para levantamientos topográficos

Además de contar con un buen equipo GPS, es recomendable tener un buen sistema de planificación de las observaciones y disponer del software necesario para el tratamiento de los datos, tanto en tiempo real o en postproceso.

Es conveniente también tener en cuenta que la constelación de satélites NAVSTAR no es la única que existe. El Gobierno ruso implantó en 1993 el programa GLONASS, también formado por 24 satélites, pero en tres planos orbitales.

El sistema GLONASS ha presentado y presenta muchas deficiencias, y nadie confía en que a medio plazo pueda mejorar significativamente. Pero actualmente hay receptores GPS que se alimentan de señales de ambos sistemas, lo que da, en principio, mayor solidez a las observaciones.

Actualmente, por iniciativa europea, se está desarrollando el sistema GALILEO, que pretende satisfacer las necesidades de la comunidad civil mundial. Desde 1999 el sistema está liderado por la Unión Europea y por la Agencia Espacial Europea y se pretende que esté totalmente operativo en el año 2008.

Se presenta como un sistema independiente del sistema GPS y GLONASS, pero a la vez complementario, ya que los futuros receptores y aplicaciones con toda probabilidad se beneficiarán de la posibilidad de utilizar todos los sistemas de navegación disponibles.

Equipos Topográficos

Los instrumentos ‘clásicos’ o equipos topográficos medían básicamente ángulos, distancias y desniveles, y por tanto, coordenadas polares que pueden transformarse en cartesianas.

Se trabajaba en un sistema plano y particular de coordenadas, siempre que las dimensiones del levantamiento o del trabajo no implica en deformaciones por curvatura terrestre. Como ya se ha dicho, la tendencia actual consiste en utilizar el GPS, tanto en levantamientos como en replanteos, que mide directamente coordenadas sobre el elipsoide (geográficas latitud y longitud) y que se transforman de forma rutinaria en proyectadas (X,Y) UTM.

El problema, no obstante, es que los GPS de tipo geodésico o topográfico, que determinan coordenadas con precisiones del orden de cm o mm, tienen un precio elevado y requieren al menos dos equipos ‐o un equipo con posibilidad de admitir correcciones directas o post‐ proceso.

Sobre la elección de receptores GPS se hablará en el tema siguiente. Los instrumentos del tipo taquímetro o estación total siguen siendo útiles para trabajos de levantamientos o replanteos, así como los niveles para la obtención de desniveles, perfiles y transferencia de cotas, muy típicos en el ámbito de la ingeniería rural y agrícola. Por su relevancia en este contexto, se describe a continuación el nivel y sus aplicaciones en levantamientos altimétricos.

Teodolito

Teodolito es el aparato o equipo topográfico que reúne en un mismo montaje un sistema óptico–mecánico capaz de medir ángulos horizontales y verticales. Al estar construidos para medir básicamente ángulos, éstos los miden con mucha precisión.

Si el retículo del anteojo dispone de hilos estadimétricos para medir distancias, se le denomina taquímetro o teodolito-taquímetro. A la vez estos pueden ser ópticos o electrónicos, en función básicamente de la forma en que miden y presentan los ángulos.

Estacion total

Si a los Teodolitos y Taquímetros electrónicos se les incorpora un sistema para medir las distancias por algún sistema electromagnético, se empieza a hablar ya de Estación Total. Además, estas Estaciones suelen incorporar programas internos para almacenamiento de datos, replanteos, superficies, etc., y tienen sistemas para transferir de forma semiautomática los datos almacenados a un ordenador.

Estacion total topografia

En el caso de equipos de topografía, es muy frecuente la necesidad de hacer una comparación entre uno y otro modelo, sea de la misma marca o de la competencia. Cada empresa incluye un detalle de sus productos, pero hacer tablas comparativas es una tarea complicada.

Marcas de estacion total

• Topcon: Las estaciones totales Topcon son una marca muy conocida que sin duda tiene modelos desde los más económicos hasta los más completos.
• Sokkia: Una buena marca aunque quizá poco conocida fuera de este tipo de instrumentos, tienen productos de buena calidad con un precio normal.
• Leica: Cada estación total Leica es señal de buena calidad a buen precio, una buena opción para cualquier uso.
• Nikon: Marca súper conocida en el sector de las cámaras, al igual que en ese sector lo hacen bien también en el de estos productos.
• Trimble: Una marca menos conocida pero con un buen precio y diseños muy competitivos, es conveniente revisar todos los modelos antes de realizar la compra.

Tipos de estacion total

Podemos diferenciar tres tipos de estaciones totales a la hora de dividirlas entre sí, generalmente se diferencian en su tecnología:

• Convencional: También conocida como estación electrónica tiene una pantalla electrónica pero esto no quiere decir que lo haga todo sola ya que se necesitan los prismas reflectantes para usarla. Uno de sus puntos débiles es quizá que no resiste bien la lluvia por lo que las inclemencias del tiempo la hacen débil, no es apta para climas de norte ¿Eh?
• Con GPS: Sin duda el GPS nos ha cambiado a todos la vida; desde drones hasta cualquier otro invento que se basa en esta tecnología nos permite que los controlemos sin estar presentes. En el caso de la estación total no es diferente, podemos controlar nuestro instrumento sin estar presentes en el mismo sitio. ¿La contrapartida? La cobertura…no funcionan bien en sitios interiores, bosques con muchos árboles…ya sabes, todo no se puede tener.
• Robótica: Estas son quizá las más completas porque permiten medir a gran distancia y con una gran precisión a la vez que captan imágenes, sin duda hoy en día son las mejores. Otro punto importante es que no pesan nada y son súper resistentes, cosa importante en obras y demás jaleos…

Nivel topografico

Son instrumentos dedicados a la medida directa de diferencias de altura entre puntos o desniveles. Su misión es lanzar visuales horizontales con la mayor precisión posible.

Clasificación:

• Niveles de plano: Estacionado el aparato, su eje de colimación describe un plano horizontal en su giro alrededor del eje principal.
• Niveles de línea: En cada nivelada hay que nivelar el aparato.
• Nivel automático: Niveles de línea de horizontalización automática.

Otra clasificación, según la precisión:

• Niveles de construcción y pequeña precisión, utilizados en obras públicas, hidráulicas y agrícolas.
• Niveles de mediana precisión, utilizados en ingeniería civil incluso de precisión y en itinerarios de nivelación topográfica.
• Nivel de alta precisión, utilizados en nivelaciones topográficas e itinerarios geodésicos, en nivelaciones de alta precisión.

Tipos de nivelación

Nivelación trigonométrica

Nivelación por pendientes o trigonométrica: En la nivelación trigonométrica, las visuales pueden tener cualquier pendiente y se pueden utilizar los aparatos capaces de medir ángulos de inclinación en esas visuales. Tales como

• teodolitos,
• taquímetros,
• Estaciones Totales, …

Nivelación geométrica

Nivelación por alturas o geométrica: La nivelación geométrica se caracteriza porque las visuales son siempre horizontales. Es el método más exacto para calcular las diferencias de alturas o cotas.

Nivelación barométrica

Nivelación barométrica: Para la nivelación barométrica se emplean barómetros, deduciendo los desniveles por la relación que existe entre las variaciones de altitud y las de la presión atmosférica.

Las nivelaciones se pueden dividir también en simples y compuestas. La nivelación simple es cuando el desnivel a medir se obtiene mediante una sola determinación. La nivelación compuesta es cuando se obtiene el desnivel con más de una medida.

Nivelación simple

Atendiendo al modo operatorio podemos tener varios métodos:

• El punto medio
• El punto extremo
• Estaciones recíprocas
• Estación equidistante
• Estaciones exteriores

Nivelación compuesta

Si los puntos cuyo desnivel se quiere determinar están muy separados entre sí, o la diferencia de nivel es mayor que la que se puede medir de una vez, se hace necesario calcularlo realizando varias estaciones sucesivas, es decir, efectuando una nivelación compuesta.

¿Qué es la topografía?

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