Infraestructura geodésica en aplicaciones catastrales

Estaciones GNSS permanentes

En la actualidad, las redes geodésicas se encuentran materializadas con estaciones GNSS permanentes, que constituyen un recurso para diversas aplicaciones que requieren mejorar la exactitud de las coordenadas y hacerlas compatibles con el marco de referencia geodésico de uso oficial.

Dicha infraestructura está conformada por los receptores GNSS que recolectan sus observaciones sobre una base temporal continua (24/7/365) en un sitio cuyas posiciones son conocidas con mucha exactitud, y cuyos datos son transferidos a un centro de procesamiento, coordinación y gestión de la red para ponerlos a disposición de los usuarios. Adicionalmente existen centros de cálculo para proporcionar productos útiles para el mantenimiento matemático del marco de referencia, obtención de series temporales, correcciones ionosféricas, etc.

Las estaciones GNSS permanentes tienen como objetivos prácticos facilitar el acceso al marco de referencia y permitir a los profesionales reducir sus inversiones en equipamiento e incrementar el rendimiento de los trabajos de campo, todo lo cual se traduce en costo y tiempo. En cuanto a los objetivos geodésicos, sus contribuciones se centran principalmente en el perfeccionamiento de las redes geodésicas nacionales y regionales y en la determinación de los movimientos de la corteza terrestre.

El marco de referencia desde el punto de vista de los usuarios es un catálogo de puntos cuyas coordenadas se conocen en forma muy precisa y que materializan implícitamente los ejes de coordenadas, a partir de las cuales los usuarios pueden interpolar las posiciones que definen los objetos de su interés. Además puede ser caracterizado como un conjunto de posiciones expresadas convencionalmente y cuyas relaciones especiales son conocidas y que tiene como características una determinada densidad, exactitud, cobertura espacial, y mecanismo de distribución de los datos de observación y correcciones diferenciales GNSS.

Mirando el costado técnico de los beneficios tenemos que las redes de estaciones permanentes ofrecen a los usuarios exactitud y homogeneidad en las coordenadas en toda el área de cobertura de la red, asegurando el uso de un único marco de referencia a través de todas las jurisdicciones que integran un país.

Los receptores GNSS que funcionan en forma permanente tienen la capacidad para ser administrados en forma remota utilizando el protocolo de internet (IP) como medio principal de comunicaciones y soportan varios niveles de seguridad y controles de acceso. Las interfaces proporcionan herramientas para controlar el estado del receptor, el rastreo de los satélites, la administración del almacenamiento y la transferencia de datos de observación y adicionalmente su descarga directa, las configuraciones de la red, del receptor, de entrada y de salida y actualización del firmware, entre otras.

Interface receptor Trimble NetR9 ® para estación permanente

En el diseño y gestión de las redes de estaciones GNSS permanentes se tienen en cuenta un conjunto de principios importantes tales como:

• la adecuada selección de los sitios, ej: accesibilidad, horizonte despejado por encima de los 10°, distancia prudente a elementos que puedan generar multicamino en las señales, acceso a una fuente de alimentación continua (solar/eléctrica), acceso a internet, seguridad y disponibilidad de personal de mantenimiento en el lugar;
• la homogeneidad en la cobertura de las estaciones, aunque esto puede variar de acuerdo a las necesidades que están generalmente asociadas con la distribución de la población en el territorio;
• los tipos de servicio a prestar que van desde las tradicionales descargas de archivos RINEX para posprocesamiento, hasta las correcciones para levantamientos en tiempo real y servicios online para el posicionamiento puntual preciso;
• los servidores, páginas, otros recursos (ej. guías para usuarios) y aplicaciones web;
• la administración y el control de las estaciones que conforman la red;
• la atención a los usuarios; y
• la planificación y mantenimiento a nivel de recursos humanos y tecnológicos.

 

Fuentes de error

Al principio señalamos que uno de los principales roles de las estaciones permanentes es suministrar servicios para mejorar la exactitud de las coordenadas, tema que tiene una conexión directa con lo que se conoce como fuentes de error del posicionamiento satelital, factores que dificultan a un receptor aislado calcular posiciones suficientemente exactas. 

Las principales fuentes de error tienen su origen en el satélite, medio de propagación de la señal, receptor y sitio de observación. En el siguiente cuadro se incluyen más detalles y sus magnitudes como error en la distancia satélite-receptor. 

 

Fuente	Origen	Rango de error
Satélite	Reloj	± 2 m.
	Órbita	± 2,5 m.
Medio de propagación de la señal	Ionósfera	± 5 m.
	Tropósfera	± 0,5 m.
Receptor	Ruido	± 0,3 m.
Sitio de observación	Multicamino	± 1 m.

Si bien los satélites están equipados con relojes atómicos, igualmente experimentan pequeñas desviaciones que provocan errores. Al igual que los relojes, las órbitas son muy precisas y son monitoreadas continuamente por un sistema de control terrestre que actualiza las efemérides de los satélites, aunque igualmente quedan pequeños errores residuales que pueden alcanzar algo más de 2 metros. 

La ionósfera es la capa exterior de la atmósfera que contiene partículas cargadas eléctricamente, que retrasan las señales emitidas por los satélites, y constituye el error de mayor magnitud en el posicionamiento GNSS. La tropósfera es la capa más cercana a la superficie terrestre y las variaciones en el retraso se deben a la humedad, temperatura y presión atmosférica. 

El ruido del receptor está relacionado con el error de posición causado por el hardware y reloj de la unidad receptora. Los equipos de alta gama (multifrecuencia y multiconstelación) tienden a generar menor ruido que los receptores de más bajo costo. El entorno o sitio dónde se encuentra el receptor puede introducir errores por reflejo de las señales en edificios o estructuras elevadas. El multicamino es un error aleatorio o evitable, mientras que los errores provenientes de los satélites y de las señales en la atmósfera son sistemáticos.

Métodos de posicionamiento 

Estos errores pueden reducirse o eliminarse diferenciando las observaciones simultáneas a los mismos satélites de al menos dos receptores GNSS, dónde en la estación base se obtiene la diferencia entre las posiciones calculadas de la observación respecto a sus coordenadas conocidas. Luego esas correcciones son aplicadas a las estaciones ubicadas en los puntos levantados para calcular sus coordenadas precisas.

Como se trata de un método de posicionamiento relativo, debemos tener presente que lo que obtenemos como resultado final es el vector que une a la estación conocida con el punto desconocido o receptor del usuario en términos de una diferencia de coordenadas cartesianas tridimensionales (delta X, delta Y, delta Z), calculada a partir de la posición conocida que es la que define el marco de referencia en que se expresan los resultados. A los fines prácticos, esa diferencia de coordenadas es convertida en coordenadas geodésicas y/o planas para los nuevos puntos. 

Posicionamiento relativo o diferencial

Aquí hay que considerar que como las correcciones se calculan a partir de una estación base, esos valores van perdiendo su validez a medida que la distancia entre los receptores aumenta, lo que equivale a decir que los errores sistemáticos van perdiendo su correlación espacial. Esta característica de las mediciones con GNSS es la hace posible eliminarlos cuando se diferencian las observaciones, principalmente el retardo ionosférico, aunque este problema puede mitigarse recurriendo al uso de receptores de dos o más frecuencias. 

Las soluciones operativas para los usuarios, pasan por conectarse con la estación permanente más próxima al área de levantamiento, siendo las opciones de trabajo las siguientes: 

1. en posproceso, dónde los archivos de las estaciones permanentes utilizadas como base por los usuarios son subidos diariamente a un servidor para descargar en formato RINEX, dentro de un determinado intervalo o frecuencia de registro y rango horario; y
2. en tiempo real, dónde las correcciones a los relojes y órbitas de los satélites y la propagación de la señal en la ionósfera y tropósfera son calculadas y generadas en las estaciones permanentes y transmitidas a los receptores de los usuarios en formato RTCM vía protocolo de Internet (NTRIP).  

Con la primera opción los métodos de posicionamiento utilizados son estático, estático rápido y cinemático posprocesado; y con el segundo cinemático en tiempo real estándar (RTK) y en red (NRTK). Para estas dos últimas opciones los usuarios tienen que tener en cuenta disponer de cobertura de la red de telefonía celular para recibir las correcciones GNSS. La ventaja de NRTK sobre RTK es que mejora la exactitud, disponibilidad y fiabilidad de las correcciones, elimina el punto de fallo o salida de operación de una estación permanente y proporciona redundancia para el control de calidad a nivel de la red.

Una alternativa válida frente al posicionamiento relativo, particularmente en aquellos casos que las zonas de trabajo se encuentran muy alejadas de estaciones permanentes, es el posicionamiento puntual preciso (PPP). Este método utiliza un solo receptor de tipo geodésico y correcciones precisas de las órbitas y de los relojes de los satélites, derivados de una red global administrada por el IGS (Servicio GNSS Internacional). A esto debe agregarse un esquema de modelamiento adicional de errores que permite obtener soluciones con una exactitud de hasta unos pocos centímetros.

Posicionamiento absoluto con el método PPP

Desde agosto de 2018, los propietarios de la solución PPP lanzaron una nueva versión del software que incluye además de las correcciones indicadas precedentemente, mejoras tales como la resolución de la ambigüedad de la fase, una inicialización o convergencia más rápida utilizando información ionosférica externa y procesamiento de observaciones de las constelaciones de GNSS (Banville, S., 2020). 

Como el PPP no requiere utilizar estaciones permanentes, los usuarios deben conocer que los resultados quedan expresados en el marco de referencia de las órbitas de los satélites, hoy ITRF 2014, y la época será coincidente con la del día en que se realicen las observaciones. 

Actualmente algunos organismos cartográficos como el IGN de Argentina y el IBGE de Brasil, ofrecen como parte de sus servicios de georreferenciación soluciones de posicionamiento por el método PPP expresados en el marco de referencia oficial de cada país, lo cual constituye una solución práctica que se traduce en un incentivo para el uso este método, además de viabilizar su inclusión dentro de las normas catastrales de georreferenciación. De hecho, el Instituto Nacional de Colonización y Reforma Agraria (INCRA) de Brasil, organismo encargado de administrar el catastro rural de ese país, ha incluido el PPP como método para georreferenciar parcelas hace unos 9 años (INCRA, 2013).

Otra posibilidad que no requiere el uso de estaciones permanentes es la tecnología RTX (Real Time Extended), que es un conjunto de servicios de correcciones GNSS provistos por la firma Trimble que pueden suministrarse vía satélite (banda L) o a través de Internet (IP / Red de telefonía móvil), garantizando una cobertura geográfica de alcance mundial. Este recurso ofrece soluciones de posicionamiento absolutas de alta precisión y tiempos de inicialización rápidos (y aún en movimiento), ofreciendo a los usuarios una libertad operativa muy amplia (Trimble, 2013). 

Asimismo esta empresa ofrece servicios de posprocesamiento que permite a los usuarios subir archivos de observación GNSS al servicio CenterPoint RTX y recibir los resultados de las coordenadas calculadas, cuyos valores están referidos a la época de las observaciones en el marco de referencia ITRF 2014 para los datos capturados luego del 23 de marzo de 2017 (Trimble, 2022). 

Cabe indicar que es posible seleccionar la transformación para expresar los resultados de la georreferenciación en el marco de referencia (y época) requerido por el usuario, aunque es preciso aclarar que no todos están disponibles actualmente, por lo que es posible que ante dicha situación se deba realizar un ajuste adhoc en el terreno, recurriendo a puntos de control cuyas coordenadas hayan sido determinadas por posicionamiento relativo referido al marco en el que se necesitan expresar los resultados.

 

El posicionamiento GNSS en la normativa catastral 

Los organismos catastrales han ido estableciendo lineamientos aplicables al ámbito de la georreferenciación de parcelas y otros objetos territoriales legales (OTLs) que adquieren relevancia en el proceso de documentar y registrar los límites que definen la extensión espacial de derechos, facilitar su replanteo, remover la ambigüedad de sus ubicaciones y agregar el valor de la interoperabilidad que los conecta con otros datos geoespaciales necesarios para la gobernanza del territorio.

Los referidos lineamientos se encuentran asociados, en primer lugar, a establecer el marco de referencia geodésico y el sistema de proyección cartográfica a utilizar y, en segundo lugar, al alcance de la norma o definición del universo de parcelas y casos al que aplica. En tercer lugar, tenemos las exactitudes o tolerancias exigibles más la medida de incertidumbre (ej: nivel de confianza del 95%) para la determinación de los vértices georreferenciados según el tipo de parcela (urbana, rural, etc.) y OTLs, que pueden ir acompañadas de un procedimiento específico para realizar la georreferenciación, como una manera de garantizar que la determinación de las coordenadas cumpla con los requisitos establecidos en la norma. Sobre la exactitud se debe declarar con respecto a que aplica, usualmente se toma como elemento definitorio el marco de referencia geodésico.

Deteniéndonos ya en el procedimiento y a modo de ejemplo, podemos citar la medición de un vector largo de vinculación, que va desde el punto base con coordenadas conocidas a un vértice de la parcela u OTL u otro punto ubicado estratégicamente en la zona de levantamiento, y una serie de vectores cortos de orientación que se determinan desde el punto de vinculación, para determinar la georreferenciación de los vértices y otros detalles de interés.

Luego entran en juego los métodos de posicionamiento aplicables y complementariamente la duración de las sesiones de medición, que dependen de la distancia entre el punto base y el receptor del usuario. Para los vectores largos se utiliza el método estático, mientras que para los vectores cortos es posible el uso de cualquier método rápido (cinemático posprocesado / stop & go o RTK) siempre que el tiempo de inicialización sea suficiente para obtener una resolución fija de las ambigüedades de la fase.

Dado que los métodos cinemáticos son más sensibles a los errores sistemáticos, es conveniente incorporar procedimientos de control de calidad para comprobar los resultados, reocupando los puntos más importantes en un determinado intervalo de tiempo. Debe observarse asimismo que el empleo de RTK funciona adecuadamente en condiciones de cielo abierto, por lo que en las áreas boscosas u otras zonas con visibilidad marginal se debe considerar la medición con métodos estáticos o instrumentos ópticos convencionales.

El esquema de vector largo y vectores cortos admite variantes como el uso del método PPP para determinar las coordenadas del punto de vinculación, recurriendo al uso de los ejemplos de servicios on-line citados en el apartado precedente. En los casos de barridos que involucran el levantamiento de una gran cantidad de parcelas, el vector largo puede reemplazarse por una densificación del marco de referencia que aporte una cobertura homogénea de control geodésico en el área de trabajo.

Siendo usual la necesidad de combinar el posicionamiento GNSS con los métodos topográficos clásicos, es recomendable siempre que sea necesario incorporar en las estaciones totales un factor de escala combinado que es resultante de multiplicar los factores de escala de la proyección cartográfica y altura, con el objeto de ajustar las distancias medidas sobre el terreno para llevarlas a valores compatibles con los de la superficie de proyección cartográfica.

Es posible considerar que los procedimientos puedan ser pensados como orientaciones que actúen como complemento de normas prescriptivas, después de todo cabe preguntarse si no es el profesional quien debe decidir cuál es el mejor procedimiento para realizar el trabajo, aunque en cualquier caso, las especificaciones contenidas en las normas y guías deben verse como algo esencial para promover la eficiencia y buenas prácticas en el desarrollo de los trabajos de campo, a fin de suministrar servicios fiables apegados a estándares y con valor agregado para la sociedad.

Fuentes consultadas:

Banville, Simon (2020). CSRS-PPP Versión 3: Tutorial. Natural Resources Canada, Canadian Geodetic Survey, https://webapp.csrs-scrs.nrcan-rncan.gc.ca/geod/tools-outils/sample_doc_filesV3/NRCan%20CSRS-PPP-v3_Tutorial%20EN.pdf 

Instituto Nacional de Colonización y Reforma Agraria (INCRA) (2013). Manual Técnico de Posicionamento. Georreferenciamento de Inmoveis Rurais, 1era Edicao, https://sigef.incra.gov.br/static/documentos/manual_tecnico_posicionamento_1ed.pdf

Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) (2022). IBGE-PPP – Servico online para pós-processamento de dados GNSS, https://www.ibge.gov.br/geociencias/informacoes-sobre-posicionamento-geodesico/servicos-para-posicionamento-geodesico/16334-servico-online-para-pos-processamento-de-dados-gnss-ibge-ppp.html?=&t=o-que-e 

Instituto Geográfico Nacional (IGN) (2015). Disposición del IGN N° 180/2015 - Normativa para georreferenciación de parcelas rurales. 

Instituto Geográfico Nacional (IGN) (2022). Servicio de Posicionamiento Puntual Preciso de la República Argentina - PPP-Ar, https://www.ign.gob.ar/NuestrasActividades/Geodesia/ppp 

Ivars, Leonardo B. (2011). Sobre NTRIP, Blog Café Geodésico, https://cafegeodesico.blogspot.com/2011/10/sobre-ntrip.html 

Trimble (2013). Trimble RTX Technology for Infraestructure Applications. An Innovative New Approach for Worldwide Precise Point Positioning,  https://geo-matching.com/uploads/default/m/i/migration9sihwb.pdf 

Trimble (2022). CenterPoint RTX Post-Processing, https://www.trimblertx.com/UploadForm.aspx