Por Ramón Oniel Jiménez Rodríguez (Agrimensor)
Al igual que con las coordenadas, surgen inquietudes sobre por qué se desplazan en el tiempo. Este es un tema importante en los marcos de referencia, y nos preguntamos: ¿caducan o pueden fijarse eternamente?
Un marco de referencia no puede ser verdaderamente «fijo» para la georreferenciación porque la Tierra no es una esfera perfecta, se mueve constantemente y experimenta ligeros cambios en su corteza, lo que significa que cualquier punto de referencia fijo no representaría con precisión las posiciones cambiantes en el planeta a lo largo del tiempo; esencialmente, un marco de referencia fijo no daría cuenta de la naturaleza dinámica de la superficie de la Tierra, lo que genera imprecisiones en los datos geoespaciales.
Visto lo expresado en el párrafo anterior, podemos abordar puntos clave a considerar o puntos clave sobre por qué un marco de referencia fijo es poco práctico para la georreferenciación:
- A) El movimiento de la Tierra:
La Tierra gira sobre su eje y órbita alrededor del sol, lo que provoca cambios continuos en la posición de los puntos en su superficie en relación con un marco de referencia fijo.
- B) La tectónica de placas:
Las placas continentales se mueven lentamente con el tiempo, lo que produce cambios sutiles en la corteza terrestre, lo que afecta aún más la precisión de un marco de referencia fijo.
- C) Marcos de referencia geodésicos:
Para abordar estos problemas, los profesionales geoespaciales utilizan marcos de referencia geodésicos que se actualizan periódicamente para dar cuenta de estos movimientos, lo que proporciona una representación más precisa de la superficie de la Tierra.
- D) Variaciones locales:
Diferentes regiones de la Tierra pueden tener elevaciones y atracciones gravitacionales ligeramente diferentes, lo que requiere ajustes localizados en el marco de referencia para un posicionamiento preciso.
Recordemos que antes nuestro sistema de orientación catastral era con observaciones al sol. Fuera interesante hacer una práctica sobre la orientación de una línea con observaciones al sol y observaciones GNSS, ver sus comparaciones. Mientras tanto, la estructuración de un marco de referencia se clasifica en dos:
- Marco de referencia heliocéntrico
Helios era el dios griego del sol, cuyo nombre posteriormente se latinizó como Helius para representar al sol. Por lo tanto, a partir de su nombre, es evidente que los sistemas de referencia heliocéntricos son aquellos cuyo origen se fija en el centro del sol.
Estas referencias se utilizan para representar las posiciones de los cuerpos celestes o los elementos posicionales del sistema solar. Sin embargo, no son adecuados para representar posiciones sobre la Tierra o cerca de ella.
- Marcos de referencia geocéntricos
Hemos visto que la ubicación de puntos en el espacio tridimensional se describe más convenientemente mediante coordenadas con un origen alrededor de ellos. Por lo tanto, para representar adecuadamente las posiciones en la Tierra y alrededor de ella, los sistemas de referencia elegidos suelen ser geocéntricos. El origen coincide con el centro de la Tierra y los ejes se alinean con los ejes o planos convencionales de la Tierra.
Para representar las posiciones en la Tierra y sus alrededores, se puede definir un sistema de referencia geocéntrico con coordenadas cartesianas. Pero ¿cómo se definen los ejes de este sistema? En un sistema inercial, los ejes no deben acelerar ni rotar linealmente, ya que la rotación siempre va acompañada de aceleración.
Sabemos que la Tierra gira sobre su propio eje y también alrededor del Sol. Por lo tanto, lo que nos parece fijo e inmóvil en la Tierra cuando la observamos desde arriba, no lo es. Podemos observar que todo en la Tierra gira con ella si la observamos desde el espacio.
Por lo tanto, ningún sistema fijo con la Tierra puede ser estacionario. Además, así como la Tierra gira alrededor del Sol, también lo es todo lo que parece estar fijo sobre ella.
Entonces, ¿qué podemos usar como marco de referencia estacionario? Honestamente, aún no se ha encontrado nada que pueda considerarse absolutamente estacionario. Ninguna referencia puede considerarse verdaderamente inercial.
Por lo tanto, utilizamos la estacionariedad relativa, o aquellas referencias que son aproximadamente estacionarias, comparadas con el movimiento de la Tierra.
Al describir estos marcos de referencia, no hemos mencionado nada sobre la forma de la Tierra. Se podría argumentar que no debería importarnos la forma de la Tierra al definir los marcos. Basta con considerar el origen en el centro de la Tierra y alinear correctamente los ejes.
Pero entonces, ¿cómo se puede ubicar el origen del marco en el centro de la Tierra si no se conoce su ubicación? Obviamente, no tenemos acceso al centro de la Tierra y solo disponemos de mediciones terrestres.
Por lo tanto, a partir de estas mediciones podemos fijar el marco correctamente y también generar una superficie regular en la que podemos representar las coordenadas de posición sobre la superficie terrestre.
La Tierra no es una esfera perfecta. La verdadera superficie de la Tierra es demasiado irregular para ser representada por alguna forma geométrica. Por lo tanto, esta irregularidad topográfica puede ser considerada como la variación sobre una superficie lisa. Esta superficie lisa es conocida como el geoide y es un modelo de la Tierra que tiene un potencial de gravedad constante.
Por lo tanto, forma una superficie gravito-potencial igual tal que su gradiente en cualquier punto representa la fuerza gravitacional en ese punto en una dirección perpendicular a la superficie. En otras palabras, el geoide es siempre perpendicular a la dirección de la aceleración a la gravedad, la dirección apuntada por las líneas de plomada verticales libres en cualquier punto.
Considerando que la superficie del agua siempre permanece al mismo potencial, el nivel medio del mar se utiliza como referencia física para obtener una forma geoidal. Se extiende a la superficie terrestre, por debajo, por encima o sobre su topología normal para obtener una forma geoidal completa (Ewing y Mitchell, 1970 ).
El geoide tampoco es una forma geométrica definida. Por lo tanto, la superficie debe aproximarse a una forma geométrica regular, ajustada lo mejor posible a este geoide, de modo que cualquier posición pueda estimarse y representarse adecuadamente mediante cálculos matemáticos sencillos relacionados con dicha forma.
La forma regular que mejor se ajusta al geoide es el elipsoide de revolución. Este se obtiene al rotar una elipse sobre su eje menor. Por lo tanto, se elige un elipsoide de referencia que represente la forma del geoide terrestre con la mayor precisión posible.
El elipsoide de referencia debe tener una orientación definida con respecto a la forma real de la Tierra para representarla con un error cuadrático mínimo.
Implementar el modelo elipsoidal en la práctica requiere posicionar un gran número de puntos en la superficie terrestre para su medición, incluyendo sus parámetros gravimétricos. Por lo tanto, resulta mucho más práctico definir el elipsoide que mejor se adapte a las regiones más pequeñas en cuestión. Por lo tanto, esto se ha realizado principalmente a nivel regional.
Para determinar la forma exacta de la Tierra y sus parámetros asociados, las mediciones realizadas se denominan mediciones geodésicas, una disciplina científica amplia y compleja. Los parámetros básicos determinados a partir de estas mediciones se denominan datum geodésico.
El significado formal de datum es algo que se utiliza como base para calcular o medir. En el caso de la geodesia, estos son los datos que definen las dimensiones de la Tierra. Para ello, los geodestas generan datos, locales o globales, que constituyen los parámetros de este elipsoide de referencia, el cual, según las estimaciones empíricas, constituye el mejor ajuste geométrico para la superficie terrestre.
Antes de la era de la geodesia satelital, los sistemas de coordenadas asociados a un datum geodésico intentaban ser geocéntricos, pero todos los parámetros se obtenían ajustando empíricamente las mediciones locales con una superficie elipsoide.
Estos eran los mejores ajustes regionales a los geoides dentro de sus áreas de validez, minimizando las deflexiones de la vertical en estas áreas. El origen calculado localmente difería del geocentro en cientos de metros debido a desviaciones regionales.
Algunos datums geodésicos regionales importantes son:
- a) Datum del Everest (ED 50)
- b) Datum de América del Norte (NAD 83)
c)Servicio de Ordenanzas de Gran Bretaña (OSGB 36).
Con la llegada de las mediciones espaciales mediante satélites, se pudo definir un geocentro específico, ya que los satélites orbitan alrededor del geocentro natural. Este punto se convierte en la opción obvia para el origen de un sistema de coordenadas, ya que las posiciones de los satélites en el espacio se calculan con respecto a él.
Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS 84): El WGS 84 está compuesto por un conjunto de modelos y definiciones globales con las siguientes características:
A1). Un marco de referencia ECEF
B2). Un elipsoide como modelo de la forma de la Tierra.
C3). Un conjunto consistente de constantes fundamentales.
D4). Una posición denominada WGS84-XYZ o WGS84-LLA (latitud, longitud y altitud)
E5). Un elipsoide con eje semimayor tomado como 6378137, 0 m, y semimenor como 6356752,3142 m.
La altura del geoide, medida normalmente sobre el elipsoide, se denomina altura geoidal. De igual forma, la altura del terreno, medida sobre el geoide, se denomina altura ortométrica y se expresa como la altura en metros sobre el nivel medio del mar.
La Asociación Internacional de Geodesia (IAG) recomienda el ITRF.
El Grupo de Trabajo de Marcos de Referencia IGS define nuevos marcos para los productos IGS basados en la última versión del ITRF.
Avances tecnológicos. Las tecnologías de datos mejoradas están aumentando la capacidad para crear servicios de valor añadido.
Los marcos de referencia GNSS se utilizan para posicionamiento, navegación y cronometraje.
También se utilizan en aplicaciones de ciencias de la Tierra, como la medición del aumento del nivel del mar.
Las tecnologías de monitorización dinámica basadas en GNSS pueden utilizarse para supervisar la seguridad de los edificios.
Desafíos:
La superficie terrestre cambia constantemente debido a terremotos, erupciones volcánicas, deslizamientos de tierra, inundaciones y otros fenómenos. Los científicos deben realizar mediciones muy precisas del paisaje y el océano para mantenerse al día con estos cambios.
Tanto WGS84 como ITRF son útiles para la navegación global y el posicionamiento satelital. Consideran el movimiento constante de la Tierra debido al desplazamiento de las placas tectónicas.
WGS84, NAD83 e ITRF2014 son datums de referencia utilizados para el posicionamiento y la navegación geoespacial. Su origen se encuentra en el centro de la masa terrestre, lo que los convierte en datums geocéntricos.
Los datums WGS84, NAD83 e ITRF2014 también sirven como estándares para mediciones geodésicas y sistemas de referencia espacial.
La serie WGS84 «G» son implementaciones del WGS84 que se han incorporado posteriormente al ITRF. Incluye el WGS84(G730), introducido en 1994 y basado en el ITRF91; el WGS84(G873), introducido en 1996 y basado en el ITRF94; y el WGS84(G1150), basado en el ITRF2002, introducido en 2002.
La serie G aumentó la precisión y estabilidad del WGS84, haciéndolo más preciso y fiable. El WGS84 se volvió compatible con el ITRF, adoptado internacionalmente. También introdujo un desplazamiento de coordenadas en Canadá de 1,5 m horizontalmente y de 0,2 a 1 m verticalmente, lo que requirió actualizaciones en los sistemas de cartografía GPS y otros servicios de geolocalización.
WGS84 es el datum predeterminado utilizado en sistemas de posicionamiento global y dispositivos receptores, incluyendo drones, teléfonos inteligentes y sistemas de navegación con GPS. Se prefiere para aplicaciones que requieren compatibilidad y consistencia global.
El ITRF/WGS funciona bien en vehículos autónomos, robótica y drones, gracias a sus marcos geodésicos.
Desde 1997, se han realizado un total de siete nuevas realizaciones del ITRF. Cada una incorpora nuevos datos y los avances más recientes en métodos topográficos y matemáticos, representados visualmente en el mapa del ITRF.
Los sistemas ITRF y WGS84 son globales (geodésicos), por lo que sus realizaciones consideran que la Tierra está en constante movimiento debido al desplazamiento de las placas tectónicas a nivel mundial. Sin embargo, NAD83, un datum local, tiene una posición de referencia fija (está fijado a una placa, la placa norteamericana, y se mueve con ella).
Por lo tanto, en Estados Unidos continental, el NAD83 se desplaza aproximadamente entre 10 y 20 milímetros al año en relación con los marcos de referencia ITRF y WGS84. Esto significa que no será tan preciso para fines de posicionamiento global como ITRF y WGS84.
Los marcos geodésicos como ITRF y WGS84 impactan significativamente la precisión de la topografía y la cartografía a nivel mundial, también son eficaces para la robótica, los drones y los vehículos autónomos.
Reglamento:
NAD83 está definido por el Servicio Geodésico Nacional (NGS), una agencia federal responsable de la infraestructura geodésica de los Estados Unidos.
WGS84 es mantenido y publicado por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial de los Estados Unidos, responsable de proporcionar inteligencia geoespacial a las comunidades de defensa e inteligencia.
El ITRF2014 está gestionado por el Servicio Internacional de Sistemas de Referencia y Rotación de la Tierra (IERS), una organización de servicio global dedicada a monitorear la rotación de la Tierra y mantener marcos de referencia globales.
Luego de ver la estructuración de los Marcos de Referencia, su diferencia entre lo local y lo global, pasamos a la parte de la administración de coordenadas limpias para graficar y analizar en un ordenador, antes era a papel y lápiz.
Las proyecciones cartográficas intentan representar la superficie de la Tierra, o una parte de ella, en una hoja de papel plana o en la pantalla de una computadora. En términos sencillos, las proyecciones cartográficas intentan transformar la Tierra de su forma esférica (3D) a una forma plana (2D).
Un sistema de referencia de coordenadas (SRC) define cómo se relaciona el mapa bidimensional proyectado en su SIG con lugares reales de la Tierra. La decisión sobre qué proyección cartográfica y SRC utilizar depende de la extensión regional del área en la que desea trabajar, del análisis que desee realizar y, a menudo, de la disponibilidad de datos.
Estos temas deben profundizarse más y estar en contantes debates profesionales, a los fines de las observaciones y administración del esquema que definen en la actualidad los sistemas de medición con tecnología GNSS, desde los gremios debemos, profundizar y promover webinar internacional con los diferentes IGN de diferentes países latinoamericanos, así como simposio que ayuden a comprender mejor este tema de gran importancia para la humanidad y el colectivo de la agrimensura.
Feliz y bendecido inicio, Dios le bendiga grandemente en salud y vida, ¡¡¡éxitos en todo!!!
“Promovamos la productividad real, no la imagen del trabajo duro”.
Scott Belsky, emprendedor y escritor estadounidense.