TEMA 24 GENERALIDADES SOBRE CARTOGRAFIA. GENERALIDADES SOBRE REDES GEODESICAS Y TOPOGRAFICAS.

La cartografía es el conjunto de ciencias y técnicas que nos permiten elaborar MAPAS GEOGRAFICOS de cualquier tipo.

¿Qué ES LA CARTOGRAFIA?

Por MAPA entendemos la representación de una parte de la superficie terrestre, lo bastante grande como para que tengamos que tener en cuenta la curvatura de la tierra (a diferencia del PLANO TOPOGRAFICO, donde las dimensiones representadas son más reducidas, pudiendo entonces suponer la tierra como plana). Así pues, para representar una superficie con una cierta curvatura sobre una superficie plana (el soporte de papel o informático), se debe, primero, asimilar la forma real de la tierra (GEOIDE) a una superficie matemáticamente formulable (ELIPSOIDE), y después, se realizarán una serie de cálculos matemáticos que nos permitan representar dicha superficie curva sobre un soporte plano. Dichos sistemas de transformación se denominan PROYECCIONES CARTOGRAFICAS. Poniendo como ejemplo la imposibilidad de envolver una pelota en un papel sin que este se arrugue, así ocurrirá que todas las proyecciones cartográficas darán lugar a mapas geográficos con determinados errores, que se verán cuando se hable de dichas proyecciones. No obstante, dichos errores o deformaciones serán siempre mínimas y conocidas. En la actualidad, las técnicas cartográficas son el compendio de múltiples disciplinas: Geodesia, Fotogrametría, topografía, matemáticas, geología, edafología, etc. Con ellas, y a partir de mediciones, tanto terrestres como a partir de fotografías aéreas y de satélites, se consiguen elaborar mapas de una gran precisión y con una gran información, a la escala que sea necesaria. Todos los mapas son elaborados mediante programas informáticos, en soporte digital. Además, se han desarrollado los Sistemas de Información Geográfica (SIG) SIG: Conjunto de medios y métodos informáticos integrados que nos permiten verificar, almacenar, gestionar, recuperar, analizar, mostrar y transferir datos referidos a la tierra. Con este sistema, a cualquier punto de la superficie terrestre representada, se le puede asociar cualquier tipo de información: tipo del suelo, categoría del mismo, datos demográficos, servicios, edificaciones, etc. LA VERDADERA FORMA DE LA TIERRA En la antigüedad, se consideraba que la tierra era plana, de forma de disco. En la Grecia Clásica, Aristóteles y después Eratóstenes, postularon la forma esférica de la tierra, llegando este último a calcular un valor para su radio bastante aproximado (un error de aproximadamente el 15% respecto al valor del radio medio actual). Durante la época romana y edad media, se siguió manteniendo la forma esférica de la tierra, siendo el mapa más popular el realizado por Claudio Ptolomeo. Durante el renacimiento, se realizaron múltiples viajes de descubrimiento, estableciendo la forma de nuevos territorios, completando los datos de Ptolomeo. En el siglo XVII se empezó a vislumbrar que la forma de la tierra no era una esfera perfecta, sino que presentaba ciertos abultamientos. Con el fin de determinar las verdaderas dimensiones de la tierra, la Academia de Paris organizo sendas expediciones para medir la longitud de un grado de arco de meridiano, cerca del polo y cerca del ecuador. A partir de estas experiencias, en el siglo XIX se lanzo la hipótesis de que la verdadera forma de la tierra no obedecía a la de ningún cuerpo geométrico conocido. Se estableció como forma real de la tierra el GEOIDE, que es una superficie equipotencial que coincide con la superficie de los mares y océanos en calma, supuestos estos prolongados bajo los continentes por canales de diámetro infinitesimal exentos de rozamiento.

Esta superficie no tiene representación matemática, lo que hace imposible su representación en un mapa. Es por ello que, a finales del siglo XIX, y con el fin de poder asimilar la tierra a una superficie matemática conocida, se establece que la superficie que mejor se adapta a la forma real de la tierra es la de un ELIPSOIDE DE REVOLUCION. A partir de este momento, se han ido adaptando distintos elipsoides (variando sus datos de radio mayor, menor y achatamiento), intentando que la coincidencia entre ambas superficies (geoide y elipsoide) sean mínimas. GEODESIA: Ciencia que estudia la verdadera forma de la tierra, basando sus cálculos en distintos elipsoides de revolución, con el fin de poder determinar la posición de cualquier punto en la superficie terrestre, mediante diferentes sistemas de coordenadas. En una definición más amplia, la geodesia se ocupa de los métodos de levantamiento (toma de datos) y representación de la forma y superficie de la tierra, global o parcial, con sus formas naturales y artificiales. La materialización de los puntos geodésicos calculados sobre la superficie terrestre determina las REDES GEODESICAS, formadas por un conjunto de puntos materializados con distintos elementos de fábrica, denominados VÉRTICES GEODÉSICOS, que configuran la base de la cartografía de un país. Los distintos elipsoides empleados en la historia, han recibido los nombres, generalmente, de los científicos geodestas que los han calculado. El más empleado fue el de Hayford, de 1909, que, con retoques en su DATUM, paso a denominarse en 1924 ELISPOIDE INTERNACIONAL. En la actualidad se emplea el ELIPSOIDE WGS 84, con DATUM en Potsdam

(DATUM: Punto donde el geoide y el elipsoide coinciden). Este es el sistema empleado por el sistema de posicionamiento GPS.

REDES GEODESICAS .Una red geodésica está formada por una serie de puntos materializados sobre el terreno, denominados VERTICES GEODESICOS, de los cuales se ha medido su posición con los métodos e instrumentos adecuados para determinarla con gran precisión. De esta forma, se determina un armazón o infraestructura principal, a partir de la cual, se pueden obtener todos los puntos y detalles necesarios para obtener una representación exacta y fidedigna del terreno. Los vértices geodésicos están materializados mediante obras de fábrica formadas por cilindros de hormigón de 1.20 metros de altura y 30 o 40 cm de diámetro, situados sobre un prisma de distintas alturas, pintados de blanco. En la cara superior del cilindro se sitúa el punto al que se refieren las coordenadas y es donde se sitúan los aparatos topográficos de medición (distanciómetros o receptores GPS). La información de los vértices geodésicos se anota en fichas normalizadas denominadas RESEÑAS, donde aparece toda la información relativa al vértice: Número, nombre, Termino municipal, sistema de referencia empleado para el cálculo, proyección empleada para la obtención de coordenadas, coordenadas planimétricas y altimétricas del vértice, así como un croquis de situación y descripción de cómo llegar al mismo. En la antigua Red Geodésica Española, la distribución de los vértices estaba supeditada a la intervisibilidad entre ellos, para poder realizar las observaciones. Por ello, se situaban en lugares elevados con gran visibilidad. Hoy en día, y como consecuencia de los nuevos sistemas empleados de observación y recepción de datos satelitales, los vértices se ubican en zonas donde se tenga un cielo despejado y que presenten un fácil acceso.

La red Geodésica antigua

La red se inicia con la observación de uno de sus lados, denominado BASE de la red. En el caso de la red española, esta base, situada en Madridejos (Toledo), entre los vértices denominados Bolos y Carboneras, fue medida en 1854, por Ibáñez de Ibero, con la ayuda de una regla graduada de 4 metros de longitud, construida con dos metales distintos para minimizar las deformaciones y montada sobre trípodes de madera.

estaba formada por distintos vértices geodésicos, visibles entre sí, de manera que se observan formando triángulos, que van formando cadenas y luego mallas hasta cubrir la totalidad de la superficie de la península.

Una vez medida la base, se comenzaron las observaciones de la llamada RED GEODESICA DE 1º ORDEN, formada por vértices separados entre sí entre 30 y 70 km (menos el caso excepcional del enlace con África), realizándose series de 48 observaciones angulares. Una vez observada la red, se procedió a su cálculo y compensación, por aplicación de métodos trigonométricos. Establecida esta red, se realizaron otras dos redes, con el fin de densificar el número de puntos, denominadas RED GEODESICA DE 2º ORDEN y RED GEODESICAD E 3ºORDEN. En la red geodésica de 2º orden, los lados de los triángulos oscilan entre 10 y 25 km. En la red geodésica de 3º orden, la longitud de los lados oscila entre 5 y 10 km. A las dos últimas redes también se les denominan REDES GEODESICAS DE ORDEN INFERIOR. Las coordenadas de estos puntos se obtuvieron a partir del sistema de referencia basado en el elipsoide de Haydford de 1909, modificado posteriormente para evitar errores de solape en zonas fronterizas de países, pasándose a denominar Elipsoide Internacional (1924), con Datum en la torre de Helmert, situada en Potsdam (Alemania). Como referencia para las nivelaciones, se tomo el del nivel medio del mar en Alicante. Actualización de la red al sistema ED50 En 1953, la IAG (Asociación Internacional de Geodesia) creó una subcomisión para el estudio de la precisión y posibles errores. Sus conclusiones indicaron la realización de una nueva red para compensar los errores de las existentes. Se realizaron las observaciones de dos redes. La Red RPO (red de primer orden) y la RED ROI (Red de orden inferior), concluida por el IGN (Instituto Geográfico Nacional) en 1993. Sus cálculos se basan en el sistema de referencia de coordenadas ED50 (Europan Datum 1950), que toma el mismo elipsoide internacional de referencia y el mismo datum. Todos los vértices de primer orden forman parte de esta red, compuesta por 10944 vértices que cubren toda la superficie del territorio nacional. Este sistema de referencia ha estado vigente hasta el año 2008. Nueva red oficial geodésica española. Sistema ETRS89 En 1994, la AIG, a través de la subcomisión EUREF, se implanta el sistema de referencia ETRS89 (European Terrestial Reference System 1989), nuevo sistema geodésico ligado a la parte estable de la placa continental europea. Dicho sistema se basa en el elipsoide GRS80, con punto datum geocéntrico (WGS 84) y es totalmente compatible con los sistemas actuales de navegación por satélite GPS, GLONASS y GALILEO. Este sistema es el sistema de referencia geodésico oficial en España. Para implementar este sistema, en 1994 se inicio la observación de una nueva red, denominada RED REGENTE (Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales), para conseguir las precisiones necesarias aplicando técnicas satelitales. Las observaciones se terminaron de realizar en 2001. Está constituida por 1029 vértices en la península y 6 vértices en Canarias. La precisión de la misma es inferior a 5 cm. Hasta el 2015, conviven en España los dos sistemas ED50 y ETRS89, pues en general, son similares para multitud de aplicaciones, aunque se deben hacer ciertas transformaciones para pasar de una a otra, en el caso de medidas de precisión alta.

RED DE NIVELACION DE ALTA PRECISION (REDNAP) Con las redes geodésicas anteriores quedan perfectamente definidas con unos errores máximos tolerables las coordenadas planimétricas de los distintos vértices que integran la red en el sistema de referencia oficial del país (en España, ETRS 89 con elipsoide de referencia GRS80 (semejante al WGS 84). Sin embargo, las altitudes de los puntos respecto del sistema oficial, que es el nivel medio del mar en Alicante, se deben obtener mediante nivelaciones de alta precisión y observaciones gravimétricas. El primer punto de nivelación, denominado NP-1 se encuentra materializado por un clavo metálico empotrado en el primer escalón del Ayuntamiento de Alicante. A partir de este punto se realizaron líneas de nivelación con anillos de longitud máxima de 100 km, de doble nivelación entre puntos nodales. Se emplearon niveles de alta precisión, con micrómetros de coincidencia y miras verticales invar. Estos puntos en general no coinciden con los vértices geodésicos, dada su complicada accesibilidad. Por el contrario, los puntos NAP se reparten a lo largo de carreteras, vías férreas, etc. Con esta nivelación geométrica, y con las observaciones gravimétricas en cada punto, se obtuvieron las cotas geopotenciales en cada punto (referidas al geoide). A partir de este valor, aplicándole las correcciones optométricas para el elipsoide correspondiente, se obtienen las COTAS ORTOMETRICAS. REDES TOPOGRAFICAS Hasta ahora, todo lo contado son los trabajos para la implementación sobre el terreno de una red de puntos principales de coordenadas conocidas. Pero, a la hora de realizar cualquier tipo de obra, necesitaremos una red particular de puntos o vértices de obra, de coordenadas conocidas, generalmente en el mismo sistema que el oficial del país. A estas redes se les denominan REDES TOPOGRAFICAS. Su diseño tiene que ser tal que:

- Cubra toda la zona de obra. - Permita el empleo indistinto de estaciones totales de media o receptores GPS. - Tengan una geometría lo más idónea posible, es decir, formada por triángulos lo más

próximos posibles a triángulos equiláteros. En general, se parte del análisis de la cartografía de la zona a escala 1/50000 o 1/25000, para la localización de los vértices geodésicos de la zona. A partir de ellos y del diseño de la red, procederemos a la implantación de los puntos, que pueden ser, prefabricados (tipo hitos feno) o realizados in situ, mediante una estaca hormigonada o un dado de hormigón con un clavo metálico. Después, se procederá a la observación, distinta si se trata de topografía clásica (estación total) o GPS. En el caso de topografía clásica, se realizarán observaciones reiteradas en varias series, realizando vueltas de horizonte en CD y CI, midiendo simultáneamente ángulos acimutales, cenitales y distancias, empleando siempre que sea posible, equipos de poligonación de centrado forzoso. La primera labor será medir la base de la red, es decir, la distancia entre los dos vértices desde donde partirá todo nuestro trabajo. La precisión angular de los aparatos actuales es muy alta. La diferencia entre lecturas a un mismo punto deberá ser menor que la tolerancia para el aparato empleado:

TOLERANCIA = ea√2 , donde ea = error total angular estación total = �𝑒𝑒𝑙𝑙2 + 𝑒𝑒𝑝𝑝2 + 𝑒𝑒𝑑𝑑2 + 𝑒𝑒𝑣𝑣2

Los vértices colocados deberán serlo en zonas de terreno estable, fuera de la zona de acción de la propia obra, fácilmente accesibles, empleando materiales que resistan los agentes externos, y que queden perfectamente fijadas al terreno. Es conveniente además señalizar su posición, para evitar su retirada accidental. Como es lógico, partiremos de los vértices

existentes en la zona, para transmitir las coordenadas de estos a los nuevos puntos de la red topográfica. En el caso de emplear GPS, se estacionará la antena fija en uno de los vértices que se encuentre más centrado con la zona de obra. Con el equipo móvil, y aplicando el método de observación adecuado, iremos “pisando” las distintas bases de la red. Hoy en día, con los nuevos sistemas GPRS, se puede trabajar con un solo equipo GPS, enlazamos, vía telefonía digital, con estaciones GPS fijas situadas en distintas organizaciones estatales o municipales, agilizándose el trabajo. Para determinar las cotas de los vértices, habrá que realizar una RED DE NIVELACION. Se pueden seguir varios métodos:

- Nivelación trigonométrica simple, corrigiendo las lecturas de esfericidad y refracción. - Nivelación trigonométrica por visuales reciprocas y simultaneas. Nos evitamos las

correcciones. - Nivelación geométrica, bien con niveles ópticos de alta precisión, o con niveles

electrónicos. Este método está indicado cuando se quieran altas precisiones en la determinación de las cotas.