INTEGRACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS GIS, GPS Y PDA PARA SU APLICACIÓN EN LA MEDICIÓN DE SUPERFICIES AGRÍCOLAS Y FORESTALES. AGUILERA UREÑA, María Jesús (1), JIMÉNEZ BERNI, José Antonio (2), MEROÑO DE LARRIVA, José Emilio (3). (1) Universidad de Córdoba ETSIAM, Dpto, Física Aplicada Correo electrónico : [email protected] (2) Universidad de Córdoba SCAI. Unidad de Técnicas Geoespaciales. Correo electrónico [email protected] (3) Universidad de Córdoba ETSIAM, Dpto. Ingeniería Gráfica e Ingeniería y Sistemas de Información Cartográfica Correo electrónico [email protected]

RESUMEN El avance de la tecnología en esto últimos años nos ha permitido disponer de receptores GPS de bajo coste, que integrados con PDAs, nos permitirán obtener posiciones en campo de manera simple, rápida y precisa. En este trabajo se presenta el equipo basado en tecnología GPS+PDA diseñado para la medida de superficies agrícolas o forestales. La aplicación permite en campo, mediante la implementación de un SIG basado en el software comercial ArcPad, la integración de los levantamientos de parcelas agrícolas basados en posicionamiento GPS (posicionamiento absoluto o mediante correcciones EGNOS), con la diferente cartografía existente en formato raster o vectorial (polígonos catastrales, ortofotografías digitales...). Asimismo, se presentará un análisis preliminar de la precisión obtenida en el posicionamiento utilizando equipos GPS de bajo coste, así como la precisión en la medida de superficies. Palabras clave: GPS, PDA, SIG, medida de superficie. ABSTRACT The advance of the technology in this last years has allowed to get low cost GPS receivers, that integrated with PDAs, will allow us to obtain precise positions of easy way. In this work is presented an equipment based on GPS+PDA technology, designed for the measurement of agricultural or forest surfaces. The application allows in field, by means of the implementation of a SIG based on the commercial ArcPad software, the integration of the measurement of agricultural parcels based on GPS positioning (absolute positioning or by means of EGNOS corrections) with different raster or vectorial existing cartography (cadastral polygons, digital orthophotos...). Also, a preliminary analysis of the precision is obtained, in the positioning using low cost GPS receivers, as well as the precision in the measurement of surfaces. Key words: GPS, PDA, GIS, surface measurement. Grupo temático: SIG: Sistemas de Información Geográfica y Cartografía.

1. Introducción En estos últimos años se ha popularizado el uso de navegadores basados en la integración de un PDA y un receptor GPS de bajo coste, para satisface una amplia variedad de aplicaciones para navegación vehicular, rastreo, deportes, tiempo libre...Al constituir así sistemas de navegación portátiles, se presentan como herramientas de gran utilidad en todos los sectores que demanden agilidad y movilidad en la captura de información, constituyendo soluciones ligeras, fáciles de utilizar y de muy bajo coste, idóneas para satisfacer necesidades de mapeo o navegación. Así, se plantea la posibilidad de utilizar estos sistemas para el levantamiento de parcelas agrícolas o forestales, operación que hasta ahora se ha venido realizando con equipos GPS de alta gama, más costosos, menos ligeros y más difíciles de utilizar. Una vez eliminada del sistema GPS la disponibilidad selectiva (año 2000), la precisión obtenida con uno de estos receptores de bajo coste, en modo absoluto y tiempo real, puede ser suficiente para la obtención de la superficie de parcelas agrícolas y forestales, en la mayor parte de las aplicaciones. Además, otro aspecto a tener en cuenta es que la mayor parte de los equipos de bajo coste vienen ya preparados para recibir las señales EGNOS. EGNOS es un sistema que permite mejorar la precisión, la integridad, continuidad y disponibilidad del sistema de navegación GPS, que se espera que esté plenamente operativo a partir del segundo cuatrimestre de 2005 [1], lo que supondrá una mejora sustancial en el uso de la señal GPS. En este trabajo se presenta el sistema GPS/PDA implementado por el grupo de trabajo de la universidad de Córdoba, describiendo el hardware y el software utilizado, así como la implementación informática de la aplicación. Finalmente se presentarán algunos resultados prelimitares conseguidos con este sistema, referentes a precisiones en el posicionamiento y en la medida de la superficies. 2. Sistema integrado PDA/GPS y software utilizado. Tras el análisis de los requerimientos y condicionantes del problema en cuestión, y analizadas las alternativas existentes en el mercado en el momento de la decisión, se optó por el equipo formado por la PDA Toshiba Pocket PC e800 y el GPS Pretec GPS Compact Flash, ambos mostrados en la figura 1.

Figura 1. PDA y GPS utilizados. Las principales características técnicas de ambos elementos se muestran a continuación: Toshiba Pocket PC e800 [2] • Procesador Intel® PXA263 a 400 MHz

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Comunicación inalámbrica incorporada, conectividad Wireless LAN (802.11b Wi-Fi) o BluetoothTM. Amplia capacidad de almacenamiento. 128 MB SDRAM / 32 MB Flash ROM / Memoria NAND Flash ROM de 32 MB. Pantalla color con retroiluminación de 4,0”; compatible con QVGA y VGA. Puerto de infrarrojos Batería recargable de ion de litio extraíble por el usuario.

Pretec GPS Compact Flash [3] • • • • • • • • •

Formato ComplactFlash. 12 canales paralelos para una rápida adquisición y readquisición. Soporta el protocolo NMEA-0183 v2.2. Algoritmos y protocolos optimizados para uso dentro y fuera de la ciudad. Funciona en cualquier slot Compact Flash (tipo I o II) o PCMCIA (con adaptador). Batería interna que minimiza los tiempos de adquisición de ubicación de satélites. Incluye antena externa magnética. Led indicador de comunicación estable. Antena interna.

En cuanto al software a utilizar, existen en el mercado una gran variedad de ellos, pudiendo agruparlos en dos tipos diferentes [4]: • Software cuya función principal es la navegación • Software de gestión de SIG y/o con funciones de CAD. Para nuestra aplicación se eligió el software ArcPad, aplicación SIG integrada dentro de la solución corporativa ArcGIS de ESRI destinada a dispositivos móviles. Esta herramienta está especialmente orientada a proyectos de captura de datos y recogida de información geográfica mediante posicionamiento GPS en campo, facilitando la edición de información vectorial en campo. La posibilidad de comparar datos espaciales y alfanuméricos almacenados en una base de datos, con las características reales del terreno, facilita el proceso de toma de información en campo. Así, en nuestra aplicación, a los recintos medidos en campo se los podrá asociar en campo información adicional de utilidad. Las principales características de ArcPad son [5]: • Lectura directa de diversos formatos estándar vectoriales (shp) y raster (MrSID, JPEG, BMP y PNG), así como servicios de imágenes de ArcIMS. • Integración con sistemas de posicionamiento GPS, tanto para la captura de información, como para navegación. • Tiene disponibles diversas herramientas para la búsqueda, visualización, y consulta de datos espaciales. • Posee herramientas de edición y captura de datos, lo cual puede hacerse vía ratón, lápiz magnético o GPS. • Herramientas que permiten la medición de áreas, distancias y direcciones. • Disponible para distintos sistemas operativos: Windows NT, Windows 2000, Windows XP y Windows CE.

Con el objeto de obtener una herramienta simple de utilizar y perfectamente adaptada a la resolución del problema concreto de medida de superficies en campo, se planteó la necesidad de personalizar la interface de usuario de ArcPad, así como desarrollar aplicaciones que se adaptaran a la metodología propia de trabajo en campo. Para poder

realizar estas personalizaciones se recurre al software asociado ArcPad Application Builder, que permite las siguientes posibilidades [5]: • • •

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Editor de barras de herramientas, que permite diseñar nuevas herramientas que incluyan funciones ya definidas en ArcPad, o herramientas con funcionalidad a medida. Editor de formularios, que permite la generación de nuevos formularios para automatizar y facilitar la captura de datos en el campo. Editor de scripts que automatizan tareas concretas, interactuando con los objetos del Modelo de Objetos de ArcPad, y con cualquier otro objeto ActiveX.

Herramientas para la construcción de applets, que satisfagan las necesidades de sus usuarios. Desarrollo de extensiones que soporten nuevos formatos de datos y protocolos GPS.

3. Descripción de la aplicación. Como se ha indicado anteriormente, el software utilizado ArcPad se ha personalizado con el objeto de obtener una aplicación simple de utilizar, y adaptada a la metodología de levantamiento de parcelas en campo. Así, la aplicación cuenta con las barras de herramientas que muestra la figura 2, que contienen todas las opciones necesarias, y sólo las necesarias de todas las que presentan las barras de herramientas estándares de ArcPad.

Figura 2. Barras de herramientas. A continuación se describen las opciones más interesantes, y obtenidas mediante la personalización con ArcPad Application Builder. Administración de Trabajos muestra un administrador de trabajos (figura 3), permitiendo abrir un trabajo El icono existente en la memoria de la PDA, borrar un trabajo o crear un trabajo nuevo

A la hora de crear un nuevo trabajo, además de asignar un nombre habrá que seleccionar el sistema de referencia en el que queremos que vengan expresadas las posiciones que tomemos en campo, eligiendo de entre varios (ED-50 o WGS-84, y en los distintos husos UTM) (figura 4). Así, si se elige el sistema ED-50, las posiciones WGS84 tomadas con el GPS se transformaran al sistema local a través del módulo de transformación implementado, mediante los siete parámetros de transformación que relacionan ambos sistemas de referencia.

Figura 3. Administrador de trabajos.

Figura 4. Definir trabajo nuevo.

Cartografía y navegación Una ventaja importante de la aplicación es que permite superponer cartografía raster y/o vectorial en los distintos formatos soportados por ArcPad, y poderla mantener de fondo en el levantamiento de las parcelas (figura 5).

Figura 5. Abrir cartografía.

Figura 6. Ortofoto digital de fondo.

Así, puede ser interesante poder ver en campo una ortofotografía digital de la zona, que nos permita controlar la parcela que se está midiendo, con una visión de conjunto aplicando

distintos niveles de zoom (figura 6), o que nos ayude a ir navegando hasta llegar al lugar concreto del trabajo. Levantamiento de recintos ArcPad presenta ciertas deficiencias a la hora de medir parcelas de manera sucesiva. La principal dificultad es que para medir una parcela, tendremos que recorrer todos los puntos en el orden definido por el perímetro. Además, si queremos medir dos parcelas colindantes, el lado común será necesario recorrerlo dos veces, una para cada parcela que queramos medir. Este problema se ha resuelto implementando un módulo basado en el procesado de códigos asociados a los puntos levantados en campo. Esto consiste en ir levantando en campo puntos, asignándoles un código, de modo que cuando tenemos todos los puntos levantados, procesando los códigos, se generan todos los recitos levantados, uniendo puntos con el mismo código. A un punto levantado en campo se le puede asignar más de un código, por lo que puede pertenecer a más de una parcela y se evita por tanto levantar el mismo punto más de una vez. La figura 7 muestra un ejemplo de posible numeración y asignación de códigos para el levantamiento de dos parcelas colindantes. 1, R1

2, R1+R2

R1

3, R2

R2

7, R1

6, R1+R2

5, R2

4, R2

Figura 7. Numeración y códigos para el levantamiento de dos parcelas con un lado común.

Por ello, la metodología de campo será levantar puntos (icono ), asignando a cada uno de ellos número, código y comentario (figura 8), y una vez levantados todos generar las parcelas mediante el procesado de los códigos (icono

) (figura 9).

Figura 8. Definición de punto.

Figura 9. Recinto generado al procesar códigos.

Una vez creadas las parcelas, la aplicación permite editar los datos de la medición correspondiente a cada una de ellas (área y perímetro) (figura 10), así como incorporar en la base de datos asociada información complementaria (fecha, persona que realiza el levantamiento...).

Figura 10. Edición de datos asociados a la medición. El resultado de la medición se almacenará en dos fichero formato .shp. Un fichero de puntos, con todos los puntos levantados, y otro de polígonos, con los recintos levantados y la información adicional almacenada.

4. Análisis de precisiones. En el momento actual se está realizado un análisis exhaustivo de la precisión que se puede alcanzar con el equipo diseñado en la medida de superficies, considerando los diferentes parámetros geométricos que pueden afectar a dicha precisión. No obstante, aquí se presenta, a modo de avance, un estudio preliminar de la precisión que puede dar idea de las posibilidades de utilización de equipos GPS de bajo coste en la medida de superficies. Para el estudio se ha partido del levantamiento de cinco parcelas de prueba, de distinta superficie, en la finca Rabanales de la Universidad de Córdoba. La figura siguiente muestra las parcelas de prueba levantadas (figura 11).

Figura 11. Parcelas de prueba. Parcela 1: Recinto A. Parcela 2: Recinto A+B Parcela 3: Recinto A+B+C Parcela 4: Recinto D Parcela 5: Recinto A+B+C+D Para el levantamiento de dichas parcelas se han observado un total de 63 puntos de control con equipo Trimble bifrecuencia, en modo relativo. La tabla 1 muestra un resumen de la precisión horizontal en las coordenadas WGS-84 obtenidas para estos puntos.

Mínima Máxima Media Desviación estándar

Precisión Horizontal (m) 0,007 0,003 0,005 0,001

Tabla 1. Precisión coordenadas planimétricas WGS-84 de los puntos de control.

La tabla siguiente muestra la superficie, el perímetro y el número de puntos de control que forman cada una de las parcelas de prueba: Superficie (m2) 17784,45 45076,08 82461,02 236929,98 319391,01

Parcela 1 Parcela 2 Parcela 3 Parcela 4 Parcela 5

Perímetro (m) 551,36 973,16 1204,14 2025,87 2296,65

Nº puntos control 13 23 31 36 47

Tabla 2. Superficie, perímetro y nº puntos de control de las parcelas de prueba. Las parcelas de prueba se han levantado con el equipo GPS-PDA objeto de evaluación, un total de 10 veces. A continuación se muestra un resumen de las precisiones obtenidas en la posición planimétrica de los puntos, para el conjunto de puntos levantados.

Error máximo (m) Error mínimo (m) Error medio (m) Desviación estándar (m)

Componente x 3,536 0,011 0,484 0,723

Componente y 5,154 0,178 1,637 1,130

Posición planimétrica 5,663 0,193 1,974 0,887

Tabla 3. Precisiones en las posiciones planimétricas. Se observa un error planimétrico máximo de 3.6 metros, con error medio de 2 m y desviación estándar inferir al metro. Con estas precisiones, las precisiones medias alcanzadas en la medida de las distintas parcelas se muestran en la tabla 4. Estas precisiones están expresadas en error en superficie, porcentaje que representa el error respecto a la superficie, y factor de perímetro. Este último expresa la relación entre el error superficial y el perímetro de la parcela, y representaría el ancho del buffer alrededor del perímetro que significa el error en superficie.

2

Error sup. (m ) % Sup. real Factor perímetro

Parcela 1 219,081 1,232 0,397

Parcela 2 485,864 1,078 0,499

Parcela 3 640,700 0,777 0,532

Parcela 4 636,385 0,199 0,277

Parcela 5 327,868 0,138 0,162

Tabla 4. Precisiones medias en la medida de superficie. A la vista de los resultados, se ve la clara y lógica influencia del tamaño de la superficie en el error superficial porcentual, siendo las superficies más pequeñas donde puede ser más restrictivo el uso de estos sistemas. 5. Conclusiones. En este trabajo se ha presentado una herramienta basada en la integración de una PDA y un GPS de bajo coste, con una aplicación tipo SIG diseñada para el levantamiento de parcelas agrícolas y forestales. Comparada con los costosos y poco manejables GPS que se han venido utilizando hasta ahora, supone un gran avance tecnológico, pudiendose extender su uso a multitud de situaciones en las que se hace necesario la recogida de información “in situ”.

En cuanto a las precisiones alcanzadas en la medida de la posición planimétrica, en modo absoluto se han obtenido precisiones medias de 2 m con 1 m de desviación estándar para el conjunto de puntos levantados en campo, precisiones que se espera que incluso puedan mejorar cuando el sistema EGNOS esté plenamente operativo. Respecto a la precisión en la medida de la superficie, como era de esperar, esta precisión depende de la superficie de las parcelas medidas, siendo los errores relativos mayores conforme disminuye el área. Para la menor parcela medida (1,7 has), el error porcentual obtenido ha sido poco mayor al 1%, error que entra dentro de la tolerancia de la mayor parte de aplicaciones que requieren medidas de superficie. Referencias. [1] www.pocketgps.co.uk/egnos.php [2] www.toshiba.com [3] www.pretec.com [4] QUINTANILLA GARCÍA, I. et al. Análisis de la integración de sistemas (SIG, GPS y PDA) para aplicaciones medioambientales “in situ”. XI Congreso Métodos Cuantitativos, Sistemas de Información Geográfica y Teledetección. Libro de Actas. 2004. [5] www.esri-es.com