Instrumentos Topograficos II

Brujula:

Generalmente un instrumento de mano que se utiliza fundamentalmente en la determinación del norte magnético, direcciones y ángulos horizontales. Su aplicación es frecuente en diversas ramas de la ingeniería. Se emplea en reconocimientos preliminares para el trazado de carreteras, levantamientos topográficos, elaboración de mapas geológicos, etc

Miras Verticales:

Son reglas graduadas en metros y decímetros, generalmente fabricadas de madera, metal o fibra de vidrio. Usualmente, para trabajos normales, vienen graduadas con precisión de 1 cm y apreciación de 1 mm. Comúnmente, se fabrican con longitud de 4 m divididas en 4 tramos plegables para facilidad de transporte y almacenamiento.

Existen también miras telescópicas de aluminio que facilitan el almacenamiento de las mismas

Mira Horizontal:

La mira horizontal de INVAR es un instrumento de precisión empleado en la medición de distancias horizontales.

La mira está construida de una aleación de acero y níquel con un coeficiente termal de variación de longitud muy bajo, prácticamente invariable, característica que da origen al nombre de MIRAS DE INVAR.         

La mira horizontal de INVAR,  posee dos brazos con marcos o señales separados entre sí 2 m [A], una base con 3 tornillos nivelantes [B] y un nivel esférico [C] para horizontalizarla. Cerca del centro de la mira se ubica un colimador [D] con una marca triangular [E] que sirve para centrar la mira, asegurando que la visual del teodolito sea perpendicular a la mira. A un lado del colimador se puede observar el comprobador [F], el cual, al ser visualizado desde el teodolito, permite comprobar la orientación de la mira. La mira debe ser centrada en el punto sobre un trípode [G]. Para poder medir una distancia horizontal con mira de INVAR, es necesario medir el ángulo horizontal con un teodolito con precisión de por lo menos de 1”.

La aparición de los distanciometros electrónicos, mas rápidos y precisos en la medición de distancias, ha ido desplazando el uso de las miras INVAR.

PLANIMETRO:

es un aparato de medición utilizado para el cálculo de áreas irregulares. Este modelo se obtiene en base la teoría de integrales de línea o de recorrido.

Estacion Total Electronica:

La incorporación de microprocesadores y distanciometros electrónicos en los teodolitos electrónicos, ha dado paso a la construcción de las Estaciones Totales.

Con una estación total electrónica se pueden medir distancias verticales y horizontales, ángulos verticales y horizontales; e internamente, con el micro procesador programado, calcular las coordenadas topográficas (norte, este, elevación) de los puntos visados. Estos instrumentos poseen también tarjetas magnéticas para almacenar datos, los cuales pueden ser cargados en el computador y utilizados con el programa de aplicación seleccionado

Estacion Robotica:

A principios de los años noventa, Geotronics AB introdujo en el mercado el Geodimeter System 4000, primer modelo de estación total robótica. El sistema consiste en una estación total con servo motor de rastreo y una unidad de control remoto de posicionamiento que controla la estación total y funciona como emisor y recolector de datos. Tanto la estación como la unidad de control remoto se conectan por medio de ondas de radio, por lo que es posible trabajar en la oscuridad.

Una vez puesta en estación, la estación total es orientada colimando un punto de referencia conocido y por medio de un botón se transfiere el control de la estación a la unidad de control Leonardo Casanova M. Instrumentos Topográficos 2-19 remoto de posicionamiento. A partir de este momento, el operador se puede desplazar dentro del área de trabajo con la unidad de control remoto recolectando los datos. Las estaciones robóticas vienen con programas de aplicación incorporados, que junto con las características mencionadas previamente, permiten, tanto en los trabajos de levantamiento como en los de replanteo, la operación del sistema por una sola persona

Distanciometro Electronico:

Instrumento científico de gran exactitud que permite medir con una precisión de milímetros distancias horizontales. Se compone de un espejo (prisma) que se coloca en un sitio fijo y de un rayo láser que se emite desde otro punto, igualmente fijo, hacia el espejo. Se mide el tiempo de viaje del láser y se determina la distancia. La comparación con medidas anteriores permite comparar las variaciones existentes.

 

Instrumentos Topográficos

En cuanto a los accesorios, algunos típicamente metrológicos se adaptan a estos instrumentos para permitir su uso industrial. Micrómetros de placas plano paralelas, oculares de autocolimación, pentaprismas, dianas, espejos, oculares acodados, espejos autonivelantes, objetivos de autorreflexión, etc., permiten que estos instrumentos diseñados para su utilización en las ciencias geográficas, se adapten a fines industriales.

Nivel Optico

Un nivel óptico es un instrumento que materializa un eje óptico horizontal. En la industria se utiliza para la nivelación de elementos o para la determinación de la diferencia de alturas. Exigen el calado de un nivel de burbuja muy sensible (habitualmente niveles de "burbuja partida"), salvo los automáticos de uso topográfico, que garantizan la horizontalidad tras el calado de un nivel de burbuja esférico poco preciso. Estos instrumentos trabajan por tanto ligados a la gravedad.

 

Habitualmente disponen de micrómetros de placas plano paralelas que permiten leer a reglas graduadas con resoluciones de 10 µm.

Los niveles más modernos sustituyen el ojo humano por cámaras CCD y las reglas graduadas convencionales por otras de "código de barras", de forma que se evalúa la altura interceptada mediante una correlación entre la imagen obtenida y un código de referencia. Estos instrumentos sacrifican precisión, pero permiten la automatización en la toma de datos. Son ampliamente utilizados en el control de deformaciones de las centrales nucleares.

Lógicamente tanto la horizontalidad del eje óptico del instrumento como la graduación de las reglas utilizadas deben ser convenientemente calibrados.

En topografía obtener incertidumbres de medida inferiores al centímetro requiere metodologías específicas, sin embargo en metrología 0,1 mm suele ser una precisión exageradamente alta

Teodolitos

Estos goniómetros están también ligados a la gravedad por su propia definición. Miden el ángulo horizontal, definido por el punto principal del teodolito y dos puntos, y el ángulo vertical, que forma una visual, medido desde la línea de la plomada. Algunos teodolitos de uso industrial permiten bloquear los sensores de gravedad para poder trabajar con cualquier inclinación.

En diversas aplicaciones industriales van provistos de un ocular de autocolimación, utilizándose para la determinación de planitud y rectitud, la alineación de ejes de giro de maquinaria, la calibración de mesas giratorias o la medida de los ángulos formados por las caras de un satélite.

La utilización de dos teodolitos convenientemente orientados constituye un método alternativo a las tradicionales máquinas de medición por coordenadas.

La exactitud de este método de intersección óptica depende, además del tipo de teodolito utilizado, de la geometría de la medida, de la estabilidad del objeto a medir y de los teodolitos y de las condiciones ambientales. Pueden alcanzarse precisiones del orden de 10-5 de la dimensión medida.

Las ventajas principales de este método de no contacto de medida 3D es poder desplazar los equipos a la sala donde se sitúe la pieza a medir y permitir la medida de piezas de cualquier dimensión. Sin embargo, por tratarse de un método de una cierta complejidad con tiempos de medición largos, puede afectar a la estabilidad del sistema y por tanto a su exactitud.

Algunas aplicaciones del método de intersección espacial mediante teodolitos son el control de robots, en la industria naval, espacial y de automoción, aunque ha dejado paso en muchas de sus aplicaciones a los sistemas de seguimiento láser.

Algunos teodolitos de uso industrial permiten bloquear los sensores de gravedad para poder trabajar con cualquier inclinación

Taquimetros:

Son teodolitos que disponen de dispositivos de medida de distancias, lo que permite su utilización en la determinación de objetos mediante el método de polares. La principal limitación de su utilización es la precisión de su medidor de distancias asociado, cuya mejor resolución no supera la décima de milímetro. Esto limita su utilización a la determinación 3D de grandes objetos, donde algunas décimas de milímetros de incertidumbre de medida no supone un problema.

Para la medida de distancias utilizan reflectores tipo esquina de cubo (retrorreflector) o placas adhesivas reflectantes.

Estos sistemas, al igual que el método anterior, van asociados a software metrológico, lo que les permite incrementar su versatilidad.

Una evolución de este sistema, mejorando su exactitud en gran medida, son los sistemas de seguimiento por láser. Los medidores dinámicos polares solucionan la falta de exactitud de los taquímetros en la medida de distancias, incorporando un interferómetro láser. Como éste no proporciona distancias absolutas, algunos sistemas incorporan además medidores de distancias similares a los de uso topográfico, pero de resolución metrológica (1 µm). Por otro lado, mantienen el dinamismo y la versatilidad. Los laser trackers eliminan el aspecto óptico de los instrumentos topográficos incorporando un sistema de seguimiento del reflector.

Este sistema, va implantándose en la Industria poco a poco, aunque su alto precio impide una utilización mayor.

La utilización de dos teodolitos convenientemente orientados constituye un método alternativo a las tradicionales máquinas de medición por coordenadas

Fotogrametría

Este procedimiento, ampliamente utilizado en topografía convencional aunque poco implantado en la Industria, goza de ventajas apreciables. Es un método de no contacto y permite su utilización en ambientes agresivos o con vibraciones, que pudieran impedir el funcionamiento de los sistemas anteriores. Utiliza, al igual que la medida mediante teodolitos, el método de intersección espacial o triangulación y también precisa del conocimiento de la posición relativa de las cámaras durante la toma.

La obtención de las coordenadas 3D de un punto se obtienen mediante la intersección de las rectas definidas por las coordenadas del punto principal de cada cámara y de las fotocoordenadas de la imagen del punto a determinar. La utilización de modernas cámaras métricas digitales facilita el proceso. La precisión de este método puede alcanzar hasta 10 µmm, dependiendo de la distancia del objeto a las cámaras y de la geometría de la intersección

Necesidad de calibración

Se ha puesto de manifiesto la amplia aplicabilidad de los instrumentos topográficos en distintos sectores de la Industria. Pero no sólo debe tenerse presente el fin de medición del sistema, sino que debe contemplarse las necesidades de calibración que ello conlleva. Por ello en el Área de Longitud del Centro Español de Metrología se ha habilitado un Laboratorio de Instrumentos Topográficos destinado a dar este servicio.

En aquellos casos donde aún no se dispone de suficiente información sobre los procedimientos de calibración más adecuados, se están desarrollando los estudios pertinentes, como por ejemplo, con los sistemas de seguimiento láser.

Cinta Metrica:

Es utilizada en medición de distancias se construye en una delgada lámina de acero, aluminio o de fibra de vidrio. Las cintas métricas más usadas son las de 10, 15, 20, 25, 30,50 y 100 metros, con menores longitudes (de 1 a 10 m). Lo denominan flexómetros y pueden incluir un mecanismo para rebobinado automático de la cinta. 

Dependiendo del tipo de material en que está construida una cinta, se obtiene un precisión determinada que viene indicada por la clase de la cinta, (homologación), clase I, II, II, las más precisas señalan de clase I, las cintas más utilizadas en general son clase II (metálicas) o clase III ( fibra de vidrio).

Por lo general están protegidas dentro de un rodete metálico ó de PVC (carcasa cerrada), las cintas a partir de 30 m se construyen también con soporte abierto por lo general en forma de cruceta lo que facilita la limpieza y el rebobinado.

Escuadra Optica:

sirve para implantar un ángulo recto, trazar una perpendicular a un punto preciso, sobre una recta jalonada o alinear dos puntos.PRECISIONES:
1' : 0,2cm a 10m o 1,3cm a 50m
2' : 0,6cm a 10m o 2,6cm a 50m
3' : 0,9cm a 10m o 3,9cm a 50m

Clisimetro:

este instrumento sirve tanto para la nivelación directa como para medir los ángulos de las pendientes. Se muestra este instrumento que tiene dos graduaciones una en grados y otra en taludes o pendientes.
Cuando se utiliza como nivel, el índice del vernier se pone en cero, y luego se utiliza en la misma forma que el nivel de mano. Cuando se utiliza como clisimetro, se ve el objeto haciendo girar el tubo de nivel alrededor del eje del arco vertical, hasta que el hilo transversal bisecta la burbuja al verla por el ocular. Entonces se lee el ángulo de talud.

Jalon:

era originariamente una vara larga de madera, de sección cilíndrica o prismática rematada por un regatón de acero, por donde se clava en el terreno. En la actualidad, se fabrican en chapa de acero o fibra de vidrio, en tramos de 1,50 m. ó 1,00 m. de largo, enchufables mediante los regatones o roscables entre sí para conformar un jalón de mayor altura y permitir una mejor visibilidad en zonas boscosas o con fuertes desniveles. Se encuentran pintados (los de acero) o conformados (los de fibra de vidrio) con franjas alternadas generalmente de color rojo y blanco de 25 cm de longitud. Los colores obedecen a una mejor visualización en el terreno y el ancho de las franjas se usaba para medir en forma aproximada mediante estadimetría.

Los jalones se utilizan para marcar puntos fijos en el levantamiento de planos topográficos, para trazar alineaciones, para determinar las bases y para marcar puntos particulares sobre el terreno. Normalmente, son un medio auxiliar al teodolito, la brújula, el sextante u otros instrumentos de medición electrónicos como la estación total. También son usados en la arqueología

Plomada:

es una pesa normalmente de metal de forma cónica o cilíndrica, que mediante la cuerda de la que pende marca una línea vertical; de hecho la vertical se define por este instrumento. También recibe este nombre una sonda. usada para medir la profundidad del agua.

  

Tipo de levantamientos topograficos

1. De terrenos en general - Marcan linderos o los localizan, miden y dividen superficies, ubican terrenos en planos generales ligando con levantamientos anteriores, o proyectos obras y construcciones.

2. De vías de comunicación - Estudia y construye caminos, ferrocarriles, canales, líneas de transmisión, etc.

3. De minas - Fija y controla la posición de trabajos subterráneos y los relaciona con otros superficiales.

4. Levantamientos catastrales -Se hacen en ciudades, zonas urbanas y municipios, para fijare linderos o estudiar las obras urbanas.

5. Levantamientos aéreos -Se hacen por fotografía, generalmente desde aviones y se usan como auxiliares muy valiosos de todas las otras clases de levantamientos.

La teoría de la topografía se basa esencialmente en la Geometría Plana y Del Espacio, Trigonometría y Matemáticas en general.

Hay que tomar en cuenta las cualidades personales como la iniciativa, habilidad para manejar los aparatos, habilidad para tratar a

Las personas, confianza en si mismo y buen criterio general.

Procesos que se desarrollan en la topografía:

LA NIVELACION: La nivelación geométrica o nivelación diferencial es el procedimiento topográfico que nos permite determinar el desnivel entre dos puntos (A Y B), mediante el uso del nivel y de la mira vertical

La nivelación geométrica mide la diferencia de nivel entre dos puntos a partir de la visual horizontal lanzada desde el nivel hacia las miras colocadas en dichos puntos

Cuando los puntos están separados a una distancia mayor que el límite del campo topográfico, o que el alcance de la visual, es necesario la colocación de estaciones intermedias y se dice que es una nivelación compuesta.

Para realizar una nivelación, debemos de decidir una estrategia de trabajo, Seleccionar los instrumentos  y accesorios necesarios y diseñar un formato para anotar los datos del terreno es decir llevar un registro de campo.

La Planimetría: La planimetría estudia los instrumentos y métodos para proyectar sobre una referencia horizontal, la exacta superficie plana, posición en los puntos más importantes del terreno y construir de esta manera una figura (plano).

La Altimetría: tiene por objeto determinar las cotas (alturas), de los diferentes puntos con respecto a una superficie de referencia, generalmente correspondiente al nivel medio del mar o arbitrario, los elementos necesarios para una buena representación se obtienen mediante un levantamiento, operación técnica que consiste en medir directamente en el terreno.

Así se consiguen planos relativos a una ciudad, un tramo de rio, un bosque una fabrica, una zona genética etc., que interesan, según los datos especialmente puestos de relieve, para ingeniería de caminos, ferroviaria, civil, hidráulica, etc.  

Sobre el plano, las dimensiones de los diversos objetos (caminos, senderos, edificios, cursos de aguas, relieves, etc.) se producen con signos convencionales, reduciendo las diferencias relativas que toma el nombre de “escala”  

Los signos convencionales, aunque son por lo general los mismos en todos los planos topográficos, se reproducen siempre en todos ellos para que su lectura sea más fácil y rápida

En topografía la distancia entre dos puntos es generalmente aquella que separa dichos puntos sobre la superficie de la referencia dada; analógicamente, los ángulos se consideran referidos a puntos proyectados sobre el plano horizontal y contribuyen a determinar las posiciones planimetrías de los diversos puntos.

Los ángulos cenitales se miden, en cambio, sobre planos verticales y son de elevación o de depresión, según que la visual este dirigida por encima del horizonte, la posición altimétrica de los diversos puntos sirve para determinar la cota.

Levantamiento y representación de superficies

El método de campo a utilizar para el levantamiento y representación de superficies depende de múltiples factores entre los cuales podemos mencionar:

Factores:

Área de estudio (Lugar de estudio) 

Escala de terreno (Plano, con pendiente o escabroso)

Equidistancia de las curvas de nivel

Características y tipo de proyecto a desarrollar

Equipo disponible (instrumentos y accesorios)

Métodos:

Entre los métodos más comunes empleados tenemos:

Método de la cuadricula

Método de radiación

Método de la cuadricula:

Este método se utiliza para levantamientos de areas pequeñas, en terrenos planos, con pendientes uniformes de baja vegetación.

El método consiste en trazar sobre el terreno un sistema reticular de 5, 10 ó 20 m de lado con la ayuda de cintas métricas, taquímetro, nivel, escuadras; dependiendo de la precisión requerida.

Luego se estaciona el instrumento en un punto conveniente, cercano al centro del área a levantar, de donde se pueden tomar lecturas a la mira en el mayor numero de intersecciones conocida la cota o elevación de la estación y con las lecturas a la mira, se calculan las cotas de los puntos de intersección

En caso de ser requerido un cambio, se debe tener cuidado de calcular la cota de la nueva estación antes de mudar el instrumento.

Finalmente, se elabora el plano acotado, se interpola y se traza las curvas de nivel cada intersección de la cuadricula es marcada con una estaca o ficha e identificada por una letra y un numero, tal y se debe registrar en la libreta de campo.  

Método de radiación:

El método de radiación es el método común empleado en levantamientos de superficies de mediana y gran estencion, en zonas de topografía accidentada, con vegetación espesa.  

Este método se apoya en un poligonal base previamente levantada a partir de cuyos vértices se hacen radiaciones a fin de determinar la ubicación de los puntos de relleno y de detalles.   

Los equipos utilizados para levantamiento por radiación son el taquímetro y mira vertical o estación total y prisma. En caso de utilizar taquímetro y mira vertical, se deben anotar los angulos verticales y horizontales y las lecturas a la mira con hilos del retículo distanciometro.

Cuando se usa estación total con prisma generalmente los puntos quedan grabados automáticamente por sus coordenadas, en un archivo con formato ASII en la libreta de campo electrónica.

La figura representa un levantamiento por radiación con apoyo en la poligonal E1-E2-E3

Campo de Accion

La topografía es esencial en varios campos; por ejemplo:

·         Agrimensura

·         Alcantarillados

·         Arquitectura

·         Batimetría

·         Cartografía

·         Diseño de vías

·         Geografía

·         Ingeniería Ambiental

·         Ingeniería Petrolera

·         Ingeniería de Minas

·         Ingeniería Geográfica

·         Ingeniería Catastral y Geodesia

·         Ingeniería Forestal

·         ingeniería agrícola

·         Ingeniería civil

·         Minería

·         Oceanografía

·         Sistemas de Información Geográfica

·         Túneles

·         Ingeniería en Transporte y Vías de Comunicación

Significado

La topografía es la ciencia que estudia el conjunto de principios y procedimientos que tienen por objeto la representación gráfica de la superficie de la tierra, con sus formas y detalles, tanto naturales como artificiales. Esta representación tiene lugar sobre superficies planas, limitándose a pequeñas extensiones de terreno, utilizando la denominación de geodesia para áreas mayores. De manera muy simple, puede decirse que para un topógrafo la Tierra es plana, mientras que para un geodesta no lo es.

Para eso se utiliza un sistema de coordenadas tridimensional, siendo la X y la Y competencia de la planimetría, y la Z de la altimetría.

Los mapas topográficos utilizan el sistema de representación de planos acotados, mostrando la elevación del terreno utilizando líneas que conectan los puntos con la misma cota respecto de un plano de referencia, denominadas curvas de nivel, en cuyo caso se dice que el mapa es hipsografico. Dicho plano de referencia puede ser o no el nivel del mar, pero en caso de serlo se hablará de altitudes en lugar de cotas.

INTRODUCCION

La Topografía es una disciplina cuya aplicación está presente en la mayoría de las Actividades humanas que requieren tener conocimiento de la superficie del terreno donde tendrá lugar el desenvolvimiento de esta actividad. En la realización de obras civiles, tales como acueductos, canales, vías de comunicación, embalses etc., en la elaboración de urbanismos, en el catastro, en el campo militar, así como en la arqueología, y en muchos otros campos, la topografía constituye un elemento indispensable.

Podemos suponer que la Topografía tuvo su inicio desde el momento en que la especie humana dejó de ser nómada para convertirse en sedentaria. La necesidad de establecer límites precisos e invariables en el tiempo entre las propiedades seguramente hizo surgir los primeros métodos e instrumentos topográficos elementales. Las primeras referencias por escrito sobre el uso de la topografía se remontan a la época del imperio egipcio, hacia el 1.400 a.C., donde fue utilizada para determinar linderos entre propiedades en los valles fértiles del Nilo. Los instrumentos y métodos que los egipcios utilizaban en la topografía fueron adoptados por los romanos, tras su ocupación de Egipto, y completados con la trigonometría, desarrollada por los griegos. Los romanos usaron en forma extensa esta disciplina en sus obras civiles, tales como acueductos y caminos. Un ingeniero y topógrafo romano, Sextus Julius Frontinus, escribió entre otras obras el primer tratado de topografía, del cual se han conservado algunas copias de sus partes, ya que el original se perdió. La modernización de la topografía se inicia a principios del siglo XVII, con el desarrollo del anteojo astronómico, ideado por el astrónomo alemán Johannes Kepler y con la cadena desarrollada por el matemático inglés Edmund Gunter, la cual introdujo el primer estándar en la medición de distancias. A partir de este siglo los aportes en métodos topográficos, cálculos numéricos e instrumentos fueron constantes, hasta alcanzar su madurez a principios del siglo XIX. En el siglo XX, la topografía se enriqueció con el aporte de la Fotogrametría, para realizar el levantamiento de zonas extensas, así como con instrumentos tales como el computador, el distanciómetro electrónico y los niveles láser, así como con el Sistema de Posicionamiento Global.