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Ciencia e Innovación Revista Científica Semestral

Investigación, Desarrollo e Innovación

Vol. 2, Núm. 2 / Agosto – diciembre de 2019

ISSN-2594-150X

2019

USO DEL GPS DIFERENCIAL PARA LA INTEGRACIÓN DE UN SISTEMA

DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA AGRÍCOLA

Carlos Miguel Ramos-Cruz; Gerardo Delgado-Ramírez; Enrique Miguel-Valle; Juan

Estrada-Avalos; Emilia Raquel Pérez-Evangelista.

Ciencia e Innovación, Vol. 2, Núm. 2 / Agosto – noviembre de 2019, pp. 159 - 169

Universidad Galileo Galilei

Tuxtla Gutiérrez, Chiapas

159

USO DEL GPS DIFERENCIAL PARA LA INTEGRACIÓN DE UN SISTEMA DE

INFORMACIÓN GEOGRÁFICA AGRÍCOLA

USE OF DIFFERENTIAL GPS FOR THE INTEGRATION OF AN

AGRICULTURAL GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM

Carlos Miguel Ramos-Cruz1*; Gerardo Delgado-Ramírez2; Enrique Miguel-Valle3;

Juan Estrada-Avalos2; Emilia Raquel Pérez-Evangelista3. 1*Campo Experimental, General Terán-INIFAP, Km 31, Carretera Montemorelos-China, General Terán, Nuevo León. C.P. 67400. 2Centro

Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua Suelo Atmósfera (CENID-RASPA) del INIFAP. Canal Sacramento Km. 6.5.

C.P. 35140. Gómez Palacios, Durango. 3Técnico auxiliar de Investigador del CENID RASPA, INIFAP. ramos.carlos@inifap.gob.mx

RESUMEN

El GPS es el método más utilizado para la

localización, debido a su fácil manejo, pero

también a que es una forma económica de

obtener una posición absoluta sobre la

superficie terrestre. En la agricultura el uso del

GPS hace posible registrar la variabilidad

existente como datos codificados

geográficamente. Además, con esta tecnología

podemos tener mayor detalle del campo, lo

cual, hace posible que el usuario obtenga una

base de datos más grande sobre las

condiciones del predio. Sin embargo, para

almacenar y utilizar estos datos, se requiere de

la aplicación de un SIG. Con el uso de estas

tecnologías es posible tener una visión más

compleja de la parcela con la finalidad de

incrementar la eficiencia del manejo agrícola.

El objetivo del presente estudio fue generar un

SIG de un predio agrícola mediante datos GPS

de precisión. Para esto, se realizó un

levantamiento topográfico detallado del predio

con un GPS diferencial, y se generó un SIG de

la parcela mediante el software QGIS. Con el

uso del GPS y el SIG se obtuvo un mapa

detallado del área de estudio y a la vez se

concibió información de alta variación y

precisión que es de utilidad para la toma de

decisiones sobre el manejo de los recursos

utilizados en la producción agrícola.

Palabras clave: GPS, SIG, Agricultura.

SUMMARY

The GPS is the most used method for

localization, due to its easy handling, but also

to an economic way of obtaining an absolute

position on the Earth's surface. In agriculture,

the use of GPS makes it possible to record the

variability that exists in how geocoded data. In

addition, with this technology we can have

more detail of the field, which makes it

possible for the user to obtain a larger database

about the conditions of the property. However,

to store and use this data, the application of a

GIS is required. With the use of these

technologies it is possible to have a more

complex vision of the plot in order to increase

the efficiency of agricultural management.

The objective of the present study was to

generate an agricultural GIS using precision

GPS data. For this, a detailed topographic

survey of the site was carried out with a GPSD

and a GIS was generated from the plot using

the QGIS software. With the use of the GPSD

and the GIS, a detailed map of the study area

was generated and, at the same time,

information of high variation and precision

was generated that is useful for making

decisions about the management of the

resources used in agricultural production.

Key words: GPS, GIS, Agriculture.

Recibido: 12 de junio de 2019 Aceptado: 11 de septiembre del 2019.

Publicado como ARTÍCULO CIENTÍFICO en Ciencia e Innovación 2(2): 159 - 169

160 Ramos-Cruz et al. Փ Uso del GPS diferencial para la integración de un sistema de información geográfica agrícola

INTRODUCCIÓN

a introducción de los satélites impulso el desarrollo del sistema global de

navegación por satélite (GNSS), entre los que se distinguen el sistema de

posicionamiento global (GPS), GLONAS, Galileo y BeiDou (Kudas & Wnęk,

2019). El GPS es el método más utilizado para la localización, debido a su fácil manejo, pero

también a que es una forma económica de obtener una posición absoluta sobre la superficie

terrestre. En el mercado actual existen distintos tamaños, formas y precios de estos equipos,

desde los más económicos incorporados en la telefonía móvil, hasta equipos profesiones con

precisión milimétrica y costos que superan los miles de dólares (Schrader et al., 2016). Entre

los equipos con mayor precisión se encuentra el GPS diferencial (GPSD), el cual se basa en

estaciones fijas en tierra para recibir la señal de los satélites y realizar correcciones

pertinentes, de modo que los receptores las puedan recibir y utilizar para corregir sus propias

señales (Pachas, 2009).

El uso del GPS hace posible registrar la variabilidad que existe en un campo como datos

codificados geográficamente (Daum, 2019). Es posible determinar y registrar la ubicación

correcta de manera continua, además con esta tecnología podemos tener mayor detalle del

campo, lo cual, hace posible que el usuario obtenga una base de datos más grande sobre las

condiciones del predio (Neményi et al., 2003). Para almacenar y utilizar estos datos, se

requiere de la aplicación de un Sistema de Información Geográfica (SIG). Mediante los SIG

es posible crear una visión compleja del campo de manera digital y al mismo tiempo realizar

la interpretación de la misma (Ramos et al., 2007). El objetivo del presente estudio fue

generar un SIG de un predio agrícola por medio de datos obtenidos con un GPS diferencial

(GPSD), con la finalidad de hacer un uso eficiente de los recursos utilizados en la producción

de los cultivos.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en un predio agropecuario localizado en la Región Lagunera de Durango,

éste se ubica geográficamente entre las coordenadas 25° 48’ 32’’ y 25° 47’ 01’’ Latitud

Norte, 103° 25’ 41’’ y 103° 23’ 06’’ Longitud Oeste a una altitud promedio de 1,111 m

(Figura 1). El clima de la región es seco desértico, con presencia de lluvia en verano e

invierno fresco, con un promedio de precipitación de 258 mm y evaporación media anual de

L

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2000 mm; por lo cual la relación precipitación-evaporación es 1:10, la temperatura promedio

es de 21 °C (Montemayor et al., 2012).

Figura 1. Localización geográfica del área de estudio.

Características del equipo GPSD

El equipo que se utilizó en el presente trabajo es un GPS diferencial de la marca Trimble ®,

el cual está constituido de una robusta antena L1 Trimble® A3, receptor GPS Trimble R3,

colector de datos TrimbleRecon con TDFB. Sistema operativo Microsoft Windows Nobile,

de 12 canales L1, fase portadora completa en L1, WAAS/EGNOS y una precisión en

horizontal de ± 10 mm + 1ppm RMS y vertical ± 20 mm +1 ppm RMS para levantamientos

cinemáticos (Trimble, 2006a).

Para que el GPS funcione en modo diferencial, es necesario utilizar dos receptores al mismo

tiempo. Uno de los cuales es configurado como base, el cual se coloca en un punto fijo

durante la sesión de trabajo. El segundo receptor se configura como móvil y este equipo se

desplaza sobre los puntos de interés para el levantamiento (Ayala y Hasbun, 2012). La

monofrecuencia significa que el receptor GPSD recibe todas las señales de la portadora L1

(1575.42 MHz), además de tomar mediciones de código C/A (Coarsel/Adquisition) y los

códigos de cifrado de precisión (EAM, 2019).

Instalación y configuración del DGPS Base

162 Ramos-Cruz et al. Փ Uso del GPS diferencial para la integración de un sistema de información geográfica agrícola

La instalación del GPSD se realizó considerando los siguientes criterios: que el equipo se

instalara en un área libre de interferencias de señal (cerca de edificios, árboles, cableados

eléctricos de alta tensión), que la base estuviera bien nivelada y centrada al punto de

referencia o mojonera. Estos criterios se consideraron con la finalidad de disminuir el error

de precisión. La configuración del receptor base depende del área donde se realice el trabajo.

Para el caso de estudio se utilizó el sistema de coordenadas Universal Transversal de

Mercator (UTM), con Datum WGS 84 para la zona 13 Norte. El levantamiento que se utilizo

fue PPK cinemático, el cual almacena las observaciones brutas y que posteriormente

requieren de un post-proceso para el ajuste de corrección (Ramos et al., 2014).

Levantamiento topográfico

El levantamiento topográfico se realizó con el GPSD móvil, con este equipo se midieron las

distintas áreas de las parcelas agrícolas de importancia para el productor. Asimismo, se

realizó un levantamiento detallado del predio, el cual consistió en obtener información

georreferenciada de las distintas infraestructuras agrícolas como son: la delimitación de las

parcelas; áreas de las tablas agrícolas; áreas por melgas, caminos de acceso; áreas de los

estanques; caracterización del sistema de riego (canales, tuberías de conducción, válvulas,

entre otras), ubicación geográfica de los pozos y de todas las áreas que conforman toda la

propiedad.

Post-proceso

Los datos recolectados en campo con el GPSD necesitan de un post-proceso para garantizar

la precisión y coherencia, además de cumplir con los requerimientos específicos del proyecto.

El post-proceso se realizó en gabinete con el software Trimble Business Center®, Ver. 2.0,

que es un sistema que permite la solución de puntos individuales o de redes geodésicas

complejas (Trimble, 2006b). Para el post-proceso de la base se realizó el siguiente

procedimiento:

Descarga de Archivos RINEX: Para ligar el levantamiento geodésico a las estaciones de la

Red Geodésica Nacional Activa (RGNA) administrada por el INEGI, se utilizó información

de las estaciones que integran esta red. Cada estación registra de manera continua los datos

del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) y al mismo tiempo funciona como

punto de referencia para determinar las distancias entre sus posiciones altamente precisas y

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la posición del nuevo punto derivado de la técnica de posicionamiento diferencial (INEGI,

2018). Los datos geodésicos de las estaciones de la RGNA se generan en formato RINEX

(Receiver Independent Exchange Format), el cual es un formato global donde se almacenan

las observaciones satelitales proporcionadas por los receptores del GNSS como GPS,

GLONASS y Galileo (INEGI, 2017b). El formato Rinex surgió debido a que cada marca y

modelo de receptor tenían su propio formato de datos y estos no podían procesarse de manera

conjunta en un solo software por lo que fue necesario crear un formato global de intercambio

de datos el cual se basa en la propuesta del Instituto Astronómico de la Universidad de Berna,

Suiza (Torrecillas y Martínez, 1999).

Para este trabajo se utilizaron los archivos Rinex de las estaciones IDGO, MTY2 y CULC

pertenecientes a la RGNA con observaciones a intervalos de grabación de 15 s, durante las

24 h día-1. Estos archivos se descargaron de manera gratuita desde el portal de INEGI

(http://www.beta.inegi.org.mx/app/geo2/rgna/).

Unión de archivos RINEX: Se utilizó el software Unerimex Ver. 5.1, que se encuentra

disponible de manera gratuita en el portal de INEGI en el submenú herramientas del menú

RGNA https://www.inegi.org.mx/temas/mapas/geodesia_activa/. Este software permite unir

archivos Rinex con observables en L1 y L2 del GPS a partir de los archivos del GNSS que

generan las estaciones de la RGNA. Para el post-proceso se utilizó el archivo con terminación

“O” el cual resulta de la unión de los archivos Rinex. El archivo “O” de salida contiene las

observaciones GPS, libre de las observaciones Galileo y Glonass (INEGI, 2017a).

Obtención de Efemérides: Para calcular la posición correcta de un punto sobre la superficie

terrestre es necesario conocer las coordenadas de los satélites a los que se esté observando.

Estos datos se obtienen mediante las efemérides, las cuales contienen las posiciones o

ubicaciones de un objeto celeste en función del tiempo a intervalos constantes de tiempo.

Para este estudio se utilizaron las efemérides finales, que se publican entre los 12 y 18 días

posteriores al tiempo del estudio en el portal del International GNSS Service (IGS) de manera

gratuita (IGS, 2018). Para identificar de manera precisa la efeméride correspondiente a la

fecha del trabajo se utilizó el calendario y utilidad GNSS disponible en

http://www.gnsscalendar.com/.

Ajuste de levantamiento

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Con la finalidad de reducir los errores entre el levantamiento se realizó un post-proceso entre

el receptor base y el receptor móvil. Utilizando nuevamente el software Trimble Business

Center® y la coordenada obtenida en el ajuste de la base. En esta ocasión se declaró como

punto de control la base ajustada del levantamiento y se corrigió el error existente entre

ambos equipos. Una vez terminado el post-proceso se obtuvo un archivo en formato TXT

donde se encuentran las coordenadas ajustadas, estas pueden ser proyectadas en distintos

softwares para la generación de mapas como: ArcGIS, QGIS, Global Mapper, AutoCAD e

incluso se puede proyectar en plataformas web como google earth.

Proyección de puntos obtenidos del GPSD

El software QGIS no reconoce ningún archivo con formato xlsx, por tal motivo fue necesario

guardar todas las coordenadas de los distintos levantamientos del GPSD corregidos en un

archivo con formato CSV y ordenarlos por columna. Una vez guardado todos los archivos

con formato CVS con el complemento añadir capa de texto delimitado del QGIS, se

proyectaron los puntos con datum WGS 84 y proyección UTM, zona 13 N.

Integración del Sistema de Información Geográfica

Se realizó en el Laboratorio SIG Agua-Suelo, del CENID-RASPA- INIFAP, con sede en

Gómez Palacio, Durango, para esto se digitalizaron las coordenadas obtenidas en campo con

el GPSD. Se utilizó el software de código libre Quantum GIS (QGIS), con una proyección

UTM, Datum WGS 84 para la zona 13 N. Se generaron distintos archivos en formato

vectorial; se utilizaron puntos para las shapefile de pozos profundos, válvulas y rebombeos;

líneas para tubería de conducción y canales; y polígonos para el límite de propiedad, tablas,

melgas y estanque.

Adición de atributos a los mapas

Los mapas digitales deben disponer de información de origen y de las modificaciones

realizadas, por tal motivo es necesario que contengan información que ayuden a su rápida

identificación (Harlow & Vienneau, 2003). Dependiendo del tipo de shapefile se agregó

información como: nombre del usuario, longitud, ubicación (coordenadas X y Y), superficie,

cultivo, ancho y longitud de melga.

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El uso del GPSD y el SIG nos permito crear un mapa detallado de nuestra área de estudio y

a la vez extraer y generar información con alta variación y precisión dentro del campo en

lugar de estimar un valor promedio para la parcela o melgas como se realizaba anteriormente

por el propietario y encargado del manejo agrícola. Al respecto, en un estudio realizado por

Ramos et al. (2007) donde mapearon plantaciones de olivares para conocer el movimiento

de los árboles, concluyeron que el uso del GPS y SIG son muy útiles para obtener un análisis

del manejo de estas plantaciones u otros árboles frutales, porque este sistema permite analizar

resultados en detalle o mapear a pequeña escala. Sin embargo, el uso del GPSD puede ser un

poco inaccesible para pequeños productores por el alto costo de los equipos (Wessel et al.,

2018).

En la Figura 2 se muestran las tablas evaluadas para el presente estudio, donde la tabla No. 1

tiene una superficie de 72.93 ha distribuida en 123 melgas con un promedio de 5859.73 m2

por melga y la tabla No. 2 tiene una superficie de 76.65 ha distribuida en 125 melgas con una

superficie promedio de 6027.96 m2. Mediante el uso del GPSD y los SIG fue posible conocer

la superficie real de cada melga, esta información es de suma importancia para el manejo del

riego por tiempo, para la cantidad de semillas y en la aplicación de productos químicos.

Burgos et al. (2007) señalan que contar con información de calidad sobre las parcelas

agrícolas ayuda a reducir de manera sustancial las dosis e insumos agrícolas aplicados, sin

que se afecte la calidad y el rendimiento de los cultivos. En otro estudio realizado por

Delgado et al. (2017) reortaron que mediante el uso del GPS y SIG se puede reducir un 3.8%

los costos por compra de semillas y fertilizantes, así mismo, un ahorro significativo (18%)

del volumen de agua de riego aplicado y de energía eléctrica utilizada en la producción.

Además, con estos ahorros se contribuye a disminuir la contaminación ambiental causada

por la lixiviación de nutrientes y el uso excesivo de químicos (Neményi et al., 2003).

166 Ramos-Cruz et al. Փ Uso del GPS diferencial para la integración de un sistema de información geográfica agrícola

Figura 2. Distribución geográfica de las tablas y melgas que integran el área de estudio.

En la figura 3 se muestra el sistema de riego del predio el cual es tipo válvulas alfalferas en

circuito cerrado, cuenta con 8.5 km de tubería de conducción PVC de 14” de diámetro y los

elevadores, válvulas alfalferas y codo de arranque de 12”. La separación promedio entre

válvulas es de 57.84 m. El sistema es alimentado por dos rebombeos que extraen el agua de

un estanque con un volumen aprovechable de 48,449 m-3. El estanque se alimenta de cinco

pozos, los cuales desembocan su caudal al estanque por tubería PVC de 10”. Tener un

inventario detallado del sistema de riego y las parcelas agrícolas (SIG) como herramienta de

gestión de información permite a los usuarios contar con información verídica, actualizada y

con la capacidad de comparación con otro tipo de información en tiempo real (Luorno et al.,

2014). Además, de ser una herramienta de gran importancia para la toma de decisiones sobre

el manejo de los recursos de la propiedad (Kose et al., 2017).

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Figura 3. SIG generado de la parcela agrícola mediante el uso del GPSD.

CONCLUSIONES

El uso de GPSD para la generación de un SIG de una parcela agrícola nos permite tener una

mayor precisión en comparación con el empleo de información obtenida por imágenes de

satélite u otros equipos topográficos. Mediante el uso de estas tecnologías se obtiene

información más completa, que nos ayuda al memento de tomar decisiones sobre el uso

eficiente del agua de riego, fertilizantes e insumos requeridos para la producción agrícola.

Otra ventaja que nos proporciona utilizar el GPSD en levantamientos de parcelas agrícolas

además de su precisión es que no se necesita tener una línea de visión directa entre el receptor

en movimiento y la base.

LITERATURA CITADA

Ayala, A., y Hasbun, M. (2012). aplicaciones y uso de la tecnología de GPS diferencial de

doble frecuencia con precisión centrimétrica en el Área de levantamiento y replanteo

topográfico georeferenciado, Universidad de el Salvador, San Salvador.

Burgos, X. P., Ribeiro, A., y Santos, M. d. (2007). Controlador Borroso Multivariable para

el Ajuste de Tratamientos en Agricultura de Precisión. Revista Iberoamericana de

Automática e Informática Industrial RIAI 4 (1): 64-71.

168 Ramos-Cruz et al. Փ Uso del GPS diferencial para la integración de un sistema de información geográfica agrícola

Daum, T. (2019). ICT Applications in Agriculture. In "Encyclopedia of Food Security and

Sustainability" (P. Ferranti, E. M. Berry and J. R. Anderson, eds.), pp. 255-260.

Elsevier, Oxford.

Delgado, G., Rivera, M., Estrada, J., Ramos, C., y Miguel, E. (2017). Planeación de un

manejo óptimo de sistemas de producción agrícola bajo un sistema de información

geográfica (SIG). AGROFAZ 17 (2): 173-181.

EAM (2019). Hacia el espacio. Estructura de las señales del GPS. Agencia Espacial

Mexicana, México. Consultado en enero de 2019. Disponible en:

https://haciaelespacio.aem.gob.mx/revistadigital/articul.php?interior=350

Harlow, M., & Vienneau, A. (2003). "ArcCatalogo Tutorial." Enviromental System Research

Institute (ESRI), United States of America.

IGS (2018). Productos International GNSS Servive (IGS). Consultado en diciembre 2018.

Disponible en: http://www.igs.org/products.

INEGI (2017a). "Guía para el usuario: Generación de archivos Rinex del GPS con

observables en L1 y L2." Instituto Nacional de Estadística y Geografía, México.

INEGI (2017b). "Red Geodésica Nacional Activa: Instructivo de operación de las

estaciones." Instituto Nacional de Estadística y Geografía, México.

INEGI (2018). Red Geodésica Nacional Activa. Instituto Nacional de Estadística y

Geografía, México. Consultado en diciembre del 2018. Disponible en:

http://www.beta.inegi.org.mx/temas/mapas/geodesia_activa/.

Kose, E., Erbas, M., and Ersen, E. (2017). An integrated approach based on game theory and

geographical information systems to solve decision problems. Applied Mathematics

and Computation 308 (1): 105-114.

Kudas, D., & Wnęk, A. (2019). Simulation of polygon area determination using GPS single

frequency code receivers – Case study. Computers and Electronics in Agriculture

158: 92-101.

Luorno, M., Gil, V., & Bagnulo, C. (2014). Sistemas de información geográfica aplicados al

inventario y gestión de información rural. Geograficando 10 (1).

Ciencia e Innovación. Vol.2, Número 2, agosto - diciembre 2019. pp. 159-169 169

Montemayor, J. A., Lara, L., Woo, J. L., Munguía, J., Rivera, M., y Trucíos, R. (2012).

Producción de Maíz Forrajero (Zea mays L.) en tres sistemas de irrigación en la

Comarca Lagunera de Coahuila y Durango, México. Agrociencia 46 (1): 267-278.

Neményi, M., Mesterházi, P. Á., Pecze, Z., & Stépán, Z. (2003). The role of GIS and GPS in

precision farming. Computers and Electronics in Agriculture 40, 45-55.

Pachas, R. (2009). El levantamiento topográfico: Uso del GPS y Estación Total.

ACADEMIA VIII, 29-45.

Ramos, C., Rivera, M., y Estrada, J. (2014). Operación del GPS diferencial y aplicaciones en

el sector agrícola. Memoria de la XXVI Semana Internacional de Agronomía FAZ-

UJED. Gomez Palació, Durango, México. Septiembre del 2014: 1203-1209.

Ramos, M. I., Gil, A. J., Feito, F. R., & García-Ferrer, A. (2007). Using GPS and GIS tools

to monitor olive tree movements. Computers and Electronics in Agriculture 57, 135-

148.

Schrader, D. K., Min, B.-C., Matson, E. T., & Eric Dietz, J. (2016). Real-time averaging of

position data from multiple GPS receivers. Measurement 90, 329-337.

Torrecillas, C., y Martínez, J. J. (1999). El GPS RINEX y su presencia en España. Mapping

54, 76-82.

Trimble (2006a). "Guía del usuario Trimble(R) Business Center.." Trimble Business Center.

Trimble (2006b). "Software Trimble Business Center Notas Técnicas. Trimble Business

Center: La solución completa para su oficina."

Wessel, B., Huber, M., Wohlfart, C., Marschalk, U., Kosmann, D., & Roth, A. (2018).

Accuracy assessment of the global TanDEM-X Digital Elevation Model with GPS

data. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 139, 171-182.