Instrumentos Topográficos Compuestos - Universidad José Carlos Mariátegui - Ingeniería Civil...

UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI

12 de junio de 2015

ARACELY MIRIAM QUISPE CATACORA – INGENIERÍA CIVIL 1

sá

“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL

FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN”

ALUMNA:

Aracely Miriam Quispe Catacora

FACULTAD:

Ingenierías

CARRERA PROFESIONAL:

Ingeniería Civil

DOCENTE:

Ing. Juan Ccamapaza Aguilar

MATERIA:

Topografía I

TEMA:

Instrumentos Topográficos Compuestos

FECHA LÍMITE DE ENTREGA:

12 de junio de 2015


12 de junio de 2015


ÍNDICE

CONTENIDO: PÁGINA:

I. Carátula 1

II. Índice 2

III. Introducción 3

IV. Definición 4

V. Nivel de Ingeniería 5

VI. Teodolito 11

VII. Estaciones 16

VIII. Escáner 20

IX. Sistema GPS 23

X. Giroscopio 27

XI. Apreciación Crítica Personal 29

XII. Bibliografía 30


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INTRODUCCIÓN

Los instrumentos topográficos compuestos son aquellos instrumentos

conformados por instrumentos simples, utilizados con fines topográficos-

ingenieriles para las mediciones de distancias horizontales, distancias

verticales, distancias inclinadas, diferencias de evasiones, ángulos

horizontales, ángulos verticales, cotas, coordenadas, etc. En la actualidad

disponemos de una gran variedad de éstos aparatos tecnológicamente

avanzados, los cuales nos proporcionan una mejor información en comparación

con los antiguos métodos que aún se utilizan, pero que no nos ofrecen una

mejor calidad de precisión que éstos novedosos aparatos nos proporcionan.

Cabe recordar que ya sea por causas naturales, instrumentales o personales,

siempre habrá un margen de error.


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INSTRUMENTOS TOPOGRÁFICOS COMPUESTOS

DEFINICIÓN:

Son aquellos instrumentos de alta precisión, que se utilizan para trabajos

complejos de topografía. Los principales instrumentos compuestos son:

1) Nivel de Ingeniería

2) Teodolito

3) Estaciones

4) Escáner

5) Sistema GPS

6) Giroscopio

Los instrumentos compuestos se apoyan y/o complementan con instrumentos

simples:

Trípode

Mira

Prisma

Goniómetro

Brújula

Declinatoria

Retículo

Plomada Óptica

Libreta Electrónica

Radioteléfono

Planímetro

Curvímetro


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1) NIVEL DE INGENIERÍA

La determinación de la diferencia de altura entre dos puntos de un terreno es una

de las mediciones topográficas más usadas. Dicha determinación recibe el nombre

de nivelación directa o topográfica que, como su nombre lo implica, efectúa la

medición directa de las distancias verticales entre dos puntos de interés mediante

el uso de un nivel topográfico o equialtímetro, una base de tornillos nivelantes,

un trípode y una regla de campo denominada estadal, estadía o mira topográfica,

los que hacen conjuntamente al instrumento. Los niveles difieren entre sí en

apariencia, de acuerdo con la precisión requerida y a los fabricantes del

instrumento. En la “Imagen 01” se representan los componentes básicos de un

nivel.

Imagen 01


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Existen distintos tipos de Niveles:

Niveles de Plano

Fueron los primeros instrumentos utilizados en las mediciones topográficas

para la diferencia de altura y hoy han caído prácticamente en desuso. Se

basan simplemente en un nivel de burbuja adosado a un telescopio o anteojo

topográfico y un sistema de tornillos nivelantes, todo el conjunto formando solo

una pieza perpendicular a su eje vertical. Ver imagen 1.1.

Niveles de Línea

a) De Inclinación: A diferencia de los anteriores, en estos niveles el anteojo

no está sujeto a la plataforma nivelante y la horizontalidad se logra

independientemente para cada línea de colimación. Cuentan con un nivel

de burbuja esférico que posee un tornillo basculante fino, para la nivelación

grosera del aparato con ayuda de tornillos y de un nivel de burbuja de

mayor precisión, que se desplaza con el anteojo y cuyo eje debe ser

paralelo, por construcción, al eje de colimación. Ver imagen 1.2.1.

b) Automáticos o Auto-nivelantes: Como en los niveles de inclinación, los

niveles automáticos también efectúan una nivelación grosera al estacionar

el instrumento, pero no hay necesidad de nuevas manipulaciones. Esto es

posible porque la línea de colimación queda automáticamente horizontal

con gran exactitud en cualquier punto gracias a un mecanismo

compensador de modo que la nivelación definitiva se realiza

automáticamente. Se clasifican en dos tipos:

i. Ópticos: Son los más comunes y emplean estadales

convencionales. Ver imagen 1.2.2.1.

ii. Digitales o Electrónicos: Pueden leer estadales con código de

barras, obteniendo la lectura en la pantalla y pudiendo almacenarla

en una memoria. Ver imagen 1.2.2.2.


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Niveles Láser

Es el tipo más sofisticado de niveles, que proyectan un rayo láser, tanto vertical

como horizontal. Se dividen en “Niveles de Plano” y “Niveles de Línea” y su

uso depende de la aplicación. Los “Niveles Láser de Plano” generan planos

verticales, horizontales u oblicuos mediante un sistema giratorio de la emisión

del rayo láser y se utilizan principalmente para la nivelación de terrenos

agrícolas. Los “Niveles Láser de Línea” emiten un rayo fijo horizontal o

vertical que permite efectuar una alineación y destacan su mayor aplicación en

el control de alineaciones y pendientes.

De todos los tipos de niveles topográficos vistos, los “Niveles de Línea

Automáticos Ópticos” son los más usados hoy en día por su sencillez, rapidez y

relación costo-beneficio, con aplicaciones que van desde la edificación de

viviendas, jardinería y nivelación de terrazas hasta excavaciones, construcción de

cimientos y paisajismo. Ver imagen 1.2.2.1.

Imagen 1.2.2.1.


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Imagen 1.1.

Imagen 1.2.1.

Imagen 1.2.2.2. Imagen 1.2.2.1.

Imagen 1.3


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1.1) CARACTERÍSTICAS

Éste instrumento debe tener las características especiales para poder

realizar su función:

Pueden ser manuales o automáticos, según se deba calibrar

horizontalmente el nivel principal de cada lectura, o esto se haga

automáticamente al poner el instrumento “En estación”.

Para manejarlo cómodamente, ha de situarse de modo que la altura del

anteojo sobre el suelo, sea, poco más o menos de 1,40 m, según la

altura del operador y para ello se utiliza un trípode, formados como su

nombre lo indica, por tres pies de madera o metales ligeros que

sostienen el soporte en el que se apoya el instrumento.

Un nivel burbuja muy sensible para nivelar el instrumento, que permita

mantener la horizontalidad del eje óptico del anteojo, ambos están

unidos solidariamente.

Un nivel óptico que conste de un anteojo similar al del teodolito con un

retículo estadimétrico.

Un anteojo con los suficientes aumento para poder ver las divisiones de

la mira, y un retículo con hilos para poder hacer la puntería y tomar sus

lecturas.

La posibilidad de un compensador para asegurar su perfecta nivelación

y horizontalidad del plano de comparación.

Una mira telescópica que debe estar totalmente vertical. La verticalidad

se logra por estimación o por medio de una niveleta o nivel esférico.

Una división “E” rojo/blanco.


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1.2) ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

La precisión de un nivel depende del tipo de nivelación para el que

se lo utilice. Lo normal es un nivel de entre 20 y 25 aumentos y miras

centimetradas o de doble milímetro. Con éste nivel y la metodología

apropiada se pueden hacer nivelaciones con un error de

aproximadamente 1.5 cm por kilómetro de nivelación.

Para trabajos más exigentes existen niveles con nivel de burbuja

partida, retículo de cuña, placas planoparalelas con micrómetro y

miras de INVAR milimetradas, con los cuales se pueden alcanzar

precisiones de unos 7 mm por kilómetro de nivelación con la

metodología apropiada.

1.3) FINALIDAD

El nivel de ingeniería es un instrumento que tiene como finalidad la

medición de desniveles entre puntos que se hallan a distintas alturas o el

traslado de cotas de un punto conocido a otro desconocido, se utiliza

mucho para obras de construcción y para caminos.

NIVEL DE PLANO EN MUSEO

Imagen 1.1.


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2) TEODOLITO

El teodolito es un instrumento de medición mecánico-óptico que se utiliza para

obtener ángulos verticales y, en el mayor de los casos, horizontales, ámbito en el

cual tiene una precisión elevada. Es portátil y manual. Con otras herramientas

auxiliares puede medir distancias y desniveles. Si el teodolito tiene retículo

estadimétrico es un taquímetro, el cual se usa para obtener la medida indirecta de

distancias. Un equipo más moderno y sofisticado es el teodolito electrónico, y

otro instrumento más sofisticado es otro tipo de teodolito más conocido como

“Estación Total”. Básicamente, el teodolito actual es un telescopio montado

sobre un trípode y con dos círculos graduados, uno vertical y otro horizontal, con

los que se miden los ángulos, con ayuda de lentes. Para conocer su composición

detallada, ver “Imagen 02”.

Imagen 02


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Existen distintos tipos de teodolitos:

Teodolitos Repetidores

Éstos han sido fabricados para la acumulación de medidas sucesivas de un

mismo ángulo horizontal en el limbo, pudiendo así dividir el ángulo acumulado

y el número de mediciones vistas.

Ver imagen 2.1.

Teodolitos Reiteradores

Llamados también direccionales, los teodolitos reiteradores tienen la

particularidad de poseer un limbo fijo y sólo se puede mover la alidada.

Ver imagen 2.2.

Teodolito-Brújula

Éste tiene una brújula imantada con la misma dirección al círculo horizontal.

Sobre el diámetro 0º a 180º de gran precisión.

Ver imagen 2.3.

Teodolito Electrónico

Es la versión del teodolito óptico, con la incorporación de electrónica para

hacer las lecturas del círculo vertical y horizontal, desplegando los ángulos en

una pantalla, eliminando errores de apreciación.

Ver imagen 2.4. y 2.4.1.


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Imagen 2.1 Imagen 2.2



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El teodolito es un aparato mecánico-óptico, no electrónico, usado en

la topografía, similar a una cámara de fotos antigua, que apoyado

sobre un trípode nivelado sirve para medir el terreno.

Compuesto también por un estadal o mira topográfica y una base

nivelante que en conjunción trabajan con el teodolito.

El rasgo principal en los teodolitos es el tipo de plomada, existen los

de plomada por gravedad y plomada óptica.

Presenta un eje de colimación, que es el eje donde se enfoca los

puntos.

Los discos son fijos y la alidada (limbo horizontal y vertical) es la

parte móvil. El declímetro también es el disco vertical.

El eje de muñones es el eje secundario del teodolito, en el se

mueve el visor.


Las imágenes pueden ser directas o invertidas.

La precisión del teodolito depende del tipo de éste, pero se alterna

en segundos.

Los aumentos varían entre los 28X y 30X.

La plomada es óptica en su mayoría.

Lectura digitalizada.

Burbuja tubular.

Burbuja circular.

El alcance visual es 450 m en su mayoría.


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2.3) FINALIDAD

Está hecho con fines topográficos e ingenieriles, sobre todo en las

triangulaciones. El teodolito está destinado a ubicar un objeto a cierta

distancia mediante la medida de ángulos con respecto al horizonte y con

respecto a los puntos cardinales. Es un instrumento que se adapta a

diferentes usos en el campo de la topografía.

Imagen 2.4.1.


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3) ESTACIONES

Una estación es un instrumento topográfico electro-óptico, cuyo funcionamiento

se apoya en la tecnología electrónica. Permite la medición de distancias y

ángulos simultáneamente, así como también la realización de sencillos cálculos de

distancias remotas, coordenadas, replanteos, elevaciones; incluso trabajar bajo

condiciones climáticas muy adversas. Es la mejor herramienta para el

constructor, ingeniero y topógrafo. Las estaciones vienen provistas de diversos

programas sencillos que permiten, entre otras capacidades, el cálculo de

coordenadas de campo, replanteo de puntos de manera sencilla y eficaz y cálculo

de acimutes y distancias. Para conocer su composición detallada, ver “Imagen 03”.

Imagen 03


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Existen distintos tipos de estaciones:

Estación Total Electrónica:

Aparato que integra el Teodolito Electrónico y el Distanciómetro. Ver

imagen 3.1.

Estación Robotizada:

Estación total que se orienta automáticamente. Ver imagen 3.2.

Semiestación:

Aparato que integra el Teodolito Óptico y el Distanciómetro. Ver imagen 3.3.


Integra en un solo equipo medición electrónica de distancias y ángulos,

comunicaciones internas que permiten la transferencia de datos y cálculos

en tiempo real. Una estación total posee básicamente 3 componentes:

Mecánico: El Limbo, los ejes y tornillos, el nivel, la base nivelante.

Óptico: El anteojo y la plomada óptica.

Electrónico: El Distanciómetro, los lectores de limbos, trackeador,

pantalla alfanumérica, el software y la memoria.

La gran ventaja de la “Estación Total” es la componente electrónica en

cuanto a memoria interna para almacenar datos de campo, que la hace más

versátil y rápida que los instrumentos clásicos. Sus accesorios principales

son: trípodes de madera o aluminio, base nivelante, prismas, miras, tarjetas

y lector PCMCIA.


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Imagen 3.3


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a) Telescopio:

Imagen: Directa

Aumento: 30X

Diámetro objetivo: 45 mm

Enfoque mínimo: 1 m

Constante de multiplicación: 100

b) Medición de ángulos:

Precisión DIN 18723: 2’’

Lectura mínima: 1’’

Detección horizontal: Doble

Detección vertical: Doble

Unidad de medida: 360º

c) Plomada óptica

Imagen: Directa

Aumento: 3X

d) Compensador

Precisión sensor: 1”

e) Temperatura de trabajo

Rango: -20ºC a 15ºC

3.3) FINALIDAD

Su uso tiene como finalidad la obtención de una mejor información

requerida en un trabajo de campo con fines topográficos, además de

permitirnos trabajar bajo condiciones climáticas muy adversas.


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4) ESCÁNER

El “Laser Escáner 3D” adecuado para la topografía, es el abanderado instrumento

en éste campo, por ser de mayor calidad en cuanto a su procesador de

información. Es la alta densidad de datos, más que otras de sus características, lo

que distingue ésta tecnología de otros métodos para levantamientos basados en la

toma discreta de puntos. Cuando los datos de alta densidad son visualizados en la

pantalla del ordenador, realzado con efectos intrínsecos de color y visualización

3D, la tecnología provee “Información de Alta Densidad”. Para topógrafos e

ingenieros, este completo valor añadido, se traduce en un mejor resultado final,

más precisos y adecuados diseños, además de un mejor valor global para el

cliente. Para conocer el proceso de escaneado, ver “Imagen 04”.

Imagen 04


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Al igual que otros instrumentos compuestos utiliza un trípode,

estándar para su estacionamiento sobre un punto conocido “0” sobre

cualquier otro punto.

Los puntos capturados pueden ser alineados de manera precisa a

nuestro sistema de coordenadas local para su completa

compatibilidad con los diseños de proyecto existentes.

La orientación del instrumento y su completa selección del campo de

visión, puede ser definida fácil y rápidamente pulsando el nuevo

botón QuickScan.

Su único diseño de doble ventana nos permite, para una utilización

eficiente, la toma de su máximo campo de visión sin la re-orientación

del instrumento incluyendo la captura de la cúpula completa de toda

la escena. Ver imagen 4.1.

Con la mejorada tecnología pueden ser tomadas regiones

adicionales con mayor detalle si es necesario.

Imagen 4.1.


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Máximo campo de visión 360º x 270º.

Diseño de doble ventana.

Totalmente seleccionable, tanto campo de visión como de la

densidad a escanear.

Cámara digital integrada calibrada para la forma superpuesta de

fotos.

Tamaño de punto <6mm a 50m.

Precisión en la posición de <6mm a 50m.

Estacionamiento en un punto conocido.

Botón de QuickScarn-M para una fácil selección de visión.

4.3) FINALIDAD

Sus grandes características no sólo hacen que el “Láser Escáner 3D” sea

más familiar para los topógrafos, sino también más productivo para todos

los profesionales de la medida. Lo cual describe y comunica mejor la

tecnología en términos de cómo se diferencia respecto a otros métodos

topográficos. La empresa “Leica Geosystems” que ha revolucionado éste

producto, ha madurado la tecnología hasta el punto que ahora es un

completo método topográfico no sólo una interesante tecnología.


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5) SISTEMA GPS

Abreviatura de “Global Positioning System”, es decir “Sistema de Posicionamiento

Global”. El sistema fue creado por americanos, con fines militares de espionaje. El

GPS es un sistema que permite determinar nuestra posición en el globo terráqueo,

utilizando las señales que envían los satélites artificiales para calcular e indicarnos

las coordenadas de nuestra posición. Para conocer mejor su funcionamiento ver

“Imagen 05”.

Imagen 05


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Existen 2 tipos de GPS:

GPS Navegador

Es un dispositivo topográfico manual que permite ubicar puntos en un mapa

digital a escala mundial, vinculado a una base de datos, ya que tiene una

conexión directa con los satélites, podemos encontrarlo en diferentes

dispositivos móviles, como teléfonos, incluso en vehículos. Ver imagen 5.1.

GPS Diferencial

El GPS diferencial introduce una mayor exactitud al sistema. Ese tipo de

receptor además de recibir y procesar la información de los satélites, recibe

y procesa, simultáneamente, otra información adicional procedente de una

estación terrestre situada en un lugar cercano y reconocido por el receptor.

Ésta información complementaria permite corregir las inexactitudes que se

puedan introducir en las señales que el receptor recibe de los satélites. En

éste caso, la estación terrestre transmite al receptor GPS los ajustes que

son necesarios realizar, éste los contrasta con su propia información y

realiza las correcciones mostrando en su pantalla los datos correctos con

gran exactitud. Ver Imagen 5.2.

Imagen 5.1

Imagen 5.2


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El sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

Sistema de Satélites: Está formado por 24 unidades con

trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo

terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4

satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su

funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de

celdas solares adosados a sus costados. Ver imagen 5.3.

Estaciones Terrestres: Envían información de control a los satélites

para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la

constelación.

Terminales Receptores: Indican la posición en la que están,

también conocidas como unidades GPS, son las que podemos

adquirir en tiendas especializadas.

5.2) ESPECIFICACIONES TÉCNICAS:

Exactitud: 15 metros de precisión. En realidad un GPS portátil

monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2.5

a 3 metros en más del 95% del tiempo. Con el WAAS/EGNOS/MSAS

activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros.

Cobertura: Mundial

Capacidad de Usuario: Ilimitada

Sistema de Coordenadas: WGS84

Integridad: Tiempo de notificación de 15 minutos o mayor.

Disponibilidad: 24 satélites (70%) y 21 (98%).


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El único inconveniente del GPS diferencial es que la señal que emite

la estación terrestre cubre solamente un radio de unos 200 km.

Existen receptores GPS mucho más sofisticados que funcionan

recibiendo múltiples señales de radiofrecuencia. En esos dispositivos

el margen de error no sobrepasa los 25 cm.

5.3) FINALIDAD

Como se mencionó antes, el sistema se creó con fines militares de

espionaje, pero al acabar el conflicto, se tomó posesión de éste para fines

lucrativos. La aplicación de posicionar puntos geográficamente de una

forma común u ordinaria con equipo GPS Navegador o Diferencial está

sujeta a consideraciones de importancia para efectuar trabajos topográficos

y garantizar su confiabilidad.

Imagen 5.3


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6) GIROSCOPIO

El giroteodolito o teodolito giroscopio, es un instrumentos de medición compuesto

por un giroscopio montado en un teodolito. Se utiliza para determinar la

orientación de norte verdadero mediante la localización de la dirección de

meridianos. Es el principal instrumento en una mina, para orientar la medición y en

la ingeniería del túnel, y en los lugares donde las estrellas no son

astronómicamente visibles. Para conocer mejor la composición de un giroscopio,

ver “Imagen 06”.

Imagen 06


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El giroteodolito cuenta con un teodolito normal con un sostén que contiene

un giroscopio montado en el mismo sentido de rotación de la Tierra y que la

alineación de los meridianos.


A diferencia de un horizonte artificial o sistema de navegación

inercial, un giroteodolito no puede ser reubicado mientras esté en

funcionamiento. Debe reiniciarse de nuevo en cada sitio.

Un giroteodolito sólo funcionará correctamente en el ecuador y en los

hemisferios norte y sur.

Un giroteodolito no puede ser utilizado en los polos donde el eje de la

Tierra es precisamente perpendicular al eje horizontal del giro, en

efecto, no se utiliza normalmente en unos 15 grados del polo, ya que

el componente de este-oeste de la rotación de la Tierra no es

suficiente para obtener resultados fiables.

1.3) FINALIDAD

Un giroteodolito se utiliza principalmente en la industria de la minería

subterránea y en la ingeniería de túneles. En la topografía se usa

generalmente por ser capaz de encontrar el norte verdadero.


12 de junio de 2015


APRECIACIÓN CRÍTICA PERSONAL

Ingeniero Juan Ccamapaza Aguilar, me es grato dirigirme a usted, para exponer

ante su enriquecida experiencia, mi humilde trabajo de investigación, el cual fue

solicitado el día viernes 07 de junio de 2015, teniendo como fecha límite de

presentación el día viernes 12 de junio de 2015, y desarrollar a continuación en lo

que éste espacio realmente implica, mi apreciación crítica personal o comentarios

personales, acerca de lo que he venido trabajando en éstos días, que es el tema

“Instrumentos Topográficos Compuestos”.

Puesto que he venido desarrollando el contenido, a lo largo de muchas horas, con

la única intención de presentar lo más impecable posible mi trabajo, he aprendido

a reconocer los instrumentos y conseguí un entendimiento básico acerca sus más

resaltantes características, de la finalidad de sus usos, y de lo que refiere en

cuanto a especificaciones técnicas. Me ha llamado mucho la atención, la

capacidad que tienen estos instrumentos para procesar la información que los

profesionales en Ingeniería y Topografía necesitan para desarrollar un proyecto

factible, de la mano con la tecnología y su rápido avance, haciendo posible, que

las magnitudes de errores en las mediciones sean reducidas a las más mínimas,

ya que es imposible reducirlas a un valor inexistente. Considero que la importancia

de evaluar las características de un instrumento antes de su elección para el

trabajo de campo, debe ser sobresaliente, ya que de ello depende la garantía de

una mejor funcionalidad en la obra. En conclusión, la necesidad del hombre, por

no sólo adaptarse al cambio, sino además de ello, sobresalir, y por consecuencia,

el avance tecnológico, tanto en la ingeniería, como en otros campos, nos han

brindado las mejores herramientas para hoy en día, acceder a la posibilidad de ser

partícipes del desarrollo de grandes obras.


12 de junio de 2015


BIBLIOGRAFÍA

http://enciende.cosce.org/boletin/index.asp?item=52

¿Cómo funciona un navegador GPS?

http://www.abreco.com.mx/

ABRECO TOPOGRAFIA: Venta y reparación de niveles, teodolitos,

distanciómetros, estaciones totales y GPS.

http://html.rincondelvago.com/teodolito.html

Investigación Topográfica.

http://es.wikipedia.org/wiki/Topografía

Instrumentos Topográficos Compuestos.

http://biblioweb.dgsca.unam.mx/libros/paleonto/html/sec_9.html

Monografías y Trabajos de Topografía.

http://www.peruecologico.com.pe/glosario_t.html

Glosario de termines en Topografía.

http://www.galeon.com/jcminstrumental/teodolito.html

"Aparatos Topográficos" de Francisco Valdés Domenech.

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Láser Escáner 3D re-definido Leica HDS3000.

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