El mundo al instante

¿La primera colonización de América?

El descubrimiento de América, en 1492, se considera una de las fechas claves de la Historia. Naturalmente, los humanos llegaron allí varios milenios antes, aunque no está claro cuándo colonizaron ese continente. Los restos arqueológicos hallados sugieren que los primeros humanos modernos llegaron a América del Norte hace unos 14.500 años. Una teoría cuestionada esta semana por un nuevo estudio que da un enorme salto hacia atrás en esa cronología. Y es que, según sostiene el equipo de científicos del Museo de Historia Natural de San Diego que firma el trabajo, el territorio que hoy es California ya estaba habitado por homínidos hace 130.000 años, es decir, unos 115.000 años antes de lo que se pensaba.

La investigación, publicada en la prestigiosa revista Nature, ha suscitado ya el debate entre científicos. Y es que sus autores no han hallado fósiles ni restos de ADN de ese homínido que habría vivido en América del Norte en tan temprana fecha, sino que su conclusión se basa en pruebas indirectas: el descubrimiento de restos óseos de un mastodonte de esa edad (huesos, molares y colmillos) con evidencias de haber sido manipulados con las piedras que han aparecido al lado y que habrían sido utilizadas como martillos y yunques.

El descubrimiento de los restos óseos del mastodonte -un pariente lejano del elefante, ya extinto- y de esas piedras que, según los investigadores, fueron las herramientas con las que se procesó el animal, se realizó en Cerutti Mastodon, un yacimiento en el sur de California que comenzó a ser excavado a principios de los años 90. Para estimar la edad, utilizaron métodos de datación radiométrica, que concluyeron que tenían 130.000 años de edad (con un margen error de 9.700 años)

Los autores enumeran una serie de características que, en su opinión, descartarían que la disposición y el estado de los huesos y dientes del mastodonte se deban a causas naturales, por ejemplo, a un deslizamiento de tierras o a la acción de algún animal. Por ejemplo, destacan que la distribución de los restos es distinta a la de otros animales encontrados en el yacimiento encontrados anteriormente y que habrían sido enterrados de forma natural; la diversidad de fracturas que presentan (hay huesos frágiles que permanecen intactos mientras que otros más fuertes están rotos) o el tipo de fractura, que indicaría que fue realizada cuando el hueso estaba fresco y por percusión, es decir, siendo golpeado con otro objeto.

No obstante, admiten que su estudio plantea muchas preguntas, como qué especie de homínido era o qué ruta siguieron para llegar a América. Según los registros paleontológicos, hace 130.000 años el Homo sapiens no había salido todavía de África, mientras que los neandertales estaban en Europa.

Polémica conclusión

"El descubrimiento está reescribiendo nuestro conocimiento de la época en la que los humanos llegaron al Nuevo Mundo", ha declarado Judy Gradwohl, presidenta y directora ejecutiva del Museo de Historia Natural de San Diego, en un comunicado de prensa. "Las pruebas que hemos encontrado en este yacimiento indican que alguna especie de homínido vivía en América del Norte 115.000 años antes de lo que previamente se pensaba", asegura.

Una afirmación que rebaten los dos expertos consultados por este periódico, sin vinculación con este estudio. El paleontólogo José María Bermúdez de Castro, codirector de los yacimientos de Atapuerca (Burgos), considera que "el salto hasta los 130.000 años es una barbaridad".

Según recuerda, el debate sobre la primera colonización de América por Homo sapiens se ha centrado en los defensores de una ocupación temprana, hace unos 24.000 años, y los defensores de una colonización más tardía, hace unos 14.000 años: "Parece que poco a poco las dos hipótesis se pueden conciliar si se consideran los hallazgos en las cuevas de Bluefish (en la región de Beringia), que llegan hasta 24.000 años. Estas primeras poblaciones pudieron quedar aisladas durante 12.000 años por la última glaciación hasta que pudieron entrar en el resto del continente americano hace unos 14.000 años", relata el paleontólogo.

"Considerando que las evidencias más antiguas de nuestra especie en Asia (sur de China) no pasan de 100.000 años, es imposible que miembros de Homo sapiens fueran los autores de las evidencias del yacimiento de California", afirma. "En ese caso, tendría que pensarse en alguna especie anterior, presente en Asia en esa época. El problema es que no hay constancia de que especies como Homo erectus o quizá otras llegaran tan al norte como para entrar por Beringia en América hace tanto tiempo. Todo es posible, por supuesto, pero las evidencias presentadas en Nature por Steve R. Holen y colegas no son muy robustas", argumenta. Beringia fue un puente de tierra que se formó durante la última glaciación entre América y Asia y que fue clave para la migración de plantas y animales.

"Aunque no hubieran encontrado restos humanos, al menos hubiera sido deseable ver utensilios elaborados, como corresponde a una población humana de hace 130.000 años y no solo yunques y martillos de piedra. No puedo decir nada sobre la datación, porque no soy especialista, pero me hubiera gustado ver mejores evidencias para quedar convencido de las conclusiones de los autores de este trabajo", afirma el paleontólogo.

Más crítico se muestra Manuel Domínguez-Rodrigo, codirector del yacimiento de Olduvai, en Tanzania, pues considera que la conclusión de este estudio es "precipitada" y afirmar, a partir de esas pruebas, que hubo homínidos en América hace 130.000 años, "una barbaridad". El científico del Instituto de Evolución en África (Universidad de Alcalá de Henares) lamenta que se publiquen "investigaciones con un contenido científico insuficiente, pero que tienen una gran proyección mediática".

"Cambios de paradigma tan grandes requieren de una completa falta de ambigüedad. Y lo que se ha presentado en este estudio es totalmente ambiguo. Ninguna de las pruebas es concluyente y algunas pueden ser interpretadas por procesos naturales", asegura Domínguez-Rodrigo en conversación telefónica.

Por ejemplo, añade, las piedras que son presentadas como utensilios de piedra no están afiladas y no hay utensilios cortantes: "Las lascas (cuchillos de piedra) han sido las herramientas más usadas en la historia de la Humanidad. Desde hace dos millones y medio de años se han utilizado para descuartizar animales", afirma Domínguez-Rodrigo, que este año es profesor visitante en la Universidad de Harvard.

"En África hemos encontrado piedras de hace más de un millón de años parecidas a las que han aparecido junto al mastodonte y su asociación con el animal puede ser accidental. Esos cantos que muestran en el estudio pueden haberse meteorizado de forma natural, pues su origen es volcánico y y hay varios procesos naturales por los cuales se escaman, por ejemplo, por la humedad", explica.

Por otro lado, asegura que, pese a lo que sostienen los investigadores, esas fracturas que presentan los huesos sí pudieron ser realizadas por animales: "Es verdad que un hueso de elefante puede romperse por la acción del hombre, pero también es cierto que en el Pleistoceno existían animales carnívoros que pudieron hacerlo. Y no uno, sino muchos". Entre ellos cita especies de lobos, hienas o dientes de sable ya extintas.

En su opinión, a este trabajo "le falta un uso intensivo de la tafonomía, una disciplina dedicada a estudiar cómo se forma un yacimiento para poder entenderlo".

Por su parte, José María Bermúdez de Castro cree que "para cambiar lo que se sabe sobre la colonización de América a finales del Pleistoceno Superior tendrían que encontrarse otros yacimientos con evidencias más claras (y si es posible con restos humanos)".

http://www.ELMUNDO.es
Viernes 28 de Abril del 2017

Navigating the Future of the Geospatial and Geomatics Sectors

GIM International Interviews Dorota Grejner-Brzezinska


Dr Dorota Grejner-Brzezinska is the incoming president of the Institute of Navigation (ION). She also serves as president of the International Association of Geodesy (IAG) Commission 4, Positioning and Applications. GIM International held an in-depth conversation with Grejner-Brzezinska on the role of the ION, the latest developments and trends in GNSS survey solutions, and the future of GNSS.

The Institute of Navigation (ION) serves a worldwide community including those interested in air, space, marine, land navigation, and position determination. How has the Institute evolved?

The Institute of Navigation was founded in 1945 by a group of practising air navigators, originating from both military and civilian backgrounds. Much of the Institute’s energy during the early years was devoted to building an effective organisation that would advance the art and science of navigation by coordinating the knowledge and achievements of practitioners, scientists and developers of navigation equipment. In the 1990s ION really began to flourish as it garnered support from everyone interested in position-determining systems, particularly after GPS had reached full operational capability. Advancements in navigation technology eliminated the need for specialist navigators for most applications; navigation became automated as humans and electromechanical devices were replaced by microcomputers, integrated circuits and sensors. Accuracy and coverage performance for all phases of navigation were rapidly enhanced as today’s various GNSSs evolved. The manner in which ION adapted to, and in some cases played a key leadership role in, these changes has accounted for its success.

ION members include cartographers, professional navigators, photogrammetrists, geodesists and surveyors. What are the main membership benefits?

ION membership is an outstanding opportunity to stay connected and informed about what’s happing in the field of positioning, navigation and timing (PNT). Membership of professional organisations are considered a ‘best practice’ for professional and personal development, and ION members gain access to the tools they need to advance in their field. Membership includes a subscription to the quarterly peer-reviewed journal NAVIGATION and the quarterly ION Newsletter, and access to the database of more than 13,000 technical papers published in NAVIGATION and Proceedings of the many ION meetings. In addition, members receive discounts on meeting registration fees and publication purchases, they have the right to vote and to hold office, and they can participate in the Annual Awards programme. They can also become a Government Fellow. The Government Fellow programme is designed to offer ION members a unique educational experience while providing the government with technical experience and private-sector perspectives that we hope will foster effective public policy on the issues that affect our profession and society as a whole. There are two categories: Congressional Fellowship and Executive Fellowship. A Congressional Fellow serves as a science and technology staffer for a Member of Congress or a Congressional Committee, while an Executive Fellow serves as a science and technology advisor in an Executive Department.

The Institute is well-known for its annual awards programme, such as the Johannes Kepler Award and the Bradford W. Parkinson Award. What do you achieve with these awards, and how do they benefit the navigation industry?

By honouring people who are making a difference, our awards help to focus attention on the field of PNT and serve to foster innovation, excellence, commitment and advancement. This is a perfect role for ION, and our honourees all represent the finest in technical achievement and altruistic dedication to their profession.

ION also sponsors student awards for navigation excellence. Have these students produced any ground-breaking developments?

The vitality of an organisation is preserved by fostering the growth and development of the next generation of professionals and organisational leaders. Many of the leaders in the PNT marketplace and academia are former ION student-paper winners, and several of the ION’s past presidents were introduced to the ION through a student programme.

What were the most eye-catching developments at the 2014 edition of ION GNSS+ in Tampa, USA?

One of the highlights of the ION GNSS+ 2014 meeting was the plenary session that, for the first time, this year included several ‘ignite talks’. These were brief, high-energy and high-impact presentations focused on the new element on the technical programme – a panel session as part of each technical track. We had panels covering systems, policy, technical visions, commercial products and application developments, and the second indoor positioning panel even featured live demonstrations of the latest technology. These panel sessions really caught the audience’s attention; they were very well attended and generated lively discussions. The commercial exhibition was also sparked with innovation. But fundamentally it is the international audience’s technical acumen and willingness to share their knowledge that makes it such a unique event.

What new opportunities can surveyors expect from GNSS developments over the next few years?

Multiple constellations of GNSS expected to reach full operation in the next few years will bring new and enhanced capabilities to the surveying community: more signals and more satellites will provide better availability and redundancy, particularly in areas of a limited sky view. However, these will not necessarily always translate into better accuracy, since observation geometry has a strong influence on the final accuracy levels, even if redundant satellites are observed. Triple-frequency configuration will allow formation of additional wide-lane and first-order ionosphere-free linear combinations, as well as a second-order ionosphere-free linear combination that will have a positive impact on the speed and reliability of ambiguity resolution and coordinate accuracy. Availability of the new and modernised civilian signals will significantly improve the accuracy of the Standard Positioning Service (SPS). The US government is in the process of implementing three new signals designed for civilian use: L2C, L5 and L1C. The legacy civilian signal, L1 C/A, will continue broadcasting in the future for a total of four civilian GPS signals. The new civilian signals are phasing in incrementally as new GPS satellites are launched to replace the older ones. Note that most of the new signals will be of limited use until the new constellation reaches the level of 18 to 24 satellites. On 28 April 2014, the Air Force began broadcasting civil navigation messages on the L2C and L5 signals. Fully operational GNSS constellations will be able to provide metre-level (1-10m) positioning accuracy with better coverage and availability than GPS only. The accuracy of GNSS augmented by space-based and ground-based augmentation is at decimetre level (<1m) and carrier-phase-based multi-frequency techniques, including RTK and PPP, are at centimetre level (<10 cm).

The rise of UAS in the geomatics sector seems to be unstoppable. How can the navigation industry contribute to this game-changing development?

The navigation industry has been a game-changer from the onset of the rise of UAS in the geospatial and geomatics sectors by developing portable, low-cost and reliable navigation sensors, such as GPS boards and MEMS IMUs, and GPS/IMU-integrated systems. No UAS can be used in national security, scientific or commercial applications without reliable navigation. The navigation industry has made significant R&D efforts to ensure the availability of accurate, continuous and global PNT to support the growing market of geospatial technology applications, including the UAS market. Even the best information wasn’t ‘geoinformation’ until we attached coordinates and a time stamp to it!

People spend most of their time indoors, where GNSS signals are too weak to be picked up by receivers. How do you view the development of a GNSS-free positioning system for indoor locations?

In recent years, the so-called high-sensitivity GNSS receiver technology has entered the market. These receivers have some indoor reception inside glass or wooden structures, although the accuracy is lower than in clear-line-of-sight navigation. Personal navigation, designed for indoor and generally GNSS-challenged environments, has been of increasing interest among the navigation community for well over a decade. Miniaturised, portable sensors are available on the market, and integration algorithms designed for fusing information from conventional and unconventional sensors (e.g. passive and active imagers and step sensors) have progressed significantly, followed by the improved processing power of portable computers and wireless technology. RF-based systems, such as ultra-wide band (UWB), RFID or WLAN, or a land-based constellation of transceivers that acts as an independent navigation system, such as Australian Locata, are being used for indoor navigation together with MEMS IMUs (inertial measurement units) and image-based navigation. A number of research demonstrations as well as commercial prototypes have been designed and implemented. Global space-based PNT combined with indoor navigation systems, plus the proliferation of wireless technologies, mobile computing devices and mobile internet, has fostered a new and growing interest in location-aware systems and services. It is the fastest-growing location-based commercial market and already generates over 47% of all location-based commercial applications. A typical smartphone houses a GPS chip, digital maps and a number of sensors that can provide navigation information, such as IMUs, Wi-Fi, proximity sensors, cameras, etc. Better exploitation of these sensors will make a smartphone the ultimate personal navigation device of the future.

Today, commercial network-based RTK (NRTK) is an essential GNSS infrastructure for centimetre-level positioning. Meanwhile, precise point positioning (PPP) is rapidly developing as an alternative to NRTK. How do you foresee that accurate positioning will be done in the near future?

I regard NRTK as the next evolutionary step of the differential GPS (DGPS) service which was enabled by the expanding ground-based infrastructure, availability of near-real-time IGS orbits and clocks, increased computing power and ubiquitous Wi-Fi communication, as well as a solid GPS/GNSS constellation that has been offering more than 24 satellites for many years. In PPP mode, the user combines the precise satellite orbits and clocks with dual-frequency GNSS data collected at their location and can calculate coordinates which are absolute rather than relative to a reference station. Dual-frequency data is needed to remove the first-order ionospheric effect. The coordinate accuracy is at centimetre level for static solution and closer to decimetre level for kinematic applications. Dense ground reference networks are available in many parts of the world – Europe, Canada, USA, Japan, etc. – and the availability of high-accuracy error corrections from these permanently tracking networks can, theoretically, be used to support single-frequency users in PPP mode. Static PPP is considered a rather settled approach. For example, Natural Resources Canada offers PPP-based, high-accuracy GPS data processing tools online. Many argue that PPP is the future of precise positioning. I believe that the key is the availability and accuracy of the network-based corrections that provide ‘local’ or ‘regional’ resolution of tropospheric and ionospheric corrections and, generally, can provide better accuracy than the global models. Availability of external high-accuracy iono corrections can support faster convergence, which is a primary problem of kinematic PPP. The actual user positioning can be accomplished either as NRTK or PPP, with the benefit of PPP of broadcasting smaller packets of data than NRTK.

What will be the main challenges for the GNSS industry in the coming years?

Firstly, a fiscal challenge – how much are governments willing to spend on GNSS, and will the monetary support be continuous, organised and sufficient? We have seen ups and downs, delays and uncertainties, and it seems to be an ongoing challenge despite the fact that GNSS is present in virtually every aspect of our lives. For example, the space segment must be updated and replenished at a faster pace than the ongoing GPS and GLONASS modernisation projects. Secondly, the challenge to manage and internationally co-ordinate GNSS in a far-reaching, equitable, transparent and comprehensive way – establishing co-operation via the International Committee on GNSS is an excellent move towards addressing this. Other challenges facing the GNSS industry, but also other industries, include: no back-up system, spectrum protection, interference and jamming, vulnerability to spectrum and cyber attacks, and location privacy. In addressing these challenges, the broader GNSS community must assume the role of a leading enabler, since this amazing, global tool it has created has now become available to many, who may abuse it. Therefore, the GNSS industry, legislators and regulatory agencies must become proactive in addressing these challenges. Otherwise, the GNSS sector and related industries may become reluctant to invest in a market whose sole backbone depends on government policies.

Of course, there are also technological challenges. For example, considering that UAVs are becoming mainstream geospatial data-collection platforms, GNSS and GNSS/IMU/imaging sensors must become not only lightweight but also affordable and more accurate than most of the portable devices currently available. A challenge related to this opportunity is the relatively slow pace of innovation; the industry must step up and close the gap quickly. Another point worth mentioning is the consequence of mergers and consolidations. These may limit competition, creating a market which is shared among a small number of manufacturers or sellers, which can in turn lead to an even slower pace of innovation.

With Europe, China and India actively developing GNSS systems, there are more positioning satellites available today than ever before. How do you see navigation benefiting from this increased availability?

The fastest growing sector of GNSS applications is location-based services (LBS). Aside from the privacy challenge associated with LBS, it brings tremendous opportunities to many markets, with Asia leading the pack. Global GNSS market growth in terms of CAGR is expected to reach approximately 21% over the period 2012-2016, with the GNSS LBS-only revenues expected to reach over EUR80 billion by 2020. At present, the global base of GNSS devices is around 2 billion units, and by 2022 it is expected to grow almost fourfold to seven billion – that’s almost one GNSS receiver for every person on the planet!

Self-driving cars is an upcoming application that not only needs reliable GNSS information, but must also ensure that the cars will ‘see’ their surroundings using a suite of radar and Lidar sensors. Among others, the University of Texas Radionavigation Laboratory has demonstrated centimetre-level positioning accuracy is possible with a smartphone antenna. That’s an enabler of high-accuracy and low-cost applications which have so far been served by high-end, costly GNSS equipment. So, the next step to expect is an app for high-accuracy global mapping via crowdsourcing. D.P. Shepard and T.E. Humphreys presented a very interesting vision on high-precision, globally referenced position and attitude via a fusion of visual SLAM, carrier-phase-based GPS and inertial measurements at IEEE/ION PLANS in 2014.

 

GNSS was originally developed for military purposes, and recent unrest such as in Ukraine, Gaza and Iraq has prominently highlighted its role as a military tool. Do you expect growing tension in international relations to impact on civilian use of GNSS?

The 2004 US space-based PNT policy recognises that the growth in civil and commercial applications continues. However, the positioning, navigation and timing information provided by GPS remains critical to US national security, and its applications are integrated into virtually every facet of US military operations. However, according to the space-based PNT guidelines, the US government is committed to continuous, worldwide provision of GPS civil services, and civil signal design information, free of charge. We can only speculate on whether the US or other governments will decide to impose any restrictions on accuracy or access. With the GPS modernisation programme aimed at separating military and civilian signals, it’s fair to expect that no restrictions will be necessary. However, it has been demonstrated how relatively easy it is to spoof a civilian signal, and it seems prudent to focus on protecting vulnerable civilian applications that rely heavily on GNSS (e.g. timing, banking, tolling, emergency response, Earth observation for weather and climate purposes, natural hazards, land-use change, ecosystem health, marine affairs, etc.) from intentional jamming and cyber attacks.

Satellite-based navigation often goes hand-in-hand with inertial navigation. How does your organisation help to improve the use of inertial navigation for its members?

ION is committed to representing a full range of navigation disciplines through its many and varied programs. Inertial navigation courses are taught at several of our conferences; inertial papers can be found in NAVIGATION and we host inertial/multi-sensor tracks at all of our conferences.

Biography

Dorota A. Grejner-Brzezinska gained a PhD in Geodetic Science in 1995 from The Ohio State University. She is a professor and chair of the Department of Civil, Environmental and Geodetic Engineering, and director of the Satellite Positioning and Inertial Navigation (SPIN) Laboratory at Ohio State University. Her research interests cover GPS/GNSS algorithms, GPS/inertial and other sensor integration for navigation in GPS-challenged environments, sensors and algorithms for indoor and personal navigation and mobile mapping. She has published over 300 peer-reviewed journal and proceedings papers, numerous technical reports and five book chapters on GPS and navigation. She is an ION Fellow, Fellow of the Royal Institute of Navigation, president of the International Association of Geodesy (IAG) Commission 4, Positioning and Applications, and IAG Fellow. Dorota is currently serving as ION executive vice-president and the incoming president.
http://www.GIM-INTERNATIONAL.com
Miércoles 26 de Abril del 2017

Multi-sensor Cave Detection in Bulgaria

Meeting the Challenges of Complex Karst Environments

 

Caves are important in a wide variety of fields, ranging from construction engineering to mineral exploration and archaeology. Despite the scientific importance of caves, geologists believe that only a relatively small number of them have been discovered so far. Exploration is currently mainly conducted by speleologists but this is a time-consuming activity and is limited to exploration based on existing surface openings. A recent project in Bulgaria has shown that the combination of multiple geophysical techniques provides an easier and effective on-surface exploration method that meets the challenges of complex karst environments.

(By Tanya Slavova and Atanas Rusev, Bulgaria)

Several geophysical techniques are recommended for cavity exploration, such as ground-penetrating radar (GPR), gravimetry, magnetometry, electrical resistance surveys and seismic reflectivity. However, their indirect on-surface application is related to some uncertainties due to the complex and dynamic nature of karst environments. For instance, one can never be sure in advance whether it is a dry or a water-filled cave or whether it has sediment cover (which makes it unsuitable for specific instruments). Another challenge is that a small cave at a certain depth may produce similar sensor observations to a larger cave at a greater depth, thus causing mapping ambiguities. Therefore, multi-sensor exploration, which relies on different physical properties of the environment, gives better results than an increased accuracy of a single technology. The combination of different technologies with additional information (such as details of local geology, subsurface features and topography) can further improve the results. In the research presented in this article, a surveying campaign has been conducted both on the surface above a known cave and inside it to investigate the effectiveness of multi-sensor cave detection.

Karst Labyrinths

The Bosnek karst region, the test location, is famous for the Duhlata cave which is the longest cave system in Bulgaria (Figure 1). With the connected underground spaces stretching for 18 kilometres, Duhlata is an impressive and sophisticated labyrinth. However, it is predicted that the known area comprises less than 10% of the total cave system, which leaves a large part still to be explored. Of much smaller size but similarly interesting is a pulsing spring near Duhlata called Zhivata Voda (‘The Living Water’).The irregular intervals of its water flow are the subject of various legends and superstitions, but scientific interest is focused on the subsurface features that actually cause the irregular water flows (Figure 2). A cave of the same name is situated about 100 metres away from the spring, and two other caves are also in close proximity. The entire area is a complex karst environment, making it a suitable test location for the multi-sensor exploration method.

Geophysical Techniques

For the study, a combination of gravimetry, GPR and magnetometry was used. Gravimeters are sensitive to density changes (and work best if caves are dry), GPR is an active radar system that maps the reflections of radar pulses and magnetometers are able to discover anomalies due to different underground environments by measuring the magnetic field precisely. The common advantages of all three geophysical techniques for this research were their portable instrumentation, one-man operation and silent and non-intrusive performance. Nevertheless, the mountainous nature of the investigated area still remained a challenge for normal operation. In addition, accurate station positioning information (especially heights) is required for gravimetry, which is difficult to achieve in areas with poor GNSS coverage (such as deep in the forest). The three on-surface techniques were complemented by 3D mapping of a known cave within the investigated area, the Zhivata Voda cave. This model served for field calibration in order to study the multi-sensor effectiveness, as well as to improve data analysis and interpretation. Bringing all of the datasets together was a challenging but essential task for interpreting the final results.

Sensor Setup

The equipment consisted of both modern and classical surveying devices. Some results were available in real time, but others first required post-processing. The gravimeter used was a LaCoste & Romberg G with a sensitivity of 0.04mGal. The GPR was the MALÅ X3M, equipped with a 250MHz antenna. For magnetometry the GSM-19 magnetometer from GEM Systems was chosen with a resolution of 0.01nT. According to the gravimeter sensitivity, the accuracy threshold was 13cm for the height of the stations at the measurement locations. To achieve this, an integrated GNSS handheld Trimble Geo 7X (that supports GPS, GLONASS, BeiDou/Compass and Galileo) was used together with the external Zephyr II antenna on a 2m-high pole to make it easier to reach the required accuracy (up to 1cm was reached). The handheld also had an integrated laser rangefinder module including a digital compass and clinometer, which was useful in enabling offset measurements. A Leica TCR303 total station was used for all tasks that required high accuracy but where a poor or no satellite signal was available.

Surveying Campaign

The fieldwork consisted of two parts: a cave survey and subsequently on-surface measurements. Because of the relatively large galleries and mostly flat base of the Zhivata Voda cave, mapping it was a relatively easy task (Figure 3). The traverse of the cave consisted of several measurement locations; their positions were chosen based on line of sight and specific formations to be surveyed. The absolute position of the cave was determined through GNSS measurements at the entranceThe on-surface measurements were carefully planned in advance using the available topographic data of the region as well as existing information on the Zhivata Voda cave. The measurement grid consisted of about 180 points, each spaced two metres apart and spread over eight rows positioned approximately along the terrain contours. First, the grid points were laid out roughly by performing offset measurements with the handheld’s rangefinder through the vegetation and rocks in order to choose the most suitable locations for the measurement stations. Next, due to the significant tree canopy, a combination of GNSS and total station measurements was applied. The use of the magnetometer was the easiest part of the fieldwork with several seconds spent on each station. Pulling the GPR across the hillside was physically harder (Figure 4) but the gravimetric measurements were the toughest part, taking on average 10 minutes per point and sometimes even longer.

Cave Model

All measurements were post-processed to improve the GNSS accuracy and to combine them with the total station measurements. The in-cave measurements, which consisted of about 350 points from four stations, were used to approximate the 3D layout of the cave. The measurement approach applied differs from a typical cave survey, which uses more stations but measures only four points per station (ceiling, floor and the two sides). Therefore, codes were used to mark the measurements in order to be able to distinguish between the floor and the other points. The model generated in AutoCAD Civil was used to obtain information on the shape, size and depth of the cave.

Data Improvements

Although the GPR data was available in the field, it was post-processed with MALÅ Object Mapperand GroundVision, applying different filters to improve data analysis. The results were presented along the surveyed profiles. The magnetometer data was presented with Surfer on a map. Gravimetric data usually requires topographic corrections to obtain accurate results (especially in a mountainous region like the test region). For the research area of this investigation, topographic corrections for an area of more than 10 x 10km were calculated based on a combination of SRTM data, digitised topographic maps and the GNSS measurements acquired in the investigation itself. The resulting gravimetric data was filtered to improve data consistency.

New Cavities

Both the gravimetric and magnetometer results were presented as a 2D map which could be compared to the cave layout based on the in-cave measurements, but direct interpretation remained challenging. The filtered gravity data suggested the presence of two more cavities within the explored area (Figure 5). One of them was situated in the south-eastern periphery of the grid and this matched with a spring at the foot of the rocks there (measurement points E4-D4). The other one was located west of the cave near measurement points B21-22 and A21-22. Due to the lack of a sediment layer to block the electromagnetic signal, the GPR technology was successfully applied and showed similar results to the results of the gravimetry and magnetometry data (Figure 6).

Further Developments

The geophysical methods used in this investigation each have their advantages and limitations in terms of exploration of subsurface features. When used together, they are a powerful tool for cave detection. However, their combined interpretation is not straightforward and will likely benefit from further spatial analysis in GIS. The available GIS data for the Bosnek karst region consists of information about the known and possible cave entrances, their subsurface development and possible underground river flows. In the current investigation it was used in the planning process only, but the gravimetric, GPR and magnetometric results could be integrated with these datasets for enhanced interpretation. The current investigation can also serve as a starting point for a more complex dataset of the entire region to, eventually, reveal the secrets of Zhivata Voda.

Acknowledgments

The authors express their gratitude to New Bulgarian University (NBU), University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy (UACEG), Bulgarian Geoinformation Company (BGC), Karoll Financial Group and the people who reviewed this work.

Tanya Slavova is an engineer surveyor and currently a PhD candidate on the detection of underground cavities at UACEG, as well as a surveyor at BGC. Her interests include physical geodesy, GNSS and GIS. E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para visualizarla.

 Authors

Atanas Rusev is an engineering graduate and a GIS expert at BGC. He has also been a mountaineer and cave explorer at Club Extreme for 30 years. His interests include cave mapping, mobile GIS and GIS server implementations. E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para visualizarla.

Figure captions

Figure 1, Map of the Bosnek karst region showing various information, such as cave entrances, springs and underground rivers.

Figure 2, The Zhivata Voda pulsating spring.

Figure 3, Performing the in-cave measurements.

Figure 4, GPR measurements just above the cave entrance.

Figure 5, Filtered gravimetric (up) and magnetometer (down) results of the area with the cave layout shown in red; the numbers indicate the grid measurement locations.

Figure 6, GPR results shown along profile 15 that starts above the cave entrance and goes up the hill.

http://www.GIM-INTERNATIONAL.com
Miércoles 26 de Abril del 2017

El diagrama de Voronoi, la forma matemática de dividir el mundo

Seguramente han oído hablar alguna vez de la eterna cuestión de si lasmatemáticas se inventan o se descubren; si están ahí esperando ser descubiertas o si son una construcción del pensamiento humano que después, casualmente, permiten describir con detalle casi cualquier fenómeno natural. No se asusten, no vamos a entrar a esta hora en una discusión de tanto calado porque no es, ni mucho menos, el objetivo de este rincón que la Real Sociedad Matemática Española tiene en este medio. Lo que sí pretendemos en esta ocasión es mostrarles un ejemplo en el que las matemáticas son descubiertas porque están escondidas en el concepto natural de proximidad y/o pertenencia: el diagrama de Vor

El diagrama de Voronoi (que debe su nombre al matemático ruso Georgy Voronoi) es una estructura tan sencilla e intuitiva que hasta un niño de tres años puede entenderla. ¡Que me traigan a un niño de tres años! No pude evitar el guiño a Groucho, lo siento. Efectivamente, hace unos años me tocó ir a la clase de mi hijo (de niños de tres años) a explicar a qué me dedicaba en mi trabajo y, como era joven y audaz, me vine arriba y decidí explicarles qué era un diagrama de Voronoi a estos chicos curiosos e inquietos.

Pero, antes de contarles la batallita en el cole de mi hijo, ¿qué es el diagrama de Voronoi? Vamos a definirlo en dos dimensiones, en el plano. Pero se puede estudiar en cualquier dimensión.

 

El diagrama de Voronoi de un conjunto de puntos en el plano es la división de dicho plano en regiones, de tal forma, que a cada punto le asigna una región del plano formada por los puntos que son más cercanos a él que a ninguno de los otros objetos. Dicho de otra manera, lo que hace dicho diagrama es dividir el plano en tantas regiones como puntos u tengamos de tal forma que a cada punto le asignemos la región formada por todo lo que está más cerca de él que de ningún otro.

Piensen por ejemplo en el plano de una ciudad y dibujen sobre él un punto por cada una de las farmacias que hay en la misma. En el caso más simple, si solo hubiese una farmacia en la ciudad la región de Voronoi de dicha farmacia sería toda la ciudad, porque todos están más cerca de dicha farmacia que de ninguna otra, puesto que no hay más. Fácil, ¿verdad?

Si hubiese dos farmacias, A y B, la ciudad quedaría dividida en dos, los que están más cerca de la farmacia A que de la farmacia B (llamaremos a esta zona Vor(A)) y los que son más cercanos a la B que la A (a esta la llamamos Vor(B)). Bueno, y los que están a la misma distancia de los 2. En honor a Euclides y aquello de que el camino más corto entre dos puntos es la línea recta, mediremos la distancia en la ciudad como la longitud del segmento que une a dos puntos. Así, los puntos que están a la misma distancia de ambas farmacias son los que están sobre una recta: la mediatriz entre los dos puntos que definen las farmacias en el plano y que no es más que la recta perpendicular al segmento que une A y B por el punto medio de este. Lo hemos dibujado en la siguiente figura.

En el caso de 3 farmacias, A, B y C, razonando de forma similar y teniendo en cuenta que las mediatrices son la frontera que delimitan las regiones de influencia 2 a 2 como acabamos de ver, nos quedaría una división de la ciudad en tres regiones como las que se muestran en la figura siguiente; cada una de ellas representa la región de Voronoi de cada farmacia, es decir, la zona de la ciudad que le ‘corresponde’ por ser la farmacia más cercana.

En general, si tenemos por ejemplo 8 farmacias (8 puntos en el plano) el diagrama de Voronoi que asigna a cada uno de ellos la región de puntos más cercanos a él que a ningún otro tendría un aspecto como el de la figura siguiente:

Y sí, esta construcción la hemos hecho echando de mano de la geometría para calcular las mediatrices que separan regiones de Voronoi y podría parecer, en principio, ‘sacado’ de la mente humana porque sí, pero el hecho es que se puede encontrar en infinidad de ejemplos naturales o se pueden provocar con experimentos caseros muy sencillos.

Si ponen caramelos de colores (o chocolatinas en forma de pastillas de colores) en un plato y vierten agua sobre ellos, podrán observar cómo poco a poco se van delimitando las regiones de Voronoi de cada uno de los caramelos (tiñéndose del color correspondiente) hasta que se tocan en la frontera (como se muestra en la foto siguiente) dibujando el diagrama de Voronoi completo. Después, eso sí, se estropea porque se siguen mezclando.

O bien, si se ponen de acuerdo con varios amigos y crean varias pompas de jabón que se van depositando sobre un cristal horizontal, y han tenido cuidado de soplar al mismo ritmo, podrán observar que sobre la superficie en cuestión ‘se dibuja’ una estructura similar a un diagrama de Voronoi en el plano, correspondiente a las regiones influencia de cada pompa de jabón.

Basándose en esta idea Luis M. Escudero y algunos colaboradores han ideado un método que puede servir para revolucionar el diagnóstico automatizado de ciertas formaciones tumorales. Lo que han hecho (en líneas generales), el Dr. Escudero y sus colegas, ha sido es crear un modelo de tejido epitelial (y muscular) ideal mediante el siguiente procedimiento computacional:

(1) se genera un conjunto de puntos al azar;

(2) a dichos puntos se les calcula su diagrama de Voronoi;

(3) se calcula el centro de masas de cada una de las regiones resultantes(esto nos proporciona un nuevo conjunto de puntos);

(4) se calcula el diagrama de Voronoi del nuevo conjunto.

Este proceso se repite hasta tres veces más. El aspecto que tiene este quinto diagrama de Voronoi calculado es el modelo de tejido ideal calculado por el Dr. Escudero (puesto que todas las células son similares, al expandirse, sus fronteras tienden a formar un diagrama de Voronoi). A partir de aquí estos investigadores miden cómo de parecido es el tejido de una muestra real del tejido modelo, si se parecen según ciertos parámetros (geométricos y topológicos), el tejido real está sano; en otro caso se concluye que algunas células no presentan las mismas características físicas que sus vecinas, lo que puede indicar el comienzo de un proceso tumoral. ¿No les parece sorprendente y maravilloso?

El mapa del cólera de John Snow

Convencidos a estas alturas de que el diagrama de Voronoi es una estructura inherente al concepto de proximidad y/o influencia en la naturaleza déjenme que les cuente una de las primeras aplicaciones que del mismo se conocen: el mapa del cólera de John Snow.

A mediados del siglo XIX un brote de cólera azotó la ciudad de Londres; por aquella época no se conocía con exactitud la etiología ni el método de trasmisión de la citada enfermedad, y se debatían entre dos posibilidades: el contagio por contacto con el enfermo, sus ropas y/o pertenencias; y la teoría miasmática que atribuían la trasmisión a condiciones atmosféricas, como los vientos. He aquí que el doctor Snow observó que la distribución de las muertes por cólera seguía un cierto patrón geométrico (o geográfico) muy definido, se concentraban principalmente en una zona de la ciudad. Más aún, las muertes que se producían fuera de esa zona principal eran de personas que habían estado en la misma por alguna razón. John Snow empezó a sospechar que tenía que ver con el agua, más concretamente, con una fuente situada en Broad Street. Para ello, el doctor Snow dibujó sobre el plano de Londres las regiones de influencia de cada una de las fuentes de la ciudad, entendiendo que los habitantes de la misma optarían por buscar agua en la fuente más cercana para ellos (recordemos que no existía el agua corriente). La inmensa mayoría de las muertes se quedaban en la región de influencia de la fuente de Broad Street. Con ello, el doctor Snow descubrió que la causa de la enfermedad fue la contaminación por heces fecales del agua de la citada fuente. Y todo esto antes de que naciera Voronoi.

Desde la época de Snow hasta nuestros días los diagramas de Voronoi han tenido y tienen infinidad de aplicaciones debido, sobre todo, a su estrecha relación con el concepto de regiones de influencia o dominio de los puntos que los generan. Por ejemplo, en el fútbol.

Si pensamos en los jugadores sobre el terreno de juego como puntos sobre un plano, podemos asignarle a cada uno de ellos su región de Voronoi que estará formada por los puntos del terreno de juego que están más cerca de cada jugador que del resto. Evidentemente, como los jugadores no están quietos, en general, este diagrama irá modificándose con el tiempo pero nos puede decir, en cada instante, qué equipo está mejor posicionado en el campo.

Si por ejemplo tenemos dos equipos (equipo rojo y equipo azul) que ocupan esta posición:

La ventaja posicional de un equipo sobre el otro puede que a simple vista no esté muy clara, pero si dibujamos el diagrama de Voronoi de los jugadores y coloreamos con dos colores las regiones de influencia asociadas a los jugadores de cada uno de los equipos, obtenemos:

Se puede observar que el equipo azul no sólo ocupa mayor región del campo, sino que sus regiones están todas conectadas, con lo cual se favorecen los pases entre los distintos jugadores de dicho equipo (cosa que no ocurre con el rojo).

Como hemos dicho, este diagrama irá variando cuando se muevan los jugadores pero existen multitud de herramientas que permiten calcular estos diagramas en movimiento. Lo único que necesitamos es un entrenador que sepa cómo aplicarlo.

En este sentido, en el de regiones de influencia o dominio se pueden encontrar infinidad de aplicaciones como las del fútbol, las de la farmacias, etc. Pero otro tipo de aplicaciones que igual no se nos ocurren en primera instancia tiene que ver con las fronteras de las regiones. Imaginen que en lugar de querer encontrar la farmacia más cercana a ustedes quieren cruzar la ciudad pasando lo más lejos posible de cualquier farmacia. Igual no lo ven con farmacias pero pueden pensar en pastelerías y/o heladerías si están en eso que llaman la operación bikini. En ese caso, la ruta a seguir nos la dan las líneas de las fronteras del diagrama de Voronoi. Caminando sobre dichas líneas estaremos siempre lo más alejados posible de las dos pastelerías que comparten esa línea en su frontera de Voronoi. Esto se utiliza para, por ejemplo, evitar colisiones de barcos al atravesar zonas escarpadas de la costa.

O, quién sabe, para atacar Pearl Harbor sin que te detecten las restantes bases estadounidenses.
Los puntos de esta imagen representan las bases de EEUU en el Pacífico en 1941. El punto rojo es Pearl Harbor y los amarillos Aleutianas, Midway y Wake. Las líneas rojas corresponden con el diagrama de Voronoi de las 4 bases, las líneas blancas señalan la ruta seguida por la flota japonesa en el ataque

Esto último es una conjetura mía que, posiblemente, no tenga nada que ver con la realidad.

Ah, se me olvidaba. A los niños de 3 años les expliqué la utilidad del diagrama de Voronoi para identificar quién era el dueño de un caramelo encontrado en la clase (entendiendo que a esas edades el dueño legítimo es el que está más cerca, claro) y jugamos un rato con una simulación de caramelos que caían en el patio de juego de los Lunnis.

voronoi 11 kaYC U203553075365nP

El ABCDARIO DE LAS MATEMÁTICAS es una sección que surge de la colaboración con la Comisión de Divulgación de la Real Sociedad Matemática Española (RSME).

http://www.ELMUNDO.es
Lunes 24 de Abril del 2017

Nuestros Servicios

  • Consultoría en ingeniería en General >

      Ofrecemos asesoramiento, desde una investigación preliminar, hasta la realización de un proyecto llave en mano, con la posterior colaboración en elmantenimiento y explotación, ejecutando todos los pasos intermedios. Los servicios que ofrecemos desde el nacimiento hasta la concreción de una ideason: • Identificación de proyectos • Estudios de viabilidad técnicos, socio-económicos y Read More
  • Servicio técnico Especializado >

    Servicio de mantenimiento y calibración de equipos topográficos Cuenta con personal especializado, con amplia experiencia enreparación, mantenimiento y verificación de equipos ópticos, mecánicos y electrónicos. Reparación de instrumentos de topografía y geomática (estaciones totales, niveles electrónicos, niveles digitales, niveles automáticos, gps, teodolitos, y otros) Contratos de mantenimiento preventivo y correctivo para Read More
  • Museo de la Topografía >

    Presentamos a ustedes una gran galería de imagenes e información de los diferentes equipos que han existido en este gran mundo de la topografía Read More
  • Mundo al instante >

    La finalidad de este espacio es presentarles a uds las ultimas noticias del sector,  y artículos de ingeniería que pueden ser de su interés Read More
  • 1
  • 2