Universidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Integración de modelos numéricos de glaciares y procesado de datos de georradar en un sistema de información geográfica Tesis Doctoral por Ricardo Rodríguez Cielos Ingeniero de Telecomunicación Ingeniero Técnico en Topografía, Geodesia y Cartografía Año 2014 Departamento de Matemática Aplicada a las Tecnologías de la Información Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Integración de modelos numéricos de glaciares y procesado de datos de georradar en un sistema de información geográfica Autor: Ricardo Rodríguez Cielos Ingeniero de Telecomunicación Ingeniero Técnico en Topografía, Geodesia y Cartografía Directores: Francisco José Navarro Valero Javier Jesús Lapazaran Izargain Doctor en Ciencias Físicas Doctor Ingeniero de Telecomunicación Año 2014 III IV Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excemo. Sr. Rector de la Uni- versidad Politécnica de Madrid, el día ____ de __________ de 2014. Presidente D. Vocal D. Vocal D. Vocal D. Vocal Secretario D. Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día ____ de __________ de 2014, en ____________. Calificación: ________________________ EL PRESIDENTE LOS VOCALES EL VOCAL SECRETARIO V A mis hijos, a ella, a mis padres, a mi familia, a mis compañeros, a mis profesores y a mis alumnos. VII Resumen Resumen Los modelos de termomecánica glaciar están definidos mediante sistemas de ecuaciones en derivadas parciales que establecen los principios básicos de conservación de masa, momento lineal y energía, acompañados por una ley constitutiva que define la relación entre las tensiones a las que está sometido el hielo glaciar y las deformaciones resultantes de las mismas. La resolución de estas ecuaciones requiere la definición precisa del dominio (la geometría del glaciar, obtenido a partir de medidas topográficas y de georradar), así como contar con un conjunto de condiciones de contorno, que se obtienen a partir de medidas de campo de las variables implicadas y que constituyen un conjunto de datos geoespaciales. El objetivo fundamental de esta tesis es desarrollar una serie de herramientas que nos permitan definir con precisión la geometría del glaciar y disponer de un conjunto adecuado de valores de las variables a utilizar como condiciones de contorno del problema. Para ello, en esta tesis se aborda la recopilación, la integración y el estudio de los datos geoespaciales existentes para la Península Hurd, en la Isla Livingston (Antártida), generados desde el año 1957 hasta la actualidad, en un sistema de información geográfica. Del correcto tratamiento y procesamiento de estos datos se obtienen otra serie de elementos que nos permiten realizar la simulación numérica del régimen termomecánico presente de los glaciares de Península Hurd, así como su evolución futura. Con este objetivo se desarrolla en primer lugar un inventario completo de datos geoespaciales y se realiza un procesado de los datos capturados en campo, para establecer un sistema de referencia común a todos ellos. Se unifican además todos los datos bajo un mismo formato estándar de almacenamiento e intercambio de información, generándose los metadatos correspondientes. Se desarrollan asimismo técnicas para la mejora de los procedimientos de captura y procesado de los datos, de forma que se minimicen los errores y se disponga de estimaciones fiables de los mismos. XI Resumen El hecho de que toda la información se integre en un sistema de información geográfica (una vez producida la normalización e inventariado de la misma) permite su consulta rápida y ágil por terceros. Además, hace posible efectuar sobre ella una serie de operaciones conducentes a la obtención de nuevas capas de información. El análisis de estos nuevos datos permite explicar el comportamiento pasado de los glaciares objeto de estudio y proporciona elementos esenciales para la simulación de su comportamiento futuro. XII Abstract Abstract Glacier thermo-mechanical models are defined by systems of partial differential equations stating the basic principles of conservation of mass, momentum and energy, accompanied by a constitutive principle that defines the relationship between the stresses acting on the ice and the resulting deformations. The solution of these equations requires an accurate definition of the model domain (the geometry of the glacier, obtained from topographical and ground penetrating radar measurements), as well as a set of boundary conditions, which are obtained from measurements of the variables involved and define a set of geospatial data. The main objective of this thesis is to develop tools able to provide an accurate definition of the glacier geometry and getting a proper set of values for the variables to be used as boundary conditions of our problem. With the above aim, this thesis focuses on the collection, compilation and study of the geospatial data existing for the Hurd Peninsula on Livingston Island, Antarctica, generated since 1957 to present, into a geographic information system. The correct handling and processing of these data results on a new collection of elements that allow us to numerically model the present state and the future evolution of Hurd Peninsula glaciers. First, a complete inventory of geospatial data is developed and the captured data are processed, with the aim of establishing a reference system common to all collections of data. All data are stored under a common standard format, and the corresponding metadata are generated to facilitate the information exchange. We also develop techniques for the improvement of the procedures used for capturing and processing the data, such that the errors are minimized and better estimated. All information is integrated into a geographic information system (once produced the standardization and inventory of it). This allows easy and fast viewing and consulting of the data by third parties. Also, it is possible to carry out a series of operations leading to the production of new layers of information. The analysis of these new data allows to explain past glacier behavior, and provides essential elements for explaining its future evolution. XV Índice Índice Resumen IX Abstract XIII Índice XVII Prefacio XXV Antecedentes y motivación XXVII El modelo de termomecánica glaciar y sus datos de entrada XXIX Objetivos de la tesis XXXII Breve descripción del contenido de la tesis XXXV 1. Marco teórico 1 1.1. Modelos y estructuras de datos 3 1.1.1. Bases de datos 3 1.1.2. Estructura de datos ráster y vectorial 7 1.2. Geodesia y Cartografía 12 1.2.1. Sistemas de referencia globales 12 1.2.2. Geometría elemental del elipsoide de revolución 12 1.2.3. Sistema de referencia terrestre geocéntrico 15 1.2.4. Problema directo: cálculo de las coordenadas cartesianas de un punto a partir de sus 17 coordenadas geodésicas 1.2.5. Problema inversa: cálculo de las coordenadas geodésicas de un punto a partir de sus 18 coordenadas cartesianas 1.2.6. Orientación 19 1.2.7. Transformación general entre dos sistemas de 20 coordenadas cartesianos 1.2.8. Proyecciones cartográficas 24 1.2.9. Teoría general de deformaciones 26 1.2.10. La proyección UTM 32 XIX Índice 1.2.11. La proyección UPS 45 1.2.12. El campo de gravedad terrestre 48 1.3. Ajuste de observaciones, curvas y superficies 53 1.3.1. Ajuste de observaciones por mínimos cuadrados 53 1.3.2. Representación del relieve 56 1.4. Sistemas de captura de datos geoespaciales 63 1.4.1. Sistemas globales de navegación por satélite 63 1.4.2. Método de intersección directa en topografía 73 clásica 1.4.3. Técnicas de georradar 76 1.4.4. Geometría de la cámara fotográfica 80 1.4.5. Fotogrametría 83 2. Normalización de la información geoespacial 89 2.1. Introducción 91 2.2. Los sistemas de información geográfica 92 2.3. Normalizaciones internacionales 95 2.3.1. ISO 95 2.3.2. DIF 97 2.3.3. CEN/TR 15449 98 2.4. IDE 98 2.5. Los GIS y las IDE en el entorno antártico 103 2.5.1. Quantarctica 103 2.5.2. ADD 104 2.5.3. EE 105 2.5.4. AADC 106 XX Índice 2.5.5. NSIDC 107 2.6. CNDP 109 2.7. Selección del software GIS para el almacenamiento de la 111 base de datos geoespacial 2.7.1. Descripción del software ArcGIS 112 3. Inventario de datos geoespaciales 119 3.1. Zona de estudio 121 3.2. Puntos notables 124 3.2.1. Puntos fundamentales 124 3.2.2. Puntos de control 127 3.2.3. Puntos para georreferenciación 132 3.3. Cartografía disponible 135 3.3.1. Mapas a escala 1:200000 de la United Kindom Hydrographic Office, el Directorate of Overseas 135 Surveys y el British Antarctic Survey 3.3.2. Mapas del Servicio Geográfico del Ejército (SGE) de 137 España 3.4. Imágenes aéreas 142 3.4.1. Fotografías aéreas Digitalglobe 142 3.4.2. Fotografía aérea Geoeye 146 3.4.3. Vuelo de 1956-1957 del British Antarctic Survey 148 (BAS) 3.4.4. Vuelo de 1990 de la United Kindom Hydrographic 153 Office (UKHO) 3.5. Inventario de la Universitat de Barcelona (UB) 156 3.6. Inventario del Grupo de Simulación Numérica en Ciencias e 158 Ingeniería (GSNCI) de la Universidad Politécnica de Madrid 3.7. Otros datos de interés 185 3.7.1. Modelo Earth Gravitational Model 2008 (EGM08) 185 para la ondulación del geoide 3.8. Mejoras en las metodologías de observación 187 XXI Índice 3.8.1. Metodología de observación de estacas inclinadas 187 4. Estructuración y almacenamiento de la base de datos 209 geoespacial de isla Livingston en ARCGIS 4.1. Introducción 211 4.2. Organización de la información geoespacial 213 4.3. Catálogo de datos para descarga directa 215 4.4. Acceso mediante aplicaciones de escritorio 216 4.5. Acceso mediante servicios WEB y cliente ligero 220 5. Análisis espacio-temporal de datos de Península Hurd 221 5.1.