XIX Congreso Estatal de Astronomía Madrid, 17 – 19 de Septiembre de 2010
Uso de las Infraestructuras de Datos Espaciales como herramienta en Arqueoastronomía José Gómez Castaño (1)(2) Alba Gómez Varela (3) (1)
(3)
IOTA (2) OSGeo jgomezc@adif.es Universidad Rey Juan Carlos, a.gomezva@alumnos.urjc.es
Resumen Una Infraestructura de Datos Espaciales (IDE) la componen un conjunto de tecnologías que incluyen datos y atributos geográficos, junto a servicios que permiten la visualización de esta cartografía y su integración con otros sistemas. Entre estos servicios se encuentran los de Visualización de Mapas (WMS), el de Consulta de Fenómenos (WFS) y el más reciente de Consulta de Procesos (WPS). Estos servicios se basan en una serie de estándares auspiciados por el Open Geospatial Consortium (OGC) que permiten su interoperabilidad. Existen estos servicios distribuidos por los equipos que llevan a cabo excavaciones arqueológicas, y que proporcionan cartografía detallada a través de internet. En esta cartografía se muestra la situación y dimensiones de cada uno de los elementos del yacimiento, de forma accesible a cualquier investigador. En el presente trabajo se muestra una descripción de estos Servicios, y cómo una IDE aplicada a Yacimientos Arqueológicos se puede aprovechar para estudios astronómicos relativos al mismo. Se trata de combinar la IDE con un sistema de cálculo de efemérides astronómicas, para la búsqueda de coincidencias de sus alineamientos con fenómenos astronómicos. Para ello se ha desarrollado un sistema que proporciona una capa cartográfica mostrando los puntos de salida y puesta de las principales estrellas, observados desde el lugar elegido sobre la cartografía del yacimiento, en una fecha antigua dada. Así mismo se muestra cómo puede utilizarse la capacidad de consulta sobre una base de datos espacial PostGIS a la hora de referir efemérides astronómicas a objetos encontrados en el yacimiento.
Palabras clave: Arqueoastronomía, Infraestructura de Datos Espaciales, IDE, Orto Ocaso Heliaco Introducción En este trabajo conjugamos dos mundos que en la mayoría de los casos, se estudian por separada. La Información Geográfica y las Efemérides Astronómicas. Por este motivo dividiremos la ponencia en dos partes. En la primera, abordaremos las IDEs, su uso y componentes, para en la segunda, tratar qué Efemérides Astronómicas son útilies y cómo . pueden cruzarse con esta IG aplicada a la Arqueología para obtener resultados reales. Puede surgir la pregunta de por qué utilizar datos astronómicos en arqueología. La Astronomía es una herramienta eficaz a la hora de datar hechos históricos y la época de construcción de asentamientos. En muchas civilizaciones, las construcciones se erigían en línea con algún fenómeno astronómico. Por ejemplo la salida de Sirio era tomada como referencia en el calendario Egipcio[1]. Son muchos ejemplos entre los Mayas, Celtas, etc. Por este motivo, es importante disponer de unas efemérides precisas que proporcionen información sobre estos fenómenos, y que puedan ser utilizados cuando se analizan los yacimientos. Uso de las Infraestructuras de Datos Espaciales como herramienta en Arqueoastronomía José Gómez Castaño y Alba Gómez Varela Página 1 de 10
XIX Congreso Estatal de Astronomía Madrid, 17 – 19 de Septiembre de 2010 Qué es una IDE Lo primero que haremos, será definir qué es una IDE y qué servicios y componentes la integran, al no ser un tema con el que estemos familiarizados en astronomía. Una IDE es un como un conjunto de tecnologías que incluyen datos y atributos geográficos, junto a servicios que permiten la visualización de esta cartografía y su integración con otros sistemas. El objetivo es compartir de forma eficaz la Información Geográfica para evitar duplicidades y garantizar el uso de un conjunto de datos geográficos básicos, permitiendo integrar estas fuentes, mantenidas por diferentes organismos. Por lo tanto, se trata de algo más que Información Geográfica (IG) almacenada en un GIS tradicional. El que se pueda tener acceso desde Internet a esta IG y poder tratarla junto a otras fuentes de datos, es donde reside el potencial de esta tectonolgía.
Las IDE tienen son una tecnología que tiene gran tradición en España, no solo impulsadas por las Administración Central, sino que desde las Comunidades Autónomas y las Administraciones Locales, se llevan a cabo diversas iniciativas para ponerlas a disposición de todos. El referente de estos trabajos lo constituye la IDEE [2], la Infraestructura de Datos Espaciales de España. En su página está disponible un catálogo con los nodos disponibles en todo el territorio. Servicios ofrecidos por una IDE Hemos hablado de servicios que aporta una IDE. Estos son un estándar definido internacionalmente por el Open Geospatial Consortium (OGC), y los que hemos utilizado en este trabajo son: WMS (Web Map Service) Es un estándar que permite visualizar Información Geográfica a través de internet. Proporciona una imagen del mundo real para un área solicitada. La fuente de esta imagen puede ser un fichero de datos de un SIG, de una Base de Datos espacial, un mapa digital, una ortofoto, una imagen de satélite, etc. Está organizada en una o más capas, que pueden mostrarse u ocultarse una a una, pudiéndose consultar información relativa a elementos individuales del mapa. Permite superponer visualmente datos vectoriales, raster, en diferente formato, con distinto Sistema de Referencia y Coordenadas y en distintos servidores, siempre devolviendo al usuario final una imagen rasterizada en un formato ampliamente usado como PNG, JPG o SVG.
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WFS (Web Feature Service) Es un estándar OGC que permite acceder y consultar todos los atributos de un elemento espacial, representado en modo vectorial, con una geometría descrita por un conjunto de coordenadas. Los datos proporcionados están en formato GML (otro estándar OGC). Un WFS permite no sólo visualizar la información tal y como permite un WMS, sino también consultarla y descargarla libremente. Componentes de la IDE Describiremos brevemente los elementos que componen una IDE y que permiten el almacenamiento y distribución de la Información Geográfica. Base de Datos Espacial. Almacena los elementos que se representarán y sus atributos. Algunos productos muy extendidos son PostgreSQL PostGIS, Oracle Spatial o MySQL. Servidor de mapas. Es un software que permite la publicación de la cartografía y ofrecer los servicios WMS y WFS a través de Internet. Algunos ejemplos son GeoServer y MapServer. Clientes pesados. Son aplicaciones tradicionales de escritorio que permiten el tratamiento de los datos geográficos. En este caso tenemos ejemplos como gvSIG Clientes ligeros. Son aplicaciones, generalmente web, que permite la visualización y un pequeño tratamiento de los geográficos y su cruce con otras fuentes de datos. Estos son creados con API como la de OpenLayers o Google Maps
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XIX Congreso Estatal de Astronomía Madrid, 17 – 19 de Septiembre de 2010 Ejemplo de un cliente ligero
Los elementos que se representan por medio de estos componentes son
Proceso de generación de la Información Geográfica Para llevar a cabo el proceso de generación de un inventario digital y su publicación en la IDE, se llevan a cabo los siguientes pasos: Levantamiento Topográfico. Mediante el uso de GPS, teodolitos, fotografía y técnicas LIDAR (laser), se toman los datos en el lugar del yacimiento. Almacenamiento de datos georreferenciados en BD. Los datos recogidos, se georreferencian, es decir, se les asocia una posición geográfica. Después se almacenan en la base de datos espacial Geoprocesamiento. En la mayoría de los casos es necesario procesar estos datos (datos en bruto). Dependiendo del trabajo a realizar se harán transformación de coordenadas, aplicación de estilos, cruce con otras bases de datos, etc Publicación de los elementos. Por último se procede a publicar los datos vectoriales de la base de datos usando el servidor cartográfico. En él, como se ha dicho, se generan las imágenes que serán utilizadas por los diferentes clientes, mostrándose las imágenes características de planimetría y pudiendo acceder a los datos de cada objeto georreferenciado.
Ejemplo de imagen LIDAR de Stonehenge
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IDE Arqueológica En arqueología los datos que se toman de los yacimientos, están almacenados en planos manuscritos, o en el mejor de los casos, en ficheros AutoCAD. Esto hace que sea difícil el acceso a ellos, encontrándose dispersos en los diferentes grupos que trabajan en el cada uno. El tratamiento digital es por tanto complicado, al tener que digitalizarse cada plano, en caso necesario. También se hace complicado acceder a ellos al tenerlos cada grupo de trabajo sin conexión con otros. Como solución a esto, las IDE tienen una fácil aplicación en la investigación arqueológica. De forma sistemática, sobre cada yacimiento, se lleva a cabo una labor de reconstrucción topográfica. Esta consiste en hacer un inventario de todos los elementos que aparecen en el yacimiento, junto con la ubicación que ocupa cada uno. El uso de una IDE, permite hacer un inventario digital de la información, con lo que su publicación a partir de formatos estándares antes descritos, permite que se puedan compartir. Toda la IDE está disponible a través de internet, lo que permite que diversos grupos de trabajo, puedan acceder a la información Cómo aplicar esto en común con datos astronómicos. La solución proviene de utilizar los datos publicados por medio de la IDE arqueológica, por medio de clientes. Los servicios más útiles son el WMS y el WFS. Los daos astronómicos, los podemos publicar en dos formatos. Lo más sencillo es ofrecerlos en formato GML o geoRSS. Este es un estándar consistente en un XML en el que cada elemento está asociado a su posición geográfica. Esta opción es la mejor a la hora de quererlos utilizar en un cliente ligero, como OpenLayers o Google Maps. Lo más representable en este caso, son elementos aislados, como la línea del orto helíaco de una estrella o si queremos combinar nuestra capa arqueológica con otros capas procedentes de otros IDE, por ejemplo las de geología, modelo de elevaciones, etc. La otra opción es generar una capa cartográfica completa, que se pude almacenar en la base de datos y es publicada como una capa más dentro de la IDE. Esta solución es válida para representar líneas como la de los límites norte y sur de un eclipse de sol o la zona de visibilidad de un tránsito.
IDE del yacimiento de Tiermes
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XIX Congreso Estatal de Astronomía Madrid, 17 – 19 de Septiembre de 2010 Datos Astronómicos a representar Una vez descritas las IDEs y qué información podemos obtener de ellas, vamos centrarnos en los datos astronómicos que tenemos disponibles y cuáles son susceptibles de ser útiles en estudios históricos. En una primera aproximación, los datos más utilizados son Orto Helíaco de las estrellas brillantes y los planetas, para la determinación de coincidencias con las alineaciones presentes en la cartografía. En Datos de las circunstancias locales en eclipses de sol y luna, para la datación de fenómenos históricos Azimut sobre el horizonte de orto, ocaso y paso por el meridiano del Sol durante los Solsticios y Equinoccios Ortos Helíacos En el caso de los Ortos Helíacos, hemos tenido en cuenta la geometría descrita por Robert Purrington [3].
Geometría de un Orto Helíaco
Para los cálculos de la posición del oto sobre el horizonte, hemos implementado el siguiente algoritmo: • • • • •
Aplicar corrección por movimiento propio de la estrella Aplicar corrección por Precesión Determinar la fecha del orto helíaco Aplicar corrección por refracción Calcular el azimut del orto
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Efecto de la precesión sobre la posición estelar
Efecto de la refracción atmosférica sobre el azimut
Como resultado, puede verse, en el gráfico inferior, que para cada época, se produce un desplazamiento en la posición del azimut sobre el horizonte de este fenómeno, aplicando la geometría de Purrington, R.,
Para poder determinar la posición de este punto de orto y poderlo representar sobre la cartografía, hemos desarrollado una serie de librerías de software que permiten aplicar este algoritmo para fechas remotas, desde el 4000 a.c. Para los cálculos de precesión hemos aplicado el algoritmo descrito por Gómez, J [4]. Para la corrección por refracción atmosférica se ha utilizado el método descrito en la última edición del Explanatory Supplement [5]. Como referencia de las posiciones estelares y movimientos propios, hemos utilizado los catálogos FK5 [6] y el Bright Star Catalogue, 5th Revised Ed [7], a partir de las posiciones de acuerdo al sistema de referencia J2000.0
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XIX Congreso Estatal de Astronomía Madrid, 17 – 19 de Septiembre de 2010 Respecto a las posiciones planetarias en estas épocas, la fuente más fácil de utilizar es el software Horizons del JPL. Alineamientos El objetivo de estos cálculos, es poder obtener unas efemérides que proporcionen los datos de Orto y Azimut de los objetos, pero observados en las épocas y lugares de los yacimientos arqueológicos. En estos yacimientos, se contrastan con los alineamientos existentes.
Ejemplo de alineamientos en Bighorn Medicine Wheel Wyoming, USA
Eclipses Por otra parte, para un lugar determinado, se pueden datar fenómenos históricos, a partir del cálculo de las circunstancias locales de un eclipse. Para ello se puede calcular la visibilidad del mismo a partir de los elementos besselianos del eclipse. Recientemente, Fred Spenak a publicado “Five millennium catalog of solar eclipses -1999 to +3000”[8] Uso de los datos astronómicos en la IDE Arqueológica Una vez conocidas las posibilidades de la IDE Arqueológica y la forma en la que se obtienen las efemérides astronómica de nuestro interés, se plantea la dificultad de su uso en común, de la forma más eficaz. Para ello proponemos la siguiente solución Publicar las efemérides en formato vectorial, líneas y polilíneas, permitiendo almacenarlas en bases de datos espaciales. Esto permitirá la publicación en forma de una capa WMS más dentro de la IDE Arqueológica. Publicarlas en formato GML o geoRSS para poder representarlos en cualquier cliente tipo OpenLayers o Google Maps Preparar los clientes, tanto ligeros como pesados, para consumir esta información. Crear geoprocesos que incluyan las efemérides astronómicas
Resultado final práctico Como ejemplo de que esta solución se puede llevar a cabo, hemos desarrollado un prototipo que incluye estas soluciones
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Arquitectura del sistema desarrollado y ejemplo de efemérides (venus 2010 a.c.)
El entorno IDE se ha instalado sobre una máquina Linux usando la arquitectura PostGIS, Geoserver. Además hemos desarrollado un cliente basado en OpenLayers para consumir servicios WMS propios y de otros. A partir de los algoritmos descritos arriba, hemos generado información espacial que incluye las líneas de visibilidad de eclipses y se han almacenado en la base de datos PostGIS. Para la representación de ortos helíacos se genera un fichero geoRSS que representa en el cliente la línea desde el punto seleccionado sobre el yacimiento hasta el punto de orto sobre el horizonte. Estas herramientas hacen muy fácil integrar la información del yacimiento con la astronómica. En ambos casos se trata de información de alta precisión. Abajo se muestra el sistema funcionando para el yacimiento de Casa Montero del CSIC[9]. No es un yacimiento donde se den alineamientos de estas características, pero en este momento no tenemos acceso a otros.
IDE del Conjunto Arqueológico de Casa Montero
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Ejemplo de integración de efemérides en la IDE usando como base la imagen de fondo de Casa Montero
Conclusión Creemos que el sistema de trabajo presentado, puede hacer que la IDE Arqueológica junto a capas cartográficas astronómicas, supongan un avance importante en los estudios de arqueología, al integrar en un solo entorno de trabajo tanto datos de Información Geográfica como Efemérides Astronómicas de precisión. Referencias [1] Bradley E. Schaefer, “Heliacal rise phenomena”, Journal of History of Astronomy , 2000 [2] www.idee.es [3] Robert Purrington, “Heliacal rising and setting: Quantitative aspects”, Archaeoastronomy, num 12, 1988 [4] Gómez Castaño, José “Algoritmo de precesión válido para épocas remotas”, Astrum, marzo 2006 [5] Explanatory Supplement to the astronomical almanac, 1992 [6] Fifth Fundamental Catalogue (FK5) – Extension, Fricke y otros 1991 [7] The Bright Star Catalogue, 5th Revised, Hoffleit D., Warren Jr W.H.,1991 [8] “Five millennium catalog of solar eclipses -1999 to +3000” Fred Spenak, Jean Meeus, 2009 [9] Casa Montero www.casamontero.org Enlaces Astrometría e historia de la Astronomía www.meridi.es IDE de España www.idee.es Conjunto Arqueológico de Casa Montero www.casamontero.org Conjunto Arqueológico de Carmona sicacarmona.tcasa.es Yacimiento de Tiermes www.tiermes.net Horizons JPL http://ssd.jpl.nasa.gov/?horizons Bureau des Longitudes www.bdl.fr USNO www.usno.navy.mil Uso de las Infraestructuras de Datos Espaciales como herramienta en Arqueoastronomía José Gómez Castaño y Alba Gómez Varela Página 10 de 10