Batimetrías por satélite en aguas someras


Con imágenes multiespectrales; permite calcular profundidades hasta de 15 metros



Ciencias del mar y de la Tierra

Comprender la morfología del fondo marino cerca de la costa es básico para inferir un montón de cosas: seguridad en la navegación, la estabilidad de playas, para diseñar construcciones o para gestionar, explotar y preservar recursos naturales, entre otras.

Tradicionalmente, los aparatos que se utilizan para medir la profundidad del fondo marino y, en general, de cualquier superficie que se encuentra cubierta por agua, incluidas lagunas costeras o estuarios, pero también lagos, ríos o estanques, son ecosondas de muy alta precisión. Estos aparatos miden el tiempo de viaje de una señal acústica reflejada por el fondo o por cualquier elemento suspendido, como peces, rocas o algas marinas. Ese rebote de la señal (que es ultrasonido) es lo que permite calcular la distancia, en este caso, la profundidad, a partir del tiempo que tarda en ir y regresar.

Pero este mapeo puede ser tardado y requiere de una embarcación para hacer las mediciones.

En 1978, el Dr. David Lyzenga, hoy investigador emérito de la Universidad de Michigan, publicó el artículo Passive remote sensing techniques for mapping water depth and bottom features en la revista Applied Optics, en el que propuso un nuevo método para extraer información sobre la profundidad del agua y el tipo de fondo a partir de datos de escáneres multiespectrales pasivos, abriendo así una novedosa posibilidad para conocer la topografía del fondo marino a partir de este tipo de imágenes, captadas desde el aire por satélites, a cientos de kilómetros de altura.

En los últimos 44 años se ha desarrollado toda un área de investigación y de aplicaciones derivadas de esto, y no solo a partir de imágenes multiespectrales tomadas por satélites, sino también capturadas con otro tipo de vehículos aéreos, como drones o aviones; basta con que se tenga la posición referenciada de las imágenes.

Recientemente, en el Laboratorio de Sensores Remotos y Vehículos Autónomos no Tripulados (SERVANT), de la Unidad La Paz del CICESE, Alfredo Carrillo Aguilar implementó un método basado en el artículo del Dr. Lyzenga para determinar la profundidad en aguas someras.

Alfredo egresó de la maestría en Ecología Marina del CICESE en noviembre de 2021, con una tesis en la que empleó técnicas de procesamiento de imágenes para identificar especies de tiburones a partir de sus aletas dorsales secas.

Con este antecedente, el Dr. Armando Trasviña Castro, investigador del CICESE-ULP y responsable del Laboratorio SERVANT, lo invitó a colaborar en un proyecto en el que participan, como investigadores principales, los doctores Alejandro Parés Sierra, Ana Laura Flores Morales y Mauro Wilfrido Santiago García, del Departamento de Oceanografía Física, así como Katerine Elsy Ticse De la Torre, estudiante de doctorado en este posgrado.

El proyecto es financiado por el Conacyt y estudia la interacción hidrodinámica entre dos lagunas costeras y los mares adyacentes. Se trata de los sistemas lagunares Bahía Magdalena-Bahía Almeja, en el litoral occidental de la península de Baja California, y Tamiahua, al norte de Veracruz, en el Golfo de México.

Desde su creación en marzo de 2016, la experticia del Laboratorio SERVANT abarca estudios de línea de costa utilizando drones; de oceanografía costera haciendo mediciones, utilizando sensores remotos y big data, así como en procesar y validar datos de sensores remotos para estudiar la costa de los océanos, en particular datos de radares de altimetría costera.

Por eso cayó como “anillo al dedo” la petición de Alejandro Parés de que se hicieran cargo de conocer las batimetrías someras en Bahía Magdalena. Y dado el interés de validar datos de sensores remotos, Armando Trasviña no dudó en incorporar a Alfredo Carrillo al staff.

Su trabajo, nos explica el doctor Trasviña, fue implementar este algoritmo “viejo” que utiliza imágenes multiespectrales, calibrarlas y obtener la altimetría.

“¡Y nos dio muy buen resultado en Bahía Magdalena! Ya hicimos las mediciones in situ para validar el método, porque este algoritmo requiere datos para poder calibrar la respuesta espectral contra las profundidades. Todavía nos falta completar la parte sur, la parte de Bahía Almejas”.

Figura 1. Batimetría de Bahía Magdalena, desde Isla Margarita, en el sur, hasta la Boca de la Soledad, en el norte (agosto de 2022). Izquierda, los datos. A la derecha la visualización sobre la imagen satelital del área.

Explicó que el método requiere de hacer mediciones de profundidad para calibrar las imágenes, pero después puede aplicarse a imágenes tanto históricas como recientes. “Hemos probado con éxito el método en aguas costeras de ambos litorales de Baja California Sur y hasta una profundidad de 15 m. En otras regiones costeras la efectividad puede variar debido a cambios naturales en las propiedades ópticas del agua, como turbidez, concentración de plancton u otras”.

Por eso las aplicaciones del método son amplias. La primera, claro está, es alimentar modelos numéricos para conocer batimetrías en zonas complejas, como canales de marea, que son muy dinámicos, justo el tipo de estudios como el que están desarrollando Alejandro Parés y Ana Laura Flores.

Otras pueden ofrecerse como servicios, por ejemplo, conocer aspectos de erosión y acreción costera. Para esto se necesita comparar imágenes antiguas y recientes de la misma región, y ver cómo ha cambiado la batimetría.

Esto, explicó Armando Trasviña, es un asunto importante aquí mismo, en Bahía Magdalena, “porque hay zonas donde el mangle está creciendo y se están formando islas, pero hay otras zonas donde hay pérdida del terreno y no estamos muy seguros a qué se debe, y entonces quieren ver si se ve algo en las imágenes”.

Recordó que normalmente en una imagen se aprecia solamente lo que está por arriba del nivel del agua. “En éstas, además, podemos ver qué está pasando con el fondo, en dónde se está acumulando arena y en dónde se está erosionando, lo cual es muy interesante”.

En teoría, este algoritmo puede emplearse no solo con imágenes multiespectrales captadas por satélite, sino también de avión o drones, siempre y cuando tengas registrada su posición. Incluso se supone que podría funcionar también con imágenes digitales tipo RGB: “sí lo intentamos, pero no salió. Parece ser que no distingue entre las bandas, cuando son bandas muy anchas; necesitan las bandas más precisas de una imagen multiespectral. Pero funciona bien con (imágenes captadas por el satélite) Sentinel, que tiene resolución de 10 metros, bastante decente.”

Reconoció que de 1978 a la fecha se ha desarrollado toda un área de investigación y de aplicaciones en este campo.

“Recientemente estuvo aquí de visita un investigador que trabaja con un método basado en oleaje. A partir de la velocidad de fase de las olas, invierte y obtiene la profundidad. Utiliza de manera muy inteligente las imágenes de las diferentes bandas de los satélites; si están ligeramente desfasadas en tiempo entonces puede calcular la velocidad de fase del oleaje en ciertas zonas, y logra reconstruir la profundidad hasta 30 metros, que es como el doble de lo que nosotros podemos hacer”.

- ¿Entonces podría reconstruir cambios históricos en las batimetrías, como lo están haciendo ustedes?

“Sí, cuando te vas a 30 metros puedes llegar por ejemplo a arrecifes profundos, a zonas que pueden tener más impacto de tormentas. Esta es un área que se está desarrollando por diferentes métodos, y que está permitiendo ahora conocer cómo son las batimetrías de las zonas más someras, donde es muy difícil medir. Hay ejemplos también de gente que está utilizando videos de zonas costeras. Ya vez que cuando el oleaje llega a la playa, hay un momento en que se queda como espejo y puedes ver el fondo. Entonces puedes emplear esos videos para ver la profundidad abajo de la zona de rompientes, que es una aplicación muy interesante”.

- ¿Ustedes en el Laboratorio SEVANT pueden trabajar en todo esto?

“Sí, aunque de momento estamos utilizando solamente la aplicación de imágenes multiespectrales, que es la más sencilla”.

Además de Bahía Magdalena, el doctor Trasviña dijo tener pendiente hacer algo similar en la punta sur de Isla San José (en el Golfo de California, al norte de La Paz), “donde hemos hecho mediciones. Las primeras pruebas que hicimos en la parte sur de la Isla Espíritu Santo no salieron muy bien las cosas; tenemos que retomar eso, y me gustaría la ensenada de La Paz; esa también es una posibilidad”.

Además, destacó la importancia de tener aguas transparentes en esta parte de la península. “No sé si esto funcionaría por ejemplo en San Quintín, en Baja California, donde Alejandro Hinojosa (del Departamento de Geología del CICESE) está haciendo estudios similares y ha tenido problemas con la cantidad de sedimentos en suspensión. Acá tenemos esa ventaja, que el agua está más transparente”.

Mientras tanto, ya pasada la pandemia, esperan retomar el ofrecimiento de un curso sobre batimetrías someras que abarca varios métodos, que ya tenían aprobado a partir de un proyecto Conacyt. “Seguimos con el dedo en el renglón. Vamos a insistir en traer a esa gente para que nos ponga al corriente sobre los últimos métodos”, concluyó el investigador.

● El 22 de septiembre, Armando Trasviña y Alfredo Carrillo ofrecieron el seminario "Batimetrías por satélite", donde explican con mayor detalle cómo implementaron este método. Aquí, la liga para verlo.

 

Palabras clave: batimetrías, multiespectral, Armando Trasviña, Bahía Magdalena, altimetría costera

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