Debido a las particularidades del mar Báltico, realizar mediciones precisas en la zona costera no es una tarea fácil. Durante la última década, se han utilizado escáneres láser topográficos para el monitoreo periódico de la costa sur del mar en Polonia, además de perfiles utilizando receptores GNSS RTK. Este artículo describe el trabajo para verificar la viabilidad y precisión del uso de batimetría Lidar aerotransportada (ALB), tanto en el fondo marino como en tierra.
La costa sur del mar Báltico se caracteriza por una gran variabilidad. Debido a las tormentas, en algunos lugares las playas de arena se hacen cada vez más anchas, mientras que en otros simplemente desaparecen. El deseo de prevenir estos efectos ha impulsado la necesidad de monitorear permanentemente los cambios y responder en consecuencia. El monitoreo anual del estado de la costa es una obligación legal y es responsabilidad de los directores de las Oficinas Marítimas de Polonia.
Desde hace casi una década, la Oficina Marítima de Szczecin y la Oficina Marítima de Gdynia encargan vuelos con escáneres topográficos láser. Los escáneres topográficos son difíciles de superar cuando se trata de rastrear cambios en el terreno, ya que permiten cartografiar toda la línea de costa con gran precisión. Sin embargo, lamentablemente, el pulso láser en el rango del infrarrojo cercano no es capaz de penetrar el agua, lo que da como resultado una falta de información completa sobre la zona costera. Esta información tampoco la proporcionan los perfiles de altura. Teóricamente, una solución a este problema podría ser el uso de un escáner batimétrico aerotransportado. Pero, ¿pueden los resultados obtenidos con este tipo de equipo de medición alcanzar la precisión esperada en una masa de agua tan difícil como el mar Báltico?
Los desafíos del Mar Báltico
Debido a las particularidades del mar Báltico, la realización de mediciones en la zona costera del Báltico no es una tarea sencilla. Cada método de medición tiene sus propias ventajas y limitaciones, pero cobran especial importancia en el caso de esta masa de agua. Por ejemplo, dado que el mar Báltico es un mar de plataforma, es especialmente difícil cartografiar su fondo en la zona costera utilizando ecosondas multihaz. Los barcos hidrográficos suelen tener un mayor calado, por lo que es imposible utilizarlos. Por otro lado, el uso de un barco de prospección de poco calado requiere que las mediciones se realicen en condiciones meteorológicas casi ideales. De lo contrario, las ondulaciones del mar Báltico podrían hacer que el barco zozobrara.
Figura 1: Comparación del rendimiento de mapeo de una ecosonda multihaz y un ALB. (Fuente de la imagen: ver abajo)
Por ello, el método más habitual para medir la zona costera del sur del mar Báltico es la realización de perfiles con un receptor GNSS. La tarea del topógrafo consiste entonces en realizar perfiles transversales en los que se toman medidas de las dunas, la playa y en el agua, lo más profundo posible. Esta tecnología es sin duda suficiente para la realización de mediciones en distancias cortas, porque es extremadamente móvil e independiente de las condiciones meteorológicas. Sin embargo, las olas potencialmente altas del mar Báltico plantean un problema.
Baja claridad del agua
Se sabe que los escáneres batimétricos aéreos son ideales para cartografiar lagos de montaña o mares y océanos claros. De hecho, muchos proveedores de materiales promocionales alardean de la capacidad de sus escáneres para alcanzar profundidades de varias decenas de metros en aguas claras. Pero el mar Báltico ciertamente no entra en esta categoría; es una masa de agua con una claridad del agua relativamente baja.
Otro factor que afecta a las mediciones batimétricas desde un avión es la acción de las olas. El mar Báltico puede ser turbulento y la frecuencia de las olas puede ser mucho mayor que en aguas oceánicas. Todo esto hace que la toma de medidas sea difícil, pero no imposible. La clave es tener un buen conocimiento del entorno y estar constantemente al tanto de las condiciones cambiantes en el aire y en el agua.
Figura 2: Profundidad media anual de los discos de Secchi según datos de 1990 a 2005. (Imagen cortesía de Lindgren y Håkanson, 2007)
Probando la viabilidad del ALB
Otro factor que afecta la popularidad de un método de medición en particular es su fiabilidad. Las tecnologías que se conocen y se han establecido bien durante décadas se abordan de manera diferente que los métodos especializados que son relativamente nuevos. Dicho esto, cabe señalar que algunos de los primeros intentos de cartografiar la costa sur del Báltico utilizando ALB se realizaron ya en 2007. Lamentablemente, sus resultados no fueron proporcionales al costo de adquisición de los datos en ese momento.
Esta tendencia comenzó a revertirse en los últimos años, cuando empezaron a aparecer contratos públicos para la vigilancia de determinadas zonas de la costa polaca. GISPRO SA llevó a cabo uno de los proyectos piloto en este sentido por encargo de la Oficina Marítima de Szczecin. El objetivo de los trabajos realizados era comprobar la viabilidad de la utilización del ALB en la costa báltica y, lo que es más importante, comprobar la precisión de las mediciones realizadas con el ALB tanto en el fondo marino como en tierra.
Condiciones técnicas y equipamiento
Los perfiles debían tomarse al menos cada 200 m desde la cresta de la duna o el acantilado, a lo largo de la playa y bajo la orilla, hasta una distancia de 500 m dentro del mar (desde la línea de costa). Las mediciones en perfil debían tomarse cada 5-10 m y en ubicaciones características. El proceso de medición debía ser continuo, utilizando un receptor GNSS RTK en tierra y en aguas poco profundas, y una ecosonda monohaz mientras se estaba en el agua. Se debía realizar un escaneo aéreo para todo el tramo de 10,4 km de la costa, tanto para la superficie terrestre como para el fondo, con una densidad no inferior a 6 puntos/m2 para el último retorno.
Se eligió un escáner láser aerotransportado Riegl VQ-880-G II, que emite pulsos láser en los rangos verde (532 nm) e infrarrojo cercano (1.064 nm). Tiene cámaras PhaseOne XM-100 integradas y también está equipado con un avanzado sistema de posicionamiento GNSS Trimble Applanix AV-610 con una unidad inercial IMU-57 de alta gama. La ecosonda monohaz SonarMite BTX (SBES), integrada con un receptor GNSS RTK Trimble R8, se instaló en una embarcación de estudio ligera. Se utilizó un receptor GNSS RTK Trimble R12 para medir perfiles en tierra y en aguas poco profundas.
Campaña de medición y productos
Las mediciones se realizaron el 30 de octubre de 2022 en buenas condiciones meteorológicas. El cielo estaba cubierto de nubes, pero no había precipitaciones. El viento soplaba a una velocidad de solo 1 m/s. El escaneo batimétrico con láser se realizó desde una altitud de 530 m sobre el nivel del suelo a una velocidad de 100 nudos.
El resultado fue una nube de puntos con una densidad mínima de 6,42pts/m2 . Las mediciones con el SBES se realizaron después de la calibración con una barra de calibración. Después de la creación del perfil de velocidad del sonido (SVP), se determinó que la velocidad media en el agua era de 1.465 m/seg. Después del procesamiento de los datos, se prepararon bocetos fotográficos que mostraban los perfiles tomados con el receptor GNSS RTK y SBES, ortofotos RGB CIR y una nube de puntos georreferenciada para el área costera y la parte submarina.
Figura 3: Nube de puntos ALB con perfiles de elevación GNSS RTK-SBES. (Imagen cortesía de GISPRO SA)
Evaluación de la precisión de ALB
Como parte del trabajo realizado, se verificó la precisión de las mediciones realizadas con distintas técnicas. Para ello, tras clasificar la nube de puntos del escáner batimétrico, se realizó un modelo digital del terreno y un modelo digital del fondo. A continuación, se dejaron caer sobre la superficie los puntos medidos con un receptor GNSS en tierra y GNSS trabajando con una ecosonda monohaz. De esta forma, se obtuvieron las coordenadas de altura de los mismos puntos utilizando diferentes tecnologías de medición. De esta forma, fue posible comparar los valores obtenidos (véase la Tabla 1).
Tabla 1: Comparación de los valores obtenidos utilizando diferentes tecnologías de medición.
Conclusiones
La realización de mediciones batimétricas en aguas poco profundas supone un gran desafío, ya que el uso de técnicas de medición tradicionales plantea muchos problemas. La poca profundidad elimina prácticamente el sentido de utilizar una ecosonda multihaz. La banda de exploración de la ecosonda sería pequeña y la propia ecosonda podría resultar dañada si entra en una zona poco profunda o si hay algún objeto en el fondo.
Por lo tanto, la única alternativa que queda es crear perfiles utilizando una ecosonda monohaz y un receptor RTK GNSS. Lamentablemente, este método tiene un rendimiento muy bajo y sus resultados se limitan únicamente a la información de profundidad dentro del perfil. En el área de prueba, se registró que el tiempo necesario para los perfiles tierra-agua fue de 40 horas-hombre. En cambio, el tiempo de vuelo utilizando un escáner batimétrico aerotransportado fue de aproximadamente 1 hora-hombre.
Una de las principales desventajas de la tecnología ALB son las limitaciones asociadas a su uso. Se necesitan condiciones atmosféricas y ambientales adecuadas. La cobertura de nubes, la acción de las olas, la dirección y la fuerza del viento y la claridad del agua son importantes. Es fundamental realizar el registro en el momento de menor contaminación con materia orgánica e inorgánica por encima del fondo.
Independientemente de lo anterior, se ha demostrado que el escaneo batimétrico con láser permite obtener la imagen más completa de la zona de aguas poco profundas en un tiempo relativamente corto. Esto ha permitido crear un modelo fiable del fondo que contiene información completa. Como resultado, es más fácil no solo identificar los objetos que se encuentran en el agua, sino también seguir los cambios resultantes de la actividad del mar.
Los resultados positivos obtenidos en el proyecto piloto han contribuido sin duda a la licitación para la vigilancia de toda la costa báltica con batimetría aerotransportada mediante lidar. Gracias a ello, GISPRO SA ya ha tenido la oportunidad de cartografiar toda la costa tanto para la Oficina Marítima de Szczecin (en 2023) como para la Oficina Marítima de Gdynia (en 2024). Durante los trabajos realizados, además de cartografiar satisfactoriamente la geometría de la costa y el fondo marino, fue posible incluso escanear algunos naufragios. Un ejemplo es el naufragio del buque de hormigón Karl Finsterwalder frente a la costa de la isla de Wolin.
Figura 4: El naufragio del buque de hormigón Karl Finsterwalder, captado por los datos del ALB. (Imagen cortesía de GISPRO SA)
Expresiones de gratitud
Estos trabajos se llevaron a cabo utilizando equipos y conocimientos obtenidos durante el proyecto 'Trabajos de investigación y desarrollo para la creación de un sistema cartográfico completo y multimodal para las necesidades de las vías navegables interiores y marítimas y las áreas de explotación', número POIR.01.01.01-00-1372/19, financiado por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo, Polonia.
La Figura 1 proviene del artículo titulado Przegląd współczesnych metod satelitarnych i lotniczych wykorzystywanych w mapowaniu dna morskiego (Revisión de los métodos aéreos y satelitales contemporáneos utilizados en el mapeo del fondo marino), escrito originalmente en polaco.
