Los estudios hidrográficos son la ciencia de la medición y descripción de las características que afectan la navegación marítima, la construcción marina, el dragado , los parques eólicos marinos, la exploración y perforación petrolera en alta mar y actividades relacionadas. También se pueden realizar estudios para determinar la ruta de cables submarinos, como cables de telecomunicaciones, cables asociados con parques eólicos y cables de energía HVDC. Se pone especial énfasis en sondeos, costas, mareas, corrientes, fondo marino y obstrucciones sumergidas que se relacionan con las actividades mencionadas anteriormente. El término hidrografía se utiliza como sinónimo para describir la cartografía marítima , que en las etapas finales del proceso hidrográfico utiliza los datos brutos recopilados mediante levantamientos hidrográficos para convertirlos en información utilizable por el usuario final .
La hidrografía se recopila según reglas que varían según la autoridad de aceptación. Los estudios , tradicionalmente realizados por barcos con una línea de sonda o ecosonda , se realizan cada vez más con la ayuda de aviones y sofisticados sistemas de sensores electrónicos en aguas poco profundas. [ cita necesaria ]
El levantamiento costa afuera es una disciplina específica del levantamiento hidrográfico que se ocupa principalmente de la descripción de la condición del fondo marino y la condición de la infraestructura del campo petrolífero submarino que interactúa con él.
Los servicios hidrográficos evolucionaron a partir del patrimonio naval y generalmente se encuentran dentro de estructuras navales nacionales, por ejemplo el Instituto Hidrográfico de la Marina de España . [1] La coordinación de dichas organizaciones y la estandarización de productos se une voluntariamente con el objetivo de mejorar la hidrografía y la navegación segura y está a cargo de la Organización Hidrográfica Internacional (OHI). La OHI publica Normas y Especificaciones [2] seguidas por sus Estados Miembros, así como Memorandos de Entendimiento y Acuerdos de Cooperación [3] con intereses en estudios hidrográficos.
El producto de dicha hidrografía se ve con mayor frecuencia en las cartas náuticas publicadas por las agencias nacionales y requeridas por la Organización Marítima Internacional (OMI), [4] la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS) [5] y las regulaciones nacionales que deben llevarse a cabo. embarcaciones por motivos de seguridad. Cada vez más, esas cartas se proporcionan y utilizan en formato electrónico según las normas de la OHI.
Las entidades gubernamentales por debajo del nivel nacional realizan o contratan estudios hidrográficos para aguas dentro de sus jurisdicciones con activos tanto internos como contractuales. Estos estudios suelen ser realizados por organizaciones nacionales o bajo su supervisión o las normas que han aprobado, particularmente cuando el uso es para fines de elaboración y distribución de mapas o dragado de aguas controladas por el estado.
En los Estados Unidos, existe coordinación con el Conjunto Nacional de Datos Hidrográficos en la recopilación y publicación de estudios. [6] Las organizaciones ambientales estatales publican datos hidrográficos relacionados con su misión. [7]
Las entidades comerciales también realizan estudios hidrográficos y geofísicos a gran escala , particularmente en las industrias de dragado, construcción marina, exploración petrolera y perforación. Las entidades industriales que instalan cables submarinos de comunicaciones [8] o energía [9] requieren estudios detallados de las rutas de los cables antes de la instalación y utilizan cada vez más equipos de imágenes acústicas que antes sólo se encontraban en aplicaciones militares al realizar sus estudios. [10] Existen empresas especializadas que cuentan con el equipo y la experiencia para contratar entidades comerciales y gubernamentales para realizar dichos estudios.
Las empresas, universidades y grupos de inversión a menudo financian estudios hidrográficos de vías fluviales públicas antes de desarrollar áreas adyacentes a esas vías fluviales. También se contratan empresas de encuestas para realizar encuestas en apoyo de empresas de diseño e ingeniería que tienen contratos para grandes proyectos públicos. [11] También se realizan estudios privados antes de las operaciones de dragado y después de completarlas. Las empresas con grandes muelles privados, muelles u otras instalaciones frente al mar hacen inspeccionar periódicamente sus instalaciones y las aguas abiertas cerca de sus instalaciones, al igual que las islas en áreas sujetas a erosión variable, como en las Maldivas.
La historia de los levantamientos hidrográficos se remonta casi a la de la navegación a vela . [12] Durante muchos siglos, un estudio hidrográfico requería el uso de líneas de plomo (cuerdas o líneas con marcas de profundidad unidas a pesas de plomo para hacer que un extremo se hundiera hasta el fondo cuando se bajaban por el costado de un barco o embarcación) y postes de sondeo, que eran postes con marcas de profundidad que podían empujarse por el costado hasta tocar el fondo. En cualquier caso, las profundidades medidas tuvieron que leerse manualmente y registrarse, al igual que la posición de cada medición con respecto a los puntos de referencia mapeados según lo determinado por sextantes de tres puntos . El proceso requería mucha mano de obra y mucho tiempo y, aunque cada medición de profundidad individual podía ser precisa, incluso un estudio exhaustivo como cuestión práctica podría incluir sólo un número limitado de mediciones de sondeo en relación con el área que se estaba estudiando, lo que inevitablemente dejaba lagunas en la cobertura. entre sondeos. [12]
En 1904, los estudios de arrastre de alambre se introdujeron en la hidrografía, y Nicholas H. Heck del Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos jugó un papel destacado en el desarrollo y perfeccionamiento de la técnica entre 1906 y 1916. [13] En el método de arrastre de alambre , se arrastraba entre dos puntos un cable atado a dos barcos o embarcaciones y fijado a una determinada profundidad mediante un sistema de pesas y boyas. Si el cable encontrara una obstrucción, se tensaría y formaría una "V". La ubicación de la "V" reveló la posición de rocas sumergidas, restos de naufragios y otras obstrucciones, mientras que la profundidad a la que se colocó el cable mostró la profundidad a la que se encontró la obstrucción. [12] Este método revolucionó los levantamientos hidrográficos, ya que permitió un levantamiento de un área más rápido, menos laborioso y mucho más completo que el uso de líneas de plomo y postes de sondeo. Desde el punto de vista de la seguridad de la navegación, un estudio con cable de arrastre no pasaría por alto ningún peligro para la navegación que se proyectara por encima de la profundidad del cable de arrastre.
Antes de la llegada del sonar de barrido lateral , el reconocimiento por arrastre de alambre era el único método para buscar grandes áreas en busca de obstrucciones y embarcaciones y aviones perdidos. [14] Entre 1906 y 1916, Heck amplió la capacidad de los sistemas de arrastre de alambre desde un área relativamente limitada a barridos que cubrían canales de 2 a 3 millas náuticas (3,7 a 5,6 km; 2,3 a 3,5 millas) de ancho. [15] La técnica del arrastre de alambre fue una contribución importante a los levantamientos hidrográficos durante gran parte del resto del siglo XX. Los estudios geodésicos y costeros de Estados Unidos fueron tan valiosos que durante décadas, y más tarde la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, enviaron un par de barcos gemelos de diseño idéntico específicamente para trabajar juntos en dichos estudios. USC&GS Marindin y USC&GS Ogden realizaron estudios de arrastre de alambre juntos de 1919 a 1942, USC&GS Hilgard (ASV 82) y USC&GS Wainwright (ASV 83) asumieron el control de 1942 a 1967, y USC&GS Rude (ASV 90) (más tarde NOAAS Rude (S 590) ) ) y USC&GS Heck (ASV 91) (más tarde NOAAS Heck (S 591) ) trabajaron juntos en operaciones de arrastre de alambre desde 1967. [12] [14] [16] [17] [18] [19]
El surgimiento de nuevas tecnologías electrónicas (sonar de barrido lateral y sistemas de franjas multihaz) en las décadas de 1950, 1960 y 1970 acabó haciendo obsoleto el sistema de arrastre de alambre. El sonar de barrido lateral podría crear imágenes de obstrucciones submarinas con la misma fidelidad que la fotografía aérea , mientras que los sistemas multihaz podrían generar datos de profundidad para el 100 por ciento del fondo en un área estudiada. Estas tecnologías permitieron que un solo barco hiciera lo que los estudios de arrastre de alambre requerían que hicieran dos barcos, y los estudios de arrastre de alambre finalmente llegaron a su fin a principios de la década de 1990. [12] [15] Los buques fueron liberados de trabajar juntos en estudios de arrastre de alambre, y en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA), por ejemplo, Rude y Heck operaron de forma independiente en sus últimos años. [14] [19]
Single-beam echosounders and fathometers began to enter service in the 1930s which used sonar to measure the depth beneath a vessel. This greatly increased the speed of acquiring sounding data over that possible with lead lines and sounding poles by allowing information on depths beneath a vessel to be gathered in a series of lines spaced at a specified distance. However, it shared the weakness of earlier methods by lacking depth information for areas in between the strips of sea bottom the vessel sounded.[12]
A multibeam echosounder (MBES) is a type of sonar that is used to map the seabed. It emits acoustic waves in a fan shape beneath its transceiver. The time it takes for the sound waves to reflect off the seabed and return to the receiver is used to calculate the water depth. Unlike other sonars and echo sounders, MBES uses beamforming to extract directional information from the returning soundwaves, producing a swath of depth soundings from a single ping.
Explicit inclusion of phraseology like: "For all MBES surveys for LINZ, high resolution, geo-referenced backscatter intensity is to be logged and rendered as a survey deliverable."[20] in a set of contract survey requirements, is a clear indication that the wider hydrographic community is embracing the benefits that can be accrued by employing MBES technology and, in particular, are accepting as a fact that a MBES which provides acoustic backscatter data is a valuable tool of the trade.[citation needed][clarification needed]
La introducción de ecosondas multiespectrales multihaz [21] continúa la trayectoria de innovaciones tecnológicas que brindan a la comunidad de levantamientos hidrográficos mejores herramientas para adquirir más rápidamente mejores datos para múltiples usos. Una ecosonda multiespectral y multihaz es la culminación de muchos avances progresivos en hidrografía desde los primeros días de los sondeos acústicos, cuando la principal preocupación sobre la fuerza de los ecos que regresaban del fondo era si serían o no lo suficientemente grandes como para ser notados (detectados). . Las frecuencias de funcionamiento de las primeras sirenas acústicas se basaban principalmente en la capacidad de los materiales magnetoestrictivos y piezoeléctricos cuyas dimensiones físicas podían modificarse mediante corriente o voltaje eléctrico. Con el tiempo se hizo evidente que, si bien la frecuencia de funcionamiento de las primeras sondas acústicas de haz vertical único tenía poca o ninguna relación con las profundidades medidas cuando el fondo era duro (compuesto principalmente de arena, guijarros, guijarros, cantos rodados o rocas), Hubo una notable dependencia de la frecuencia de las profundidades medidas cuando el fondo era blando (compuesto principalmente de limo, lodo o suspensiones floculantes). [22] Se observó que las ecosondas de haz vertical único de mayor frecuencia podían proporcionar amplitudes de eco detectables de sedimentos de alta porosidad, incluso si esos sedimentos parecían ser acústicamente transparentes en frecuencias más bajas.
A finales de la década de 1960, se llevaron a cabo estudios hidrográficos de un solo haz utilizando líneas de seguimiento muy espaciadas y los sondeos poco profundos (picos) en los datos del fondo se retuvieron con preferencia a los sondeos más profundos en el registro de sondeo. Durante ese mismo período, se introdujo el sonar de barrido lateral en las prácticas operativas de los levantamientos hidrográficos en aguas poco profundas. Las frecuencias de los primeros sonares de barrido lateral eran una cuestión de conveniencia del diseño de ingeniería y el aspecto más importante de los ecos de barrido lateral no era el valor de sus amplitudes, sino que las amplitudes eran espacialmente variables. De hecho, se dedujo información importante sobre la forma del fondo y los elementos hechos por el hombre en el fondo, basándose en las regiones donde había ausencias de amplitudes de eco detectables (sombras) [23] En 1979, con la esperanza de una solución tecnológica a los problemas de sondeo en "lodo flotante", el Director del National Ocean Survey (NOS) estableció un equipo de estudio de NOS para realizar investigaciones para determinar las especificaciones funcionales de una sonda de reemplazo para aguas poco profundas. [24] El resultado del estudio fue una clase de sondas de profundidad de haz vertical, que todavía se utiliza ampliamente. Simultáneamente hizo ping en dos frecuencias acústicas, separadas por más de 2 octavas, realizando mediciones de profundidad y amplitud de eco que eran simultáneas, tanto espacial como temporalmente, aunque en un único ángulo rasante vertical. [ se necesita aclaración ]
La primera generación de MBES se dedicó a mapear el fondo marino en aguas profundas. Los MBES pioneros hicieron poco o ningún uso explícito de las amplitudes, ya que su objetivo era obtener mediciones precisas de la batimetría (que representa tanto los picos como las profundidades). Además, sus características técnicas no facilitaban la observación de variaciones espaciales en las amplitudes del eco. [25] Después de los primeros estudios batimétricos MBES y en el momento en que el sonar de barrido lateral de frecuencia única había comenzado a producir imágenes de alta calidad del fondo marino que eran capaces de proporcionar un grado de discriminación entre diferentes tipos de sedimentos, el potencial del eco Se reconocieron las amplitudes de un MBES. [26]
Con la introducción de Marty Klein del sonar de barrido lateral de doble frecuencia (nominalmente 100 kHz y 500 kHz), resultó evidente que la retrodispersión espacial y temporal coincidente de cualquier fondo marino determinado en esas dos frecuencias acústicas ampliamente separadas probablemente proporcionaría dos imágenes separadas y únicas de ese fondo marino. marina. Es cierto que los patrones de insonificación y recepción del haz a lo largo de la trayectoria eran diferentes y, debido a la ausencia de datos batimétricos, se desconocían los ángulos rasantes de retrodispersión precisos. Sin embargo, los conjuntos superpuestos de ángulos de pastoreo transversales de escaneo lateral en las dos frecuencias fueron siempre los mismos. [ se necesita aclaración ]
Tras el encallamiento del Queen Elizabeth 2 frente a Cape Cod , Massachusetts , en 1992, [27] el énfasis en los estudios de aguas poco profundas migró hacia estudios de cobertura total del fondo mediante el empleo de MBES con frecuencias operativas crecientes para mejorar aún más la resolución espacial de los sondeos. Dado que el sonar de barrido lateral, con su franja de insonificación en forma de abanico transversal, había explotado con éxito la variación transversal de las amplitudes del eco para lograr imágenes de alta calidad del fondo marino, parecía una progresión natural que la onda transversal en forma de abanico -El patrón de insonificación asociado con el nuevo MBES monótono de mayor frecuencia para aguas poco profundas también podría aprovecharse para obtener imágenes del fondo marino. Las imágenes adquiridas durante los intentos iniciales de obtención de imágenes del fondo MBES no fueron tan estelares, pero afortunadamente se produjeron mejoras.
El sonar de barrido lateral analiza los retornos continuos del eco de un haz receptor que está perfectamente alineado con el haz de insonificación mediante tiempo después de la transmisión, una técnica que es independiente de la profundidad del agua y del ángulo de apertura transversal del haz del transductor receptor del sonar. El intento inicial de obtener imágenes multihaz empleó múltiples haces de recepción, que solo se superponían parcialmente al haz de insonificación en forma de abanico de MBES, para segmentar los retornos continuos del eco en intervalos que dependían de la profundidad del agua y del ángulo de apertura del haz transversal del receptor. En consecuencia, los intervalos segmentados no fueron uniformes tanto en su duración como en el tiempo después de la transmisión. La retrodispersión de cada ping en cada uno de los segmentos analizados del haz se redujo a un valor único y se asignó a las mismas coordenadas geográficas que las asignadas al sondeo medido de ese haz. En modificaciones posteriores a las imágenes del fondo de MBES, la secuencia de eco en cada uno de los intervalos analizados por el haz se designó como un fragmento. [28] En cada ping, cada fragmento de cada haz se analizó adicionalmente según el tiempo posterior a la transmisión. A cada una de las mediciones de amplitud del eco realizadas dentro de un fragmento de un haz particular se le asignó una posición geográfica basada en la interpolación lineal entre las posiciones asignadas a los sondeos medidos, en ese ping, en los dos haces transversales adyacentes. La modificación del fragmento de las imágenes MBES mejoró significativamente la calidad de las imágenes al aumentar el número de mediciones de amplitud del eco disponibles para representar como un píxel en la imagen y también al tener una distribución espacial más uniforme de los píxeles en la imagen que representaba una imagen real. amplitud del eco medida.
La introducción de ecosondas multiespectrales y multihaz [ se necesita aclaración ] [29] continuó los avances progresivos en hidrografía. En particular, las ecosondas multiespectrales multihaz no sólo proporcionan mediciones de profundidad de "mirada múltiple" de un fondo marino, sino que también proporcionan datos de retrodispersión multiespectrales que coinciden espacial y temporalmente con esas mediciones de profundidad. Una ecosonda multiespectral multihaz calcula directamente una posición de origen para cada una de las amplitudes de retrodispersión en el conjunto de datos de salida. Esas posiciones se basan en las propias mediciones de retrodispersión y no en la interpolación de algún otro conjunto de datos derivados. En consecuencia, las imágenes multiespectrales multihaz son más agudas en comparación con las imágenes multihaz anteriores. La precisión inherente de los datos batimétricos de una ecosonda multiespectral multihaz también es un beneficio para aquellos usuarios que puedan intentar emplear la función de respuesta angular de retrodispersión acústica para discriminar entre diferentes tipos de sedimentos. Las ecosondas multiespectrales y multihaz refuerzan el hecho de que la retrodispersión coincidente espacial y temporalmente, desde cualquier fondo marino, en frecuencias acústicas muy separadas proporciona imágenes separadas y únicas del paisaje marino. [30]
El crowdsourcing también está ingresando a los levantamientos hidrográficos, con proyectos como OpenSeaMap , [31] TeamSurv y ARGUS. Aquí, los barcos voluntarios registran datos de posición, profundidad y tiempo utilizando sus instrumentos de navegación estándar, y luego los datos se procesan posteriormente para tener en cuenta la velocidad del sonido, las mareas y otras correcciones. Con este enfoque, no es necesario un barco de investigación específico ni que haya a bordo topógrafos profesionalmente calificados, ya que la experiencia está en el procesamiento de datos que se produce una vez que los datos se cargan en el servidor después del viaje. Aparte de los obvios ahorros de costos, esto también permite realizar un estudio continuo de un área, pero las desventajas son el tiempo necesario para reclutar observadores y obtener una densidad y calidad de datos suficientemente altas. Aunque a veces tiene una precisión de 0,1 a 0,2 m, este enfoque no puede sustituir un estudio sistemático riguroso, cuando sea necesario. Sin embargo, los resultados suelen ser adecuados para muchos requisitos en los que no se requieren estudios de alta resolución y precisión, son inasequibles o simplemente no se han realizado todavía.
En áreas adecuadas de aguas poco profundas, se puede utilizar lidar (detección y alcance de luz). [32] Los equipos pueden instalarse en embarcaciones inflables, como Zodiacs , embarcaciones pequeñas, vehículos submarinos autónomos (AUV), vehículos submarinos no tripulados (UUV), vehículos operados a distancia (ROV) o barcos grandes, y pueden incluir escáner lateral, y equipos multihaz. [33] Hubo un tiempo en que se utilizaban diferentes métodos y estándares de recopilación de datos para la recopilación de datos hidrográficos para la seguridad marítima y para cartas batimétricas científicas o de ingeniería , pero cada vez más, con la ayuda de técnicas de recopilación mejoradas y procesamiento informático, los datos se recopilan bajo un solo estándar. y extraído para un uso específico.
Una vez recopilados los datos, deben someterse a un posprocesamiento. Durante un estudio hidrográfico típico se recopila una gran cantidad de datos, a menudo varios sondeos por pie cuadrado . Dependiendo del uso final que se pretenda dar a los datos (por ejemplo, cartas de navegación , Modelo Digital del Terreno , cálculo de volumen para dragado , topografía o batimetría ) estos datos deberán diluirse. [ se necesita aclaración ] También debe corregirse por errores (es decir, malos sondeos) y por los efectos de las mareas , el movimiento , el nivel del agua [34] [35] [36] la salinidad y las termoclinas (diferencias de temperatura del agua) como la velocidad de El sonido varía con la temperatura y la salinidad y afecta la precisión. Por lo general, el topógrafo cuenta con equipo adicional de recolección de datos en el sitio para medir y registrar los datos necesarios para corregir los sondeos. El resultado final de los gráficos se puede crear con una combinación de software de gráficos especializado o un paquete de diseño asistido por computadora (CAD), generalmente Autocad . [ cita necesaria ]
Aunque la precisión de las encuestas colaborativas rara vez puede alcanzar los estándares de los métodos tradicionales, los algoritmos utilizados se basan en una alta densidad de datos para producir resultados finales que son más precisos que las mediciones individuales. Una comparación de los estudios colaborativos con los estudios multihaz indica una precisión de aproximadamente más o menos 0,1 a 0,2 metros (alrededor de 4 a 8 pulgadas). [ cita necesaria ]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)La NOAA mantiene una base de datos masiva de resultados de encuestas, gráficos y datos en el sitio de la NOAA.