El estudio hidrográfico es la ciencia de la medición y descripción de las características que afectan a la navegación marítima, la construcción marina, el dragado , los parques eólicos marinos, la exploración y perforación de petróleo en alta mar y las actividades relacionadas. También se pueden realizar estudios para determinar la ruta de los cables submarinos, como cables de telecomunicaciones, cables asociados a parques eólicos y cables de energía HVDC. Se hace especial hincapié en los sondeos, las costas, las mareas, las corrientes, el lecho marino y las 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 a través del estudio hidrográfico para convertirlos en información utilizable por el usuario final .
La hidrografía se recopila de acuerdo con normas que varían según la autoridad que la acepta. Tradicionalmente, los estudios hidrográficos se realizan mediante barcos con una sonda o ecosonda , pero cada vez más se realizan con la ayuda de aeronaves y sofisticados sistemas de sensores electrónicos en aguas poco profundas. [ cita requerida ]
El estudio offshore es una disciplina específica del estudio hidrográfico que se ocupa principalmente de la descripción del estado del lecho marino y del estado de la infraestructura del yacimiento petrolífero submarino que interactúa con él.
Las oficinas hidrográficas son una evolución de la herencia naval y suelen encontrarse dentro de las estructuras navales nacionales, por ejemplo, el Instituto Hidrográfico de la Marina de España . [1] La coordinación de estas organizaciones y la estandarización de productos se llevan a cabo de forma voluntaria con el objetivo de mejorar la hidrografía y la navegación segura por parte 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 el estudio hidrográfico.
El producto de dicha hidrografía se ve con mayor frecuencia en las cartas náuticas publicadas por las agencias nacionales y exigidas por la Organización Marítima Internacional (OMI), [4] el Convenio SOLAS (Safety of Life at Sea) [5] y las reglamentaciones nacionales que deben llevarse a bordo de los buques por motivos de seguridad. Cada vez más, esas cartas se proporcionan y utilizan en formato electrónico de conformidad con las normas de la OHI.
Las entidades gubernamentales de nivel inferior al nacional realizan o contratan estudios hidrográficos de aguas dentro de sus jurisdicciones con activos internos y contractuales. Estos estudios suelen ser realizados por organizaciones nacionales o bajo su supervisión o de acuerdo con las normas que hayan aprobado, en particular cuando se utilizan para la elaboración y distribución de cartas o para el dragado de aguas controladas por el Estado.
En los Estados Unidos, existe coordinación con el National Hydrography Dataset en la recopilación y publicación de datos hidrográficos. [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 , en particular en las industrias de dragado, construcción marina, exploración petrolera y perforación. Las entidades industriales que instalan cables de comunicaciones submarinos [8] o de energía [9] requieren estudios detallados de las rutas de los cables antes de la instalación y, cada vez más, utilizan equipos de imágenes acústicas que antes solo se encontraban en aplicaciones militares cuando realizan sus estudios. [10] Existen empresas especializadas que tienen tanto el equipo como la experiencia para contratar a entidades comerciales y gubernamentales para realizar dichos estudios.
Las empresas, universidades y grupos de inversión suelen financiar estudios hidrográficos de vías fluviales públicas antes de desarrollar áreas adyacentes a ellas. También se contratan empresas de estudios hidrográficos para que realicen estudios 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 que estas operaciones se hayan completado. Las empresas con grandes muelles, diques u otras instalaciones costeras privadas hacen estudios hidrográficos de sus instalaciones y de las aguas abiertas cercanas a ellas, al igual que las islas en áreas sujetas a erosión variable, como en las Maldivas.
La historia de los estudios hidrográficos se remonta casi a la de la navegación a vela . [12] Durante muchos siglos, un estudio hidrográfico requirió el uso de cabos de plomo (cuerdas o cabos con marcas de profundidad unidas a pesos de plomo para hacer que un extremo se hundiera hasta el fondo cuando se bajaba por el costado de un barco o bote) y postes de sondeo, que eran postes con marcas de profundidad que se podían empujar por el costado hasta que tocaban el fondo. En ambos casos, las profundidades medidas tenían que leerse manualmente y registrarse, al igual que la posición de cada medición con respecto a los puntos de referencia cartografiados según lo determinado por correcciones de sextante de tres puntos . El proceso era laborioso y consumía mucho tiempo y, aunque cada medición de profundidad individual podía ser precisa, incluso un estudio minucioso en la práctica podía incluir solo un número limitado de mediciones de sondeo en relación con el área que se estaba estudiando, lo que inevitablemente dejaba brechas en la cobertura entre sondeos. [12]
En 1904, se introdujeron en la hidrografía los estudios con arrastre de alambre, y Nicholas H. Heck, del Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos , desempeñó 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 alambre atado a dos barcos o botes y fijado a una determinada profundidad mediante un sistema de pesas y boyas. Si el alambre encontraba una obstrucción, se tensaba y formaba una "V". La ubicación de la "V" revelaba la posición de rocas sumergidas, naufragios y otras obstrucciones, mientras que la profundidad a la que se fijaba el alambre mostraba la profundidad a la que se encontraba la obstrucción. [12] Este método revolucionó la prospección hidrográfica, ya que permitía un estudio más rápido, menos laborioso y mucho más completo de un área 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 , la prospección con arrastre de cable era el único método para buscar obstrucciones y buques y aeronaves perdidos en grandes áreas. [14] Entre 1906 y 1916, Heck amplió la capacidad de los sistemas de arrastre de cable de 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 mi) de ancho. [15] La técnica de arrastre de cable fue una importante contribución a la prospección hidrográfica durante gran parte del resto del siglo XX. Tan valiosa fue la prospección con arrastre de cable en los Estados Unidos que durante décadas el Servicio Costero y Geodético de Estados Unidos, y más tarde la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, desplegaron un par de barcos gemelos de diseño idéntico específicamente para trabajar juntos en tales prospecciones. El USC&GS Marindin y el USC&GS Ogden realizaron juntos estudios de arrastre de alambre entre 1919 y 1942, el USC&GS Hilgard (ASV 82) y el USC&GS Wainwright (ASV 83) se hicieron cargo entre 1942 y 1967, y el USC&GS Rude (ASV 90) (posteriormente NOAAS Rude (S 590) ) y el USC&GS Heck (ASV 91) (posteriormente 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 (sónares de barrido lateral y sistemas de barrido multihaz) en los años 1950, 1960 y 1970 finalmente hizo que el sistema de arrastre de alambre quedara obsoleto. El sonar de barrido lateral podía crear imágenes de obstrucciones submarinas con la misma fidelidad que la fotografía aérea , mientras que los sistemas multihaz podían generar datos de profundidad para el 100 por ciento del fondo en un área estudiada. Estas tecnologías permitieron que un solo buque hiciera lo que los estudios de arrastre de alambre requerían que hicieran dos buques, y los estudios de arrastre de alambre finalmente llegaron a su fin a principios de los años 1990. [12] [15] Los buques se liberaron de trabajar juntos en los estudios de arrastre de alambre, y en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos (NOAA), por ejemplo, Rude y Heck operaron de forma independiente en sus últimos años. [14] [19]
En la década de 1930, comenzaron a utilizarse ecosondas y sondas acústicas monohaz que utilizaban un sonar para medir la profundidad debajo de un buque. Esto aumentó considerablemente la velocidad de adquisición de datos de sondeo en comparación con la que era posible con líneas de plomo y pértigas de sondeo, al permitir que la información sobre las profundidades debajo de un buque se reuniera en una serie de líneas espaciadas a una distancia específica. Sin embargo, compartía la debilidad de los métodos anteriores al carecer de información de profundidad para las áreas entre las franjas del fondo marino que sondeaba el buque. [12]
Una ecosonda multihaz (MBES) es un tipo de sonar que se utiliza para cartografiar el fondo marino . Emite ondas acústicas en forma de abanico debajo de su transceptor . El tiempo que tardan las ondas sonoras en reflejarse en el fondo marino y regresar al receptor se utiliza para calcular la profundidad del agua. A diferencia de otros sonares y ecosondas , la MBES utiliza la formación de haces para extraer información direccional de las ondas sonoras que regresan, lo que produce una franja de sondeos de profundidad a partir de un solo pulso.
La inclusión explícita de una fraseología como: "Para todos los estudios MBES para LINZ, se debe registrar la intensidad de retrodispersión georreferenciada de alta resolución y presentarla como un resultado del estudio" [20] en un conjunto de requisitos de estudio por contrato, es una clara indicación de que la comunidad hidrográfica en general está adoptando los beneficios que se pueden obtener al emplear la tecnología MBES y, en particular, está aceptando como un hecho que un MBES que proporciona datos de retrodispersión acústica es una herramienta valiosa en el oficio. [ cita requerida ] [ aclaración necesaria ]
La introducción de ecosondas multihaz multiespectrales [21] continúa la trayectoria de innovaciones tecnológicas que proporcionan a la comunidad de estudios hidrográficos mejores herramientas para adquirir más rápidamente mejores datos para múltiples usos. Una ecosonda multihaz multiespectral 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 para ser notados (detectados). Las frecuencias de funcionamiento de las primeras sondas acústicas se basaban principalmente en la capacidad de los materiales magnetoestrictivos y piezoeléctricos cuyas dimensiones físicas podían modificarse por medio de corriente eléctrica o voltaje. Finalmente, 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, cantos rodados, rocas o rocas), había una notable dependencia de la frecuencia de las profundidades medidas cuando el fondo era blando (compuesto principalmente de limo, barro o suspensiones floculantes). [22] Se observó que las ecosondas de haz vertical único de frecuencia más alta podían proporcionar amplitudes de eco detectables a partir de sedimentos de alta porosidad, incluso si esos sedimentos parecían ser acústicamente transparentes a frecuencias más bajas.
A fines de la década de 1960, se llevaron a cabo estudios hidrográficos de haz único utilizando líneas de seguimiento ampliamente espaciadas y se conservaron los sondeos superficiales (pico) en los datos del fondo en lugar de los sondeos más profundos en el registro de sondeo. Durante ese mismo período de tiempo, se introdujeron los primeros sonares de barrido lateral en las prácticas operativas de los estudios hidrográficos en aguas poco profundas. Las frecuencias de los primeros sonares de barrido lateral eran una cuestión de conveniencia de diseño de ingeniería y el aspecto más importante de los ecos de barrido lateral no era el valor de sus amplitudes, sino más bien que las amplitudes eran espacialmente variables. De hecho, se dedujo información importante sobre la forma del fondo y los elementos artificiales en el fondo, en función de 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 los estudios en "lodo flotante", el Director del National Ocean Survey (NOS) estableció un equipo de estudio NOS para realizar investigaciones para determinar las especificaciones funcionales para un sonar de profundidad de aguas poco profundas de reemplazo. [24] El resultado del estudio fue una clase de sondas de profundidad de haz vertical, que todavía se utilizan ampliamente. Emitían simultáneamente señales acústicas en dos frecuencias separadas por más de dos octavas, lo que permitía realizar mediciones de profundidad y amplitud de eco simultáneas, tanto espacial como temporalmente, aunque en un único ángulo vertical rasante. [ Aclaración necesaria ]
La primera generación de MBES se dedicó a cartografiar el fondo marino en aguas profundas. Los pioneros de MBES hicieron poco o ningún uso explícito de las amplitudes, ya que su objetivo era obtener mediciones precisas de la batimetría (que representara tanto los picos como las profundidades). Además, sus características técnicas no facilitaban la observación de variaciones espaciales en las amplitudes de los ecos. [25] Después de los primeros estudios batimétricos de 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, se reconoció el potencial de las amplitudes de los ecos de un MBES. [26]
Con la introducción por parte de Marty Klein del sonar de barrido lateral de frecuencia dual (nominalmente 100 kHz y 500 kHz), se hizo evidente que la retrodispersión coincidente espacial y temporalmente de un fondo marino determinado en esas dos frecuencias acústicas ampliamente separadas, probablemente proporcionaría dos imágenes separadas y únicas de ese paisaje marino. Es cierto que la insonificación a lo largo de la trayectoria y los patrones del haz de recepción eran diferentes y, debido a la ausencia de datos batimétricos, se desconocían los ángulos de roce precisos de la retrodispersión. Sin embargo, los conjuntos superpuestos de ángulos de roce de barrido lateral a lo largo de la trayectoria en las dos frecuencias siempre eran los mismos. [ aclaración necesaria ]
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 a la trayectoria, había explotado con éxito la variación transversal a la trayectoria en las amplitudes de los ecos, para lograr imágenes de alta calidad del fondo marino, parecía una progresión natural que el patrón de insonificación en forma de abanico transversal a la trayectoria asociado con el nuevo MBES monótono de aguas poco profundas de mayor frecuencia, también pudiera explotarse para imágenes del fondo marino. Las imágenes adquiridas durante los intentos iniciales de obtención de imágenes del fondo con MBES fueron menos que estelares, pero afortunadamente se produjeron mejoras.
El sonar de barrido lateral analiza los ecos continuos devueltos por un haz de recepción que está perfectamente alineado con el haz de insonificación utilizando el tiempo después de la transmisión, una técnica que es independiente de la profundidad del agua y del ángulo de apertura del haz transversal del transductor de recepción del sonar. El intento inicial de imágenes multihaz empleó múltiples haces de recepción, que solo se superponían parcialmente al haz de insonificación en forma de abanico del MBES, para segmentar los ecos continuos devueltos 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 eran uniformes tanto en su duración como en el tiempo después de la transmisión. La retrodispersión de cada pulso en cada uno de los segmentos analizados por el haz se redujo a un solo valor y se asignó a las mismas coordenadas geográficas que las asignadas al sondeo medido de ese haz. En modificaciones posteriores a las imágenes de fondo del MBES, la secuencia de ecos 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 transcurrido después de la transmisión. A cada una de las mediciones de amplitud de eco realizadas dentro de un fragmento de un haz en 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 adyacentes de trayectoria cruzada. La modificación del fragmento a las imágenes MBES mejoró significativamente la calidad de las imágenes al aumentar la cantidad de mediciones de amplitud de eco disponibles para ser representadas como un píxel en la imagen y también al tener una distribución espacial más uniforme de los píxeles en la imagen que representaba una amplitud de eco medida real.
La introducción de ecosondas multihaz multiespectrales [ aclaración necesaria ] [29] continuó con los avances progresivos en hidrografía. En particular, las ecosondas multihaz multiespectrales no sólo proporcionan mediciones de profundidad de "múltiples vistas" de un fondo marino, sino que también proporcionan datos de retrodispersión multiespectral que coinciden espacial y temporalmente con esas mediciones de profundidad. Una ecosonda multihaz multiespectral 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 multihaz multiespectrales son más precisas en comparación con las imágenes multihaz anteriores. La precisión inherente de los datos batimétricos de una ecosonda multihaz multiespectral también es un beneficio para aquellos usuarios que puedan estar intentando emplear la función de respuesta angular de retrodispersión acústica para discriminar entre diferentes tipos de sedimentos. Las ecosondas multihaz multiespectrales refuerzan el hecho de que la retrodispersión coincidente espacial y temporalmente, desde un fondo marino determinado, en frecuencias acústicas ampliamente separadas proporciona imágenes separadas y únicas del paisaje marino. [30]
El crowdsourcing también está entrando en la prospección hidrográfica, con proyectos como OpenSeaMap , [31] TeamSurv Archivado el 29 de diciembre de 2020 en Wayback Machine y ARGUS. Aquí, los barcos voluntarios registran datos de posición, profundidad y tiempo utilizando sus instrumentos de navegación estándar, y luego los datos se posprocesan para tener en cuenta la velocidad del sonido, las mareas y otras correcciones. Con este enfoque, no es necesario un barco de prospección específico ni topógrafos profesionalmente calificados a bordo, ya que la experiencia está en el procesamiento de datos que ocurre una vez que los datos se cargan en el servidor después del viaje. Aparte de los obvios ahorros de costos, esto también proporciona un estudio continuo de un área, pero los inconvenientes son el tiempo en reclutar observadores y obtener una densidad y calidad de datos lo suficientemente altas. Aunque a veces tiene una precisión de 0,1 a 0,2 m, este enfoque no puede sustituir a un estudio sistemático riguroso, cuando esto es necesario. Sin embargo, los resultados suelen ser adecuados para muchos requisitos en los que no se requieren estudios de alta resolución y alta precisión, son inasequibles o simplemente aún no se han realizado.
En áreas adecuadas de aguas poco profundas se puede utilizar lidar (detección y alcance de luz). [32] El equipo se puede instalar en embarcaciones inflables, como Zodiacs , pequeñas embarcaciones, vehículos submarinos autónomos (AUV), vehículos submarinos no tripulados (UUV), vehículos operados a distancia (ROV) o grandes barcos, y puede incluir equipos de escaneo lateral, de haz único y de haz múltiple. [33] Hubo un tiempo en que se utilizaban diferentes métodos y estándares de recopilación de datos para recopilar 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 estándar y se extraen para un uso específico.
Una vez que se han recopilado los datos, estos 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 previsto para los datos (por ejemplo, cartas de navegación , modelo digital del terreno , cálculo de volumen para dragado , topografía o batimetría ), estos datos deben reducirse. [ aclaración necesaria ] También deben corregirse los errores (es decir, los sondeos incorrectos) y los efectos de las mareas , el oleaje , el nivel del agua [34] [35] [36], la salinidad y las termoclinas (diferencias de temperatura del agua), ya que la velocidad del sonido varía con la temperatura y la salinidad y afecta la precisión. Por lo general, el topógrafo tiene equipo adicional de recopilación 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 cartografía especializado o un paquete de diseño asistido por computadora (CAD), generalmente Autocad . [ cita requerida ]
Aunque la precisión de las encuestas de colaboración colectiva rara vez alcanza 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 las encuestas de colaboración colectiva con las encuestas multihaz indica una precisión de las encuestas de colaboración colectiva de alrededor de más o menos 0,1 a 0,2 metros (aproximadamente de 4 a 8 pulgadas). [ cita requerida ]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)La NOAA mantiene una enorme base de datos de resultados de encuestas, gráficos y datos en el sitio de la NOAA.