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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE TOPOGRAFÍA Y VIAS DE TRANSPORTE SECCIÓN I
TOPOGRAFIA II BATIMETRÍA 28/11/2011 1
ÍNDICE
INTRODUCCION .................................................................................................................................. 2
OBJETIVOS: ......................................................................................................................................... 3
BATIMETRÍA............................................................................................................................................ 4
DEFINICIÓN: ....................................................................................................................................... 4
Batimetría mediante Sonar Lateral .................................................................................................... 5
BATIMETRÍAS MEDIANTE SISTEMA MONOHAZ Y MULTIHAZ DE SONDEO POR ECO ................... 10
BATIMETRIA MEDIANTE SENSORES REMOTOS ................................................................................ 27
INSTRUMENTOS USADOS EN LA BATIMETRÍA: ................................................................................ 31
CONCLUSIONES: ............................................................................................................................... 50
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INTRODUCCION
La batimetría representa la morfología o relieve del fondo marino, es el equivalente
submarino de la altimetría.
En topografía se entiende por batimetría como el levantamiento del relieve de
superficies subacuáticas, tanto los levantamientos del fondo del mar, como el fondo de
cursos de agua, de embalses, etc. Estos trabajos denominados también topografía
hidrográfica cartografía náutica, etc. La labor del topógrafo consiste en realizar el
levantamiento de los fondos, como si de un terreno seco se tratase. En general la
batimetría representa la morfología o relieve del fondo marino, es el equivalente
submarino de la altimetría.
El principal objetivo de la cartografía marina, es la obtención de cartas de
navegación, que es describir las características de la superficie subacuática para hacer
posible la navegación por terrenos invisibles.
Al igual que en levantamientos convencionales, en las batimetrías la finalidad será la
obtención de las coordenadas (X, Y, Z) de todos estos puntos. La parte más compleja y que
caracteriza a los diversos métodos de levantamientos batimétricos es la profundidad de un
punto se obtendrá midiendo la distancia vertical entre el nivel del agua y la superficie del
fondo. Se debe tener en cuenta una serie de correcciones como la corrección por marea.
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OBJETIVOS:
El conocimiento del relieve submarino es sin duda de gran utilidad para proyectos
importantes. Como lo son los levantamientos del fondo del mar, del fondo de cursos de
agua, de embalses y otros.
El principal objetivo de la investigación del relieve submarino es la obtención de las cartas
batimétricas, el cual describe las características del relieve submarino. Esto es útil para la
ejecución la navegación así como también guiar como se debe desempeñar determinado
proyecto que implique el trabajo en el fondo marino.
El conocimiento del relieve submarino es sin duda de gran utilidad para proyectos
importantes. Como lo son los levantamientos del fondo del mar, del fondo de cursos de
agua, de embalses y otros.
El presente estudio nos ayuda a determinar la mejor ubicación, para cierta infraestructura
como por ejemplo las portuarias.
Es un apoyo necesario para las obras realizadas en terrenos sumergidos.
Como la construcción de diques, muelles, dragados, estudio en la capacidad de embalses,
etc.
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BATIMETRÍA
DEFINICIÓN: La batimetría en la ciencia que estudia las profundidades submarinas, para poder
determinar la topografía del fondo del mar.
Las primeras técnicas usaban segmentos de longitud conocida de cable o cuerda pesada,
descolgadas por el lateral de un barco. La mayor limitación de esta técnica es que mide la
profundidad en un solo punto cada vez, por lo que es muy ineficiente. También es muy imprecisa, ya
que está sujeta a los movimientos del barco, las mareas, y las corrientes que puedan afectar al
cable.
Actualmente las mediciones son realizadas por un GPS diferencial para una posición exacta de un
buque, y se emplean mediciones exactas de la velocidad del sonido en el agua para calcular la
refracción de las ondas de sonido al atravesar capas de agua con distinta temperatura,
conductividad y presión; todo ello se va a un ordenador a bordo que procesa los datos, corrigiendo
cada uno de los factores, así como el ángulo de cada rayo individual.
Además para obtener la verdadera cota del punto levantado, se tomaran en cuenta los factores que
alteran, tales como lo son las mareas que son variaciones periódicos en la altura del nivel del mar,
debida a la atracción entre la luna y la tierra.
Para el conocimiento de la marea es imprescindible tomara en cuenta los siguientes factores:
- Nivel medio del mar: que se refiere a las cotas de la superficie.
- Nivel de bajamar escorada: altura de las mareas mientras dura la operación de sonda
Al final, de este conjunto de datos se consigue confeccionar la carta batimétrica.
Una carta batimétrica normalmente muestra el relieve del fondo o terreno con isobaticas, y puede
también dar información adicional de navegación en superficie.
Las cartas batimétricas han de incluir la forma y el contorno de las costas visibles desde el mar, la
situación de los puntos notables de la costa y el relieve submarino destacando las zonas
accidentadas y peligrosas para la navegación, e identificando las corrientes predominantes, la
naturaleza geológica de los fondos, la declinación magnética y su variación anual.
Ahora podemos conocer ciertos métodos batimétricos que se usan:
Métodos topográficos en batimetría:
1. Método de posicionamiento planimétrico
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2. Método de posicionamiento altimétrico
3. Método de posicionamiento en 3D
4. Batimetría fotogramétrica
5. Batimetría por procedimiento fotográfico
6. Batimetría mediante sonar lateral
7. Batimetría mediante laser
8. Batimetría mediante satélite
Batimetría mediante Sonar Lateral
Un método usado para la obtención de batimetrías es el sonar lateral, análogo al radar lateral. Los
sistemas de radar lateral de apertura sintética eran considerados por el ejército de los Estados
Unidos como materia reservada hasta el año 1970. Los sistemas de sonar se adaptan a las normas
de geometría de los radares laterales, por lo que actualmente tienen una gran aplicación en la
investigación técnico-cartográfica del fondo del mar.
El sonar lateral consiste en un emisor receptor de ondas acústicas que va instalado en un objeto
(fish) unido a la embarcación mediante un cable de acero, que, además de sujetarlo, permite la
transmisión de la información al barco. Las ondas reflejadas proporcionan una imagen en dos
dimensiones parecidas a la obtenida por el SAR, o a fotografías cuando el sol está bajo y detrás de la
cámara. Se puede hacer con varios barcos moviéndose en paralelo y así conseguir una carta
completa y continua. Su funcionamiento básico es como sigue:
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1. El emisor lanza un impulso de microondas, que dibujado en sección por un plano
perpendicular al eje de la dirección de trayectoria, sería un arco de circunferencia con
centro en foco emisor, que avanzaría hacia el fondo a la velocidad de la luz en forma de
abanico. Aunque pueda parecer plano, no debemos olvidar que en realidad es un haz cónico
cuya base es esférica, ya que es un frente de onda esférico.
2. La onda alcanza un punto del fondo (P) que refleja parte del impulso emitido en la misma
dirección, pero en sentido contrario, es decir, lo devuelve de nuevo hacia la fuente emisora.
3. El frente de onda alcanza un punto T, mientras que la onda que fue reflejada por el fondo es
P’ y continua avanzando hacia la antena. El punto T, a su vez, dará una señal de retorno T’.
El equipo dispone de un conmutador transmisor y receptor que permite recibir la señal
reflejada en el terreno. Si la señal es positiva, es decir, devuelta por el objeto y recogida,
pasa al receptor. El receptor está conectado a un tubo de rayos catódicos en el que un haz
de electrones barriendo la pantalla produce un punto luminoso S de mayor o menor
luminosidad, según la intensidad de la señal recibida con la velocidad del medio de
transporte.
4. La señal reflejada por el punto del fondo (P) es captada por el receptor y la hace visible en la
pantalla, apareciendo en ella el punto P. También el punto T, que ha devuelto la señal,
aparecerá luminoso en la pantalla, por lo que se ve la imagen de dos puntos del terreno, P y
T. Como el medio de transporte sigue avanzando, iremos obteniendo la imagen de varios
puntos del terreno en el tubo de rayos catódicos, es decir se está obteniendo una imagen
de una franja de terreno. Esta secuencia sucede en muy poco tiempo y la onda emplea tan
solo una fracción de segundo en hacer su recorrido, por lo que la superficie de emisión y
recepción se puede considerar como un plano, ya que depende de la velocidad del medio
de transporte, de la distancia del foco al objeto y de la velocidad de propagación de la onda
en el medio.
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Las principales formas de almacenamiento de imágenes son en película fotográfica y en cinta
magnética.
- Película fotográfica. Distinguiendo: a) Imagen bidimensional: en la práctica lo que se hace es
colocar un rollo de película paralelo al tubo de rayos sobre el cual el punto sólo recorrerá una y otra
vez la misma línea, y se hace pasar el carrete fotográfico a una velocidad proporcional a la velocidad
del medio de transporte. La película se impresionará con las distintas intensidades del punto
luminoso, con lo que obtendremos una secuencia continua del terreno. Estas imágenes pueden
obtenerse sobre la película de color con luz monocromática, o simplemente con película en blanco y
negro; b) Imagen tridimensional: si la señal de retorno la comparamos con otra señal de referencia
de impulsos constantes en el receptor, y la imagen resultante la recogemos sobre una película de
grano muy fino obtendremos lo que se denomina un Holograma Sonar. La imagen obtenida
presenta un aspecto grisáceo, más o menos uniforme, que desde luego no produce a simple vista la
impresión de ver el terreno como se suele ver en una fotografía. Aumentando la imagen se podrá
ver una serie de líneas paralelas llenas de puntos negros y de espacios en blanco irregularmente
distribuidos, que no son más que el resultado de las interferencias producidas por las ondas de
referencia sobre las de retorno del Sonar. Esta imagen sirve para obtener una imagen tridimensional
del terreno observado.
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- Cinta magnética. La señal recogida y procesada por el receptor puede almacenarse en una cinta
magnética después de haber sido codificada. El proceso no es excesivamente complicado ni
requiere unos aparatos complejos. Además da la posibilidad de obtener la imagen sobre un tubo de
rayos catódicos.
Las imágenes en general, tienen una buena nitidez y dan una sensación de relieve espectacular,
como consecuencia de las sombras. Los objetos que tienen una elevación en el terreno con una
cierta diferencia respecto a los que se encuentran en su entorno aparecen muy definidos. Las
imágenes en blanco y negro tienen, en líneas generales, un aspecto más oscuro que las obtenidas
con emulsión de color. Abundan los grises (reflectores difusos) y la imagen es quizá menos luminosa
que una fotografía clásica. Destacan mucho los buenos reflectores sobre este fondo apagado.
Sin lugar a dudas, la imagen en color es mucho más luminosa. Las sombras destacan aún más sobre
el fondo de color, con lo que se tiene una mejor visión de las elevaciones. Estas imágenes en color
se obtienen utilizando luz monocromática, resultando así imágenes en rojo o verde, pero en las que
a veces aparece otro color como resultado de respuestas muy intensas. El sonar lateral ofrece la
posibilidad de inspeccionar el lecho marino entre perfiles. Pese a las múltiples características
favorables de este sistema, su empleo en batimetrías ha estado limitado por su incapacidad para
incorporar información cuantitativa de las profundidades.
El sonógrafo de barrido lateral calcula el nivel del eco como una función del rango del ángulo de
arrastre del equipo remolcado, dando por tanto, una imagen distorsionada del fondo marino. Esto
hace que la interpretación del gráfico del sonar sea costosa en tiempo y dinero.
El sónar de barrido lateral ofrece unos resultados útiles en áreas de lechos marinos compuestos por
materiales homogéneos, en tanto que en las zonas de materiales heterogéneos es de escasa
utilidad. Se trata, por tanto, de técnicas de trabajo complementarias en la ejecución de batimetrías.
En zonas con batimetría abrupta los gráficos de sónar ofrecen unas imágenes muy distorsionadas
del fondo marino. En tales áreas es muy difícil distinguir entre los efectos ocasionados por el barrido
lateral y los ocasionados por los materiales.
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Batimetría mediante "WRELADS"
En Australia se ha usado para la ejecución de batimetrías el WRELADS (Weapon Research
Establishment Láser Depth Sounding). Es un sonar que funciona por medio de láser. Debido a sus
características especiales permite obtener una mayor profundidad y exactitud. Mide profundidades
de entre 2 y 30 metros con un error máximo de 1 metro. Su resolución es de 10 metros y se puede
llevar a bordo de un avión a 70 m/sg.
El láser emite en el espectro infrarrojo 1.064 nm, aunque también emite en verde. La radiación
infrarroja se decodifica mientras la verde aún está en el fondo marino. El infrarrojo se emite vertical
mientras que el verde se emite con un ángulo de 15 grados respecto a la vertical. Permitiendo así
conocer la profundidad al comparar ambas ondas. De noche se llega a alcanzar los 60 metros de
profundidad.
Usando el WRELADS desde avión, se determinan 268 x 70 metros cuadrados, mientras que con un
barco el mismo tiempo de trabajo sólo se consiguen 5 metros cuadrados. Esto explica el interés en
el uso de sensores remotos para determinar con rapidez un conjunto de mapas para la navegación
comercial.
Existe una versión que se ha usado en Canadá que utiliza al mismo tiempo láser e imágenes en color
de fotografía aérea. Los dos sistemas se consideran complementarios. Con las imágenes en color se
determinan los puntos de poca profundidad, con el láser las aguas profundas. De esta forma se
consigue un mapa del fondo del mar completo y con errores inferiores a 1 m.
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BATIMETRÍAS MEDIANTE SISTEMA MONOHAZ Y MULTIHAZ DE SONDEO POR ECO
Sonda batimétrica Multihaz:
Esta sonda multihaz está diseñada para producir
mapas batimétricos digitales en zonas de estudio
muy amplias y hasta profundidades de 200 m. La
cobertura en cada pasada puede abarcar hasta
300 m de ancho. Los transductores emiten en
frecuencia de 250 Khz y a ritmo de 10 impulsos
por segundo, lo que genera una velocidad de
captura de puntos de sondeo de
aproximadamente 3.000 por segundo. La
resolución transversal es de 4,5 cm, excediendo
con mucho las especificaciones de los “Standards
for Hidrographic Surveys”(1998) marcadas por la
IHO (Organización Hidrografica Internacional).
El equipo multihaz permite garantizar el 100% de cobertura en el área
de sondeo, hasta 200 puntos de sonda por metro cuadrado. El formato
de entrega es múltiple, desde ASCII, TXT, XYZ, curvados bajo surfer,
terramoder, 3D , Microstation, Autocad. Según demanda.
El equipo consta de una estación de trabajo con un procesador
Pentium III. Los programas instalados permiten: el calibrado del
equipo, la adquisición de datos en tiempo real y generación de
mosaico parcial en tiempo real; corrección de datos y el posprocesado
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de los mismos generando el modelo digital batimétrico 3D y el curvado clásico de isobatas. Este
equipo está conectado a un sensor-corrector de movimiento, un girocompás y a un GPS Diferencial,
en línea con el procesador central que corrige en tiempo real la señal procedente de los dos
transductores cerámicos.
3D extraído del sonar y superposición del mapa sobre ortofoto
Características de la sonda batimétrica multihaz Geoswath 250:
Frecuencia de sonar : 250 Khz
Profundidad máxima: 100 mts
Ancho de barrido máx.: 300 mts
Resolución horizontal: 1,5 cm.
Frecuencia de barrido: 10 impulsos/seg.
Otras características:
Corrección dinámica por compensador de oleaje, girocompás, sonda de velocidad
del sonido y GPSD
Adquisición en tiempo real de batimetrías y sónar de barrido lateral
Generación de mapas digitales en 3D del terreno
Una herramienta integral para la adquisición de datos y posterior procesado en el
estudio y cartografiado batimétrico.
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Herramientas de gestión de los datos:
El programa de análisis de datos permite visualizar la totalidad
de la información con un claro componente geográfico. Ello será
desde los datos en tablas “x,y,z” a las múltiples
representaciones. También es posible el cálculo de volúmenes,
superficies, la generación de perfiles, etc.
GPS diferencial con función girocompás:
El GPS diferencial con girocompás permite
tomar la posición del barco con una
precisión centimétrica.
Sensor de movimiento:
En los trabajos de levantamientos
batimétricos no tiene sentido el uso de un
GPS y una sonda de precisión centimétrica
si después no se cuenta con un buen compensador de oleaje que elimine los errores de altura de ola
(error vertical) o los de la posición debido a los movimientos laterales del barco (cabeceo y
balanceo). En este pequeño
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El ecosonda permite un muestreo, altamente densificado, de la topografía a lo largo de los
perfiles del levantamiento, pero no da ninguna información del lecho marino entre dichos
perfiles.
Para una cartografía de detalle se precisa una densificación de perfiles, de hasta uno
cada 25 metros, lo que supone un alto costo económico y de tiempo. La producción de
mapas a partir de estos datos precisa de personal especializado y de técnicas avanzadas de
interpolación.
El sonar de barrido lateral ofrece la posibilidad de inspeccionar el lecho marino entre
perfiles. Pese las múltiples características favorables del sonar de barrido lateral, el empleo
de esta técnica, en cartografía batimétrica, ha estado limitado por su incapacidad para
adoptar información cuantitativa de las profundidades, Como se ha comentado
anteriormente.
Las demandas de una cartografía de fondos marinos más fiable y precisa van en aumento.
Esto precisa una mayor densificación de perfiles de sondeo que la obtenida con las sondas
de eco convencionales. Habrá que emplear sistemas de cobertura de barrido con franjas
más anchas, a fin de mantener los costos de los levantamientos dentro de unos límites
razonables y también para conseguir el nivel requerido de detalle y de fiabilidad en los
mapas finales.
La tecnología actual hace posible disponer de sistemas de franja ancha con unas
dimensiones aceptables y dentro de unos límites razonables de costes. La Sonda de Eco
Multihaz puede reemplazar, en gran medida, a las sondas de eco de haz único y a las
técnicas de sonar de barrido lateral. Podrá disponer de una precisión comparable a la de la
sonda de eco de haz único, y no existirá la necesidad de realizar una inspección visual entre
perfiles de sondeo. El empleo de sistemas de franja ancha puede reducir los costos de los
levantamientos. El ahorro en tiempo del levantamiento, para una cobertura del 100%, en
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comparación con la sonda de eco de haz único, es proporcional al número de haces y a su
apertura.
Además del ahorro en tiempo de levantamiento, también se reduce el uso razonable
de un sistema de proceso de mapas en tiempo real. Mediante el empleo de estas técnicas
se puede comprobar la calidad de los datos antes de abandonar la zona que se está
levantando. En comparación con los anteriores sistemas de franja ancha, las dimensiones
de los recién desarrollados sistemas de franja ancha son pequeñas. Esto hace posible su
instalación en barcos de cierto porte, lo que significa que el usuario puede incorporar estos
sistemas a los buques de levantamiento ya existentes.
BATIMETRÍA MEDIANTE SATÉLITES DE TELEDETECCIÓN
El uso de satélites en batimetría consiste en el empleo de satélites para realizar
mediciones batimétricas en aguas profundas. Se realiza mediante el estudio y medición del
geoide.
La medida se lleva a cabo mediante satélites capaces de medir su altura sobre la
superficie del mar, mediante la emisión de microondas que son devueltas con un
incremento en la longitud de onda proporcional a la altura. Así puede conocerse el nivel del
mar con un margen de error de unos 3 cm. La huella del haz de radar cubre varios
kilómetros de largo, de tal manera que se compensan las irregularidades provocadas por
vientos y corrientes.
Esta técnica de teledetección requiere conocer de forma exacta y permanente la
posición del satélite, lo cual se consigue por medio de láser y rastreo basado en el efecto
Doppler.
Los mapas obtenidos son filtrados para suprimir anomalías asociadas a variaciones
de densidad. De esta manera aumenta la resolución de la topografía, aunque ésta queda
siempre limitada por el gran tamaño efectivo de la huella del radar.
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EL ALTÍMETRO DEL SATÉLITE GEOSAT (operativo 8 meses entre 1985 y 1986)
Ha sido, probablemente, el más importante para la observación marina. La
desclasificación de los datos de ese satélite se produjo en 1995. A partir de ese año, el
grupo de Geodesia por satélite de la Universidad de California dirigido por David Sandwell,
se embarcó en un proyecto cuyo objetivo era la generación de batimetría detallada en todo
el globo.
Recopilando información antigua de sondas de barco junto con la información de los
satélites altimétricos GEOSAT y ERS-1 (Satélite de la Agencia Espacial Europea, lanzado en
Abril de 1994 y operativo hasta Marzo de 1995) es posible obtener vía Internet la
información batimétrica de cualquier lugar del mundo de forma gratuita y sobre una malla
aproximada de tres por 3 kilómetros, el resultado es un fichero ASCII latitud, longitud,
profundidad en el sistema de referencia GRS80. Cabe decir que la distancia media de los
perfiles obtenidos por el GEOSAT es de aproximadamente 4 kilómetros y la del ERS-1 de
aproximadamente 18 kilómetros en su fase geodésica.
GENERACIÓN DE LA BASE DE DATOS BATIMÉTRICA
Una vez se dispone de toda la información batimétrica digitalizada se debe
homogeneizar para obtener una base de datos única y común.
En nuestro caso la base de datos final es un fichero con las coordenadas X, Y,
profundidad y precisión en la medida de la profundidad.
Las coordenadas X,Y son coordenadas UTM en el sistema de referencia WGS84
(igual al GRS80 a nivel práctico) sobre el huso 31 extendido. La elección de este sistema de
referencia se centra en que la mayoría de la información se encuentra en el mismo,
únicamente 4 cartas náuticas están situadas en el sistema ED50, por lo que se han
transformado al WGS84.
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En base a los errores esperados en la medición de la profundidad, tal como se veía
en el apartado anterior, se ha asignado un error de 2 metros en los puntos de las cartas
náuticas, de 10 metros en los puntos del mapa de la ZEEE, de 20 metros en los puntos de la
base de datos de la Universidad de California medidos y de 100 metros a los deducidos a
partir de la altimetría por satélite, estas precisiones quedan confirmadas en la validación de
los datos, en el apartado siguiente.
EL ALTÍMETRO DEL SATÉLITE LANDSAT
El sensor MSS del satélite Landsat se ha utilizado para la realización de batimetrías
en mares poco profundos.
Detecta la luz reflejada por la superficie del mar y el fondo marino. Se puede calcular
así la profundidad con pixeles de 80 metros de lado. Se ha utilizado para dos cosas, la
primera la Idealización de escollos, y la segunda la preparación de nuevos mapas de
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profundidades. Cada imagen tiene 75.105 pixeles y cubre un área de 18.520 Kilómetros
cuadrados.
Obtener una imagen cuesta 25 segundos. Cada 18 días vuelve a pasar por el mismo
terreno, habiendo cubierto toda la tierra en esos días. Las bandas verdes y rojas, MSS 6 y 7
se usan para la delineación de los límites costeros.
Los métodos para conseguir la batimetría son más complicados que los que se usan
para conocer la altimetría. La reflectancia del agua y del fondo marino, es menor que la de
la tierra, lo que hace que se requieran datos de más bandas, que deben ser guardados en
cintas. El primer paso en las modificaciones consiste en introducir pixeles artificiales que
permitan hacer más notoria la diferencia entre distintos objetos.
Una de las grandes ventajas del LANDSAT es que su paso se repite cada 18 días, lo
que permite conocer muy bien el fondo marino, comparando las imágenes de una órbita
con la siguiente al conseguir conocer las variaciones de la penetración de las ondas en el
agua. Las imágenes se comparan pixel a pixel mediante ordenadores y proceso
semiautomático.
Para obtener finalmente la batimetría, se hacen gráficos analizando las
profundidades que da cada sensor. Mediante medias ponderadas se consigue la
profundidad aproximada, para luego pasar a modificar la profundidad mediante ecuaciones
por errores conocidos, obteniendo así la profundidad definitiva de cada punto.
Otro sistema de teledetección utilizado actualmente para batimetría es el satélite
francés SPOT. Lleva un sensor HRV-Alta Resolución Visible con cuatro canales.
Mediante los sensores de este satélite se consigue mejorar mucho la resolución, y el
factor estereoscópico aumenta mucho, lo que permite calcular mejor las profundidades.
Combina varias órbitas, su imagen no es vertical y posee una órbita de 60 Km. Mejora
bastante la resolución espacial respecto al TM de LANDSAT, debido principalmente al
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tamaño menor de su órbita. Este método tiene una precisión inferior a los anteriores, pero
se puede utilizar a una escala mucho mayor y con un coste muy bajo.
Batimetría fotogramétrica
El uso de la fotogrametría ha permitido mejorar la precisión y aumentar la rapidez
en los levantamientos batimétricos. Su uso queda limitado a aguas muy profundas, siendo
esta variable (la profundidad) la principal limitación de este método.
Comparada con la fotogrametría terrestre, la fotogrametría batimétrica exige la
aplicación de correcciones teniendo en cuenta factores tales como las mareas, el índice de
refracción del agua, la presencia de algas, la salinidad, el plancton, la temperatura del agua,
etc. Tiene la ventaja de que permite tener un número mayor de curvas de nivel por lo que
el fondo queda mejor definido.
Los trabajos realizados en la costa sur de Puerto Rico permitieron concluir que el
solapado óptimo de las fotografías es del 65% al 70%. Con este solapado y en zonas
cercanas a la costa, se ha obtenido un error en la determinación de la profundidad menor
del 2%.
Batimetría por procedimientos fotográficos
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Este método es aplicable en aguas poco profundas. Consiste en estudiar las variables
del espectro visible en imágenes obtenidas desde aeroplanos y satélites. Las fotografías se
realizan con películas capaces de producir un alto contraste cromático.
Con un conjunto de varias imágenes del mismo sitio, tomadas en diferentes días,
bajo diversas condiciones, podemos combinar las variables temporales de las imágenes
(que dependen del momento en que se toma la fotografía, tales como nubes,
sedimentos,…) y sacar un promedio, con lo que resaltaremos las características estables del
fondo.
Las imágenes de los sucesivos vuelos de la misma zona se digitalizan y se fisionan
estadísticamente. Finalmente se obtiene una imagen sintética como mezcla de las distintas
bandas y en ella se correlaciona claridad-profundidad.
Las fotografías aéreas también nos dan una idea clara del posible acceso a una costa
que no se conoce, así como: las rutas más convenientes, la existencia de islas, arrecifes;
lugares más convenientes para efectuar desembarcos; caminos, sendas próximas a la costa,
etc.
FOTOS AÉREAS
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a) Método de posicionamiento planimétrico:
El levantamiento topográfico de las costas realizado desde tierra se realiza como cualquier trabajo
topográfico, pero para determinar la posición planimétrico de un punto marino, cuya profundidad
queremos medir es necesario recurrir a diversos métodos especiales.
El problema que se presenta en este tipo de levantamientos es el de guiar correctamente a la
embarcación a través del perfil elegido.
Dentro de el perfil elegido se deberá determinar las coordenadas (X, Y) de los puntos en los que se
mide la profundidad.
A continuación presentaremos diversos métodos para determinar coordenadas (X, Y) de puntos
submarinos, estos han ido evolucionando a través del tiempo.
1) Métodos Directos:
Es uno de los métodos más básicos y se usa con poca precisión. Se fundamenta en la materialización
de una alineación por medio de una cuerda atada a cada extremo de la orilla, teniendo una
distancia conocida. Se coloca el buque en cada marca de la cuerda y se determina la profundidad.
Esta limitada por las dimensiones de trabajos y la precisión requerida.
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2) Métodos Ópticos:
Consiste en medir con el uso del sextante, el ángulo que forma en el punto dos referencias
conocidas y así deducir la posición del buque por intersección inversa (método de resección o
Pothenot).Este método se obtiene una precisión de 3-5m, siendo un sistema poco costoso, pero en
el cual se realiza cálculos matemáticos.
SEXTANTE METODO DE RESECCIÓN
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3) Radiación:
Se realiza con el uso de una estación total situado en un punto de coordenadas conocida, y que se
ha orientado a otro punto de coordenadas también conocidas. La cabeza del perfil se replantea
previamente. El barco va recorriendo el perfil y se van observando los puntos de la embarcación
desde los que a su vez se sondea la profundidad. La observación se realiza con la estación total
tomando ángulos horizontales, cenitales y distancias para poder calcular las coordenadas de dichos
puntos posteriormente.
El prisma se ubica en la embarcación, siendo este el principal problema pues el oleaje provoca
bruscos movimientos en la embarcación lo cual genera perdidas de señal en la estación.
4) Bisección:
En tierra se estacionan dos teodolitos sobre dos puntos de coordenadas conocidas y se orientan los
equipos visando a puntos también conocidos por intersección directa (bisección) se determinara la
posición del punto visado en la embarcación.
Se necesitan dos teodolitos con sus operarios. La toma de datos en cada perfil se realiza desde dos
de bases: una (B1), generalmente coincidente con la propia del perfil y otra (B2) desde la cual se
intercepta la dirección del perfil posicionando el barco. La precisión de este método dependerá de
varios factores como son:
La visibilidad, factor que siempre será un inconveniente importante a tener
en cuenta.
El error angular del aparato.
La sincronización entre los operadores
La geometría de la figura de intersección, que dependerá en gran medida
de la buena elección de las bases.
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5) Metodología GPS:
Los equipos GPS han hecho posible la aplicación de las observaciones a satélites en la determinación
de la posición de puntos en la superficie terrestre o en embarcaciones. Los escasos tiempos de
observaciones que se requieren permiten alcanzar elevadas precisiones, evitando la excesiva
influencia del movimiento de la embarcación.
Para la realización de batimetrías utilizaremos el método diferencial en tiempo real, es decir,
dispondremos de nuestra posición precisa en el instante de medición. Esto es posible gracias a un
radio enlace entre la estación de referencia y el equipo móvil que va instalado en la embarcación.
La precisión que se puede obtener en la posición está condicionada por el tipo de observable que
utilicemos, es decir, código o fase. Esta precisión va a ser la que determine nuestra metodología de
trabajo.
Antes de continuar expondremos las dos tareas que tienen que cumplir un sistema para
levantamiento batimétrico:
Navegación, es decir, el sistema debe de ser capaz de indicarnos que
camino debemos de seguir para no crear zonas de solapes indeseados, o
bien, que nos indique por donde debemos llevar la embarcación por unos
perfiles predeterminados.
Sincronización de los datos recibidos por el instrumento de medidas de
profundidades (en nuestro caso, ecosonda) y por el instrumento que nos
indica planimétricamente, donde se ha producido esta medida de
profundidad (GPS).
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METODO DE POSICIONAMIENTO ALTIMETRICO
La determinación altimétrica consiste en determinar la cota de los puntos mediante la distancia
vertical existente entre la superficie del agua y el punto en el fondo.
Para determinar la cota del punto en el fondo previamente se debe haber ubicado un punto en
tierra con cota conocida llamado origen altimétrico respecto al cual se determina la cota de la
superficie del agua .
A la determinación altimétrica del relieve submarino se le llama sondar; un perfecto conocimiento
del relieve submarino exige un alto numero de puntos sondados sistemáticamente espaciados, las
zonas que queden sin sondar se han de considerar linealmente crecientes entre dos puntos de
profundidad determinada.
Cuando se trabaja sondeo por perfiles se usan generalmente dos sistemas para llevar a cabo el
sondeo:
Por líneas rectas paralelas
Por líneas radiales
Por líneas rectas paralelas.- Suelen presentar direcciones normales a la costa, la utilización de
perfiles paralelos es tiene el inconveniente de ocultar información entre líneas para reducir la
perdida de información se realizan perfiles transversales cada cierta distancia dependiendo la escala
del levantamiento.
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Por líneas radiales.- Se empleara en aquellos lugares donde el perfil de costa cambie drásticamente
de dirección y alrededor de islas de pequeña dimensión o algún punto sobresaliente de la costa.
Este método implica la localización de un teodolito y se toman medidas a intervalos de 5 o 10
grados también se deberá colocar una boya a unos 200 m del teodolito formando asi una especie de
abanico horizontal.
Boya con
plomada
Escarpia de estudio
topografico
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Es de vital importancia que la embarcación no sufra desviaciones con respecto al rumbo de
navegación diseñado si esto sucede se rompe la uniformidad del levantamiento; el control del
rumbo se obtiene de diferentes formas:
Manteniendo el rumbo fijo con una brújula
Señalizando los extremos de un perfil en tierra manteniendo lo mas alineado posible
Materializando la línea con un laser o con un teodolito desde tierra
Mediante el sistema de radiobalizas manteniendo un arco de radio constante de distancias
grandes para q se pueda confundir la cuerda con el arco.
Mediante el sonar, la medida de la profundidad es continua a lo largo de la línea que sigue la
embarcación pudiéndose obtener bien un registro grafico o magnético. Para correlacionar este
registro con las planimetrías se efectúan marcas para indicar el momento en que se realizan las
mediciones horizontales.
Para realizar el sondeo se han usado diferentes equipos como:
Escandallo
Sondas mecánicas
Sondas eléctricas
Sondas acústicas
Sondas ultrasónicas
ESCANDALLO SONDAS ULTRASONICAS
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BATIMETRIA MEDIANTE SENSORES REMOTOS La ejecución de batimetrías mediante sensores remotos es el campo que en mayor medida y más
rápidamente se ha desarrollado recientemente. Se trata de sistemas con aplicaciones en
condiciones puntuales. No obstante, las precisiones que se obtienen por los diferentes métodos no
son, en general, elevadas, por lo que los objetivos marcados en la actualidad en los estudios en
desarrollo apuntan precisamente hacia su mejora.
Batimetrías mediante métodos fotogramétricos.
Después de los métodos tradicionales, es la solución más utilizada. Muchas veces se prescinde de la
utilización de este método, a causa de que sólo se puede utilizar en aguas limpias y hasta ciertas
profundidades. Sin embargo, son métodos de gran utilidad para la elaboración de mapas
batimétricos de zonas poco profundas.
Para la restitución, se requiere que las fotografías
tomadas tengan una cierta verticalidad con
respecto al fondo marino. Con el empleo de
técnicas fotogramétricas de precisión podemos
lograr esta verticalidad, e incluso muchas veces será
suficiente el empleo de modelos estereoscópicos
simples para la determinación del relieve
batimétrico alrededor de las islas. En zonas alejadas
de costa, es preciso solapar las fotografías para
cubrir las zonas que se encuentran
Entre los puntos del fondo que cumplen la
verticalidad requerida.
La principal diferencia entre la fotogrametría
terrestre y la fotogrametría batimétrica estriba en la
trayectoria de los rayos de luz debido al medio que
atraviesan.
En fotogrametría terrestre el rayo tiene una
corrección debido a la atmósfera, denominada
corrección de refracción atmosférica; en
fotogrametría batimétrica el
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rayo atraviesa también el agua, por lo que para la elección de los puntos de una aereotriangulación
debemos de tener en cuenta los efectos de refracción y difracción. Como efectos de menor
importancia se tiene el del oleaje, la salinidad del agua, la presencia de
algas o plancton, la temperatura del agua, etc. El punto sumergido elegido se ve en una posición
aparente. Para que todos los puntos elegidos sean teóricamente correctos para una
aereotriangulación, caso típico en fotogrametría batimétrica, por la dificultad de dar puntos de
apoyo en el agua, tendremos que introducir unas correcciones a fin de obtener la posición real del
punto sumergido.
Métodos Ópticos.
Estos métodos se basan en el estudio de las imágenes obtenidas mediante un sistema óptico. Así
pues, deberán combinarse distintos filtros a fin de obtener varias bandas del espectro, distintos
brillos... En estos métodos será fundamental una buena calibración según su banda o brillo y
resultan de aplicación en trabajos de gran extensión y con buenas condiciones de trabajo en cuanto
se refiere a visibilidad.
Aproximación Multiespectral.
Básicamente el método consiste en determinar el coeficiente de extinción óptica de una columna de
agua mediante la medida del brillo aparente de puntos idénticos en dos fotografías distintas
filtradas de modo especial, una en rojo y otra en verde. La magnitud de los brillos depende de los
sedimentos o partículas suspendidas en el agua, ya que éstos hacen que la luz llegue al fondo
difuminada. Si existen estas partículas, el brillo será distinto al que daría un mismo punto en el caso
de que el agua fuera transparente.
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La profundidad de las aguas se determina comparando los brillos en las dos bandas conocidas de
color de transmisión del agua. Los resultados, con una precisión de alrededor del 10% para
profundidades de unos seis metros, son archivados sobre unos fondos homogéneos de arena de
tipo similar a las playas sobrevoladas y se usan en la calibración de los brillos.
El problema que presenta esta técnica, y, por tanto, la limita, es que sólo se puede utilizar en mares
en calma y en aguas relativamente claras, cielos despejados y para ángulos de incidencia solar de
entre 30 y 55°. En las zonas donde la penetración de la luz no es buena, se pueden conseguir datos
con una técnica de fotografiado multiespectral, con un número de bandas mayor y siendo estas
bandas espectrales más estrechas que las normales. Se suele usar en conjunto con un
espectroradiómetro sumergido en el mismo lugar. De forma simple, el concepto se reduce a
seleccionar la banda más adecuada, es decir, la porción de espectro electromagnético entre el azul y
el amarillo, para lograr así la máxima profundidad de penetración según las condiciones del agua,
determinadas por la medida de la atenuación espectral en el agua.
Fusionado de Imágenes Temporales.
Se trata de otra modalidad dentro de los métodos multiespectrales. Nace de una aproximación
multiespectral denominada fusionado de imágenes temporales estáticas (Statical temporal image
merging).
El método se basa en el estudio de un conjunto de varias imágenes del mismo lugar. Estas deben de
estar tomadas en diferentes días y bajo diversas condiciones. Así se combinan las variables
temporales de las imágenes, es decir, las nubes, partículas suspendidas en el agua, etc,... y de este
modo podemos obtener un promedio de las imágenes, con lo que resaltaremos las
características estables en el fondo, ya que éstas no han variado.
Esta aproximación se puede combinar con el uso de filtros de interferencia de bandas estrechas (de
Ingeniería del Agua. Vol. 2 Num.Extraordinario
(Abril 1995) p. 195 alrededor de 20 nm.) a lo largo del rango posible de longitudes de onda que
penetran en el agua. Las bandas deben elegirse de acuerdo a la transmisión selectiva de las aguas
costeras y turbias, teniendo en cuenta que el uso de las bandas estrechas eliminan la redundancia
espectral permitida por los filtros con anchura de banda mayor. Así pues, incluso sin el
conocimiento previo de las características y profundidad de la columna de agua, se puede elegir
bandas óptimas para la toma de imágenes según el día.
Para obtener el calibrado de la profundidad de cada imagen inicialmente cada armazón obtenido de
la película expuesta sobre el agua muestra una determinada claridad en relación a la profundiad.
Luego se comparan con los patrones de imágenes de batimetría obtenidas previamente por
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sondeos, es decir, mediante métodos tradicionales, por lo que se ve la profundidad de penetración
según la longitud de onda.
Con todas estas consideraciones, una imagen sintética se obtiene como una mezcla de bandas
umbrales selectivas, tomadas simultáneamente para producir una imagen óptima en la fusión de
estas imágenes temporales. Estas imágenes se combinan cuidadosamente y se calibra la
profundidad. Todo este proceso se realiza mediante una digitalización de las imágenes, logrando así,
mediante un programa de ordenador que fusiona estadísticamente, estos datos digitalizados
obtenidos en sucesivos vuelos sobre la misma zona, el contorno del mapa completo, ya que el
programa calcula superficies por técnicas de regresión lineal y después dentro del dicho mapa.
Batimetrías mediante satélite LANDSAT.
El sensor MSS delsatélite Landsat se ha utilizado para la realización de batimetrías en mares poco
profundos.
Detecta la luz reflejada por la superficie del mar y el fondo marino. Se puede calcular así la
profundidad con pixeles de 80 metros de lado. Se ha utilizado para dos cosas, la primera la
Idealización de escollos, y la segunda la preparación de nuevos mapas de profundidades. Cada
imagen tiene 75.105 pixeles y cubre un área de 18.520 Kilómetros cuadrados.
Obtener una imagen cuesta 25 segundos. Cada 18 días vuelve a pasar por el mismo terreno,
habiendo cubierto toda la tierra en esos días. Las bandas verdes y rojas, MSS 6 y 7 se usan para la
delineación de los límites costeros.
Los métodos para conseguir la batimetría son más complicados que los que se usan para conocer la
altimetría. La reflectancia del agua y del fondo marino, es menor que la de la tierra, lo que hace que
se requieran datos de más bandas, que deben ser guardados en cintas.
El primer paso en las modificaciones consiste en introducir pixeles artificiales que permitan hacer
más notoria la diferencia entre distintos objetos.
Una de las grandes ventajas del LANDSAT es que su paso se repite cada 18 días, lo que permite
conocer muy bien el fondo marino, comparando las imágenes de una órbita con la siguiente al
conseguir conocer las variaciones de la penetración de las ondas en el agua.
Las imágenes se comparan pixel a pixel mediante ordenadores y proceso semiautomático.
Para obtener finalmente la batimetría, se hacen gráficos analizando las profundidades que da cada
sensor. Mediante medias ponderadas se consigue la profundidad aproximada, para luego pasar a
modificar la profundidad mediante ecuaciones por errores conocidos, obteniendo así la profundidad
definitiva de cada punto.
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Otro sistema de teledetección utilizado actualmente para batimetría es el satélite francés SPOT.
Lleva un sensor HRV (Alta Resolución Visible) con cuatro canales.
Mediante los sensores de este satélite se consigue mejorar mucho la resolución, y el factor
estereoscópico aumenta mucho, lo que permite calcular mejor las profundidades. Combina varias
órbitas, su imagen no es vertical y posee una órbita de 60 Km. Mejora bastante la resolución
espacial respecto al TM de LANDSAT, debido principalmente al tamaño menor de su órbita. Este
método tiene una precisión inferior a los anteriores, pero se puede utilizar a una escala mucho
mayor y con un coste muy bajo.
INSTRUMENTOS USADOS EN LA BATIMETRÍA:
MUESTRADOR TIPO KAJAK
Consiste en un tubo de muestreo que penetra en el sedimento, una válvula superior
el cual se cierra cuando el muestreador es recuperado y evita de esta manera la pérdida del
material colectado, esta válvula pueden ser operador ya sea por un mensajero enviado
desde superficie o bien por la fuerza de tracción ejercida sobre el muestreador cuando se le
saca del sedimento.
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El tubo muestreador cuenta con un cilindro bisel cortador que facilita la penetración
en el sedimento. También tienen pesos
suplementarios, por lo general ubicados en la parte
superior del equipo para aumentar la profundidad de
penetración que ayudan a la penetración del
muestreador.
El tubo puede estar construido en bronce, acero
inoxidable o aun acrílico.
Algunos modelos de muestreador cuentan con
una segunda válvula tipo cascara de naranja en el
extremo inferior del tubo, la cual permite la entrada de
material pero no su salida y que es particularmente
apropiada para sedimentos arenosos.
DRAGAS
Consisten en un par de cucharas articuladas que al cerrarse (una vez que la daga
haya tomado contacto con el fondo) recogen una parte más o menos superficial del
sedimento y de los organismos bentónicos (marinos)
Las dragas gracias a su facilidad de uso y a las cantidades relativamente grandes de
muestra obtenida, son ideales para el estudio de organismos medianos o grandes y para el
análisis de contaminantes recientes.
VENTAJAS
Se utilizan para estudios de sedimentos superficiales y para obtener organismos
bentónicos
Son muy sencillas y requieren de poco mantenimiento
Permiten el muestreo de cantidades relativamente grandes de sedimento
Partes de un muestrador
tipo kajak
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DESVENTAJAS
No conservan la estructura original de los sedimentos
Los sedimentos finos pueden ser lavados durante el ascenso del equipo
La profundidad de penetración en el sedimento es por lo general baja
Se han construido varios díselos diferentes de dragas, cuya utilidad depende en buena
medida del tipo de fondo a muestrear.
DRAGA TIPO PETERSEN
La draga de Petersen consiste en un par de pesadas cucharas semicilíndricas
provistas cada una de un brazo metálico articulado y acoplado entre sí Por un medio eje.
Unos pesos auxiliares pueden ser agregados a las cucharas de manera de mejorar la
penetración de la draga en los sustratos más duros
Cuando la draga es descendida, las cucharas permanecen abiertas ya sea mediante
una barra de apertura o bien por un gancho que mantiene al instrumento en la posición
“abierta” a través de de cadenas; en ambos casos, estos mecanismos son parte del
dispositivo de disparo o cierre de la draga.
La ubicación de la barra está ubicada entre los brazos de la draga; en el momento de
impacto la draga con el sustrato, los brazos se aflojan y la barra se suelta quedando libres
las cucharas para cerrarse el cierre se produce cuando la draga es izada, este movimiento
tira de los brazos articulados a ambas cucharas y acerca a estas entre sí.
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La draga de Petersen es adecuada para obtención de materiales de fondo duros,
tales como la arena, gravas y arcillas duras.
DRAGA VAN VEEN
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En las dragas tipo Van Veen, a diferencia de las tipo Petersen, la fuerza para el cierre
es proporcionada por la acción tipo pinzas de dos largos brazos, uno paraca cuchara a los
cuales está unido el cable de izado. Este método permite ejercer mayores fuerzas y mejorar
la penetración de la draga en el sedimento
Al igual que las dragas Petersen el peso de la draga puede incrementarse agregando
pesos suplementarios. Los mecanismos de disparo por su parte consisten al igual que las
dragas Petersen, ya sea en una barra de apertura o bien en un gancho de suelta.
Existen diferentes modelos de dragas van Veen y sus principales diferencias están
referidas a los mecanismos implicados en el cierre de los brazos. En uno de los diseños se
usan cadenas separadas para cada brazo, en otro diseño, que proporciona un mayor
palanqueo para el cerrado de la draga, se usa un único cable cerrado en un anillo o lazo que
corre sobre roldanas ubicadas en los extremos de cada brazo.
Las dragas tipo Van Veen son adecuadas para la obtención de materiales de tanto de
fondos duros como blandos, tales como gravas, gránulos, arenas y limo arcillas. Su
profundidad de penetración es mayor que las de dragas tipo Petersen.
Si este u otro modelo de
draga retorna a la superficie
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parcialmente abierta, la muestra debe ser descartada, ya que se debe asumirse que todo o
parte del contenido se ha lavado durante el ascenso.
Operación de una draga Van Veen
ESTACIÓN TOTAL
La Estación Total es un instrumento topográfico de última
generación, que integra en un solo equipo medición electrónica de
distancias y ángulos, comunicaciones internas que permiten la
transferencia de datos a un procesador interno o externo y que es
capaz de realizar múltiples tareas de medición, guardando los de
datos y realizando los cálculos en tiempo real.
Una estación total posee básicamente 3 componentes:
Mecánico: el limbo, los ejes y tornillos, el nivel, la base nivelante.
Óptico: el anteojo y la plomada óptica
Electrónico: el distanciómetro, los lectores de limbos, el software y la memoria
Los componentes óptico y mecánico no difieren de los que llevan los teodolitos y
taquímetros clásicos de uso en topografía.
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La gran ventaja de la Estación Total es la componente electrónica constituido por un
teodolito electrónico unido solidariamente con un distancio metro, estos a su vez llevan en
su interior una libreta electrónica y un microprocesador, el cual le permite registrar los
datos de campo obviando la libreta tradicional, así como compensar y procesar los datos
obtenidos para registrarlos en un archivo de su memoria ;en cuanto a la memoria interna
para almacenar datos de campo, que la hace más versátil y rápida que los instrumentos
clásicos.
COMPONENTES DE LA ESTACIÓN TOTAL
El Componente Mecánico.
Mecánicamente tenemos 3 ejes de movimiento, que generan tres planos al producirse la
rotación en torno a ellos:
: Se encuentra en el anteojo. Pasa por su centro y lo atraviesa longitudinalmente.
Es perpendicular a su vez al eje secundario.
EL COMPONENTE ÓPTICO
El anteojo de la Estación Total está basado en el principio del anteojo astronómico.
Su función es la de poder hacer punterías a objetos o referencias para definir direcciones
con precisión.
Estos son sus principales componentes:
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Objetivo
Lo forman dos o más lentes, con la finalidad de formar una imagen real e invertida
del objeto.
Ocular
Son dos lentes que tienen como función principal la amplificación de las imágenes.
También llevan acoplados unos prismas que invierten de nuevo la imagen para ser vista en
posición normal. Otra función es la de enfocar el retículo.
Retículo
Es una especie de diafragma situado en el tubo ocular donde está grabada la cruz
filar. Esta cruz es la que permite hacer punterías con precisión.
La imagen superior nos muestra la visión que se tiene a través del anteojo cuando hace una
correcta puntería con la cruz filar hacia un prisma.
Montura
Lo forman tres tubos, donde van montados el ocular y el objetivo, y que además
llevan un engranaje que permite alargar o acortar el anteojo para enfocar correctamente.
La plomada
Es un dispositivo que va incorporado en la base nivelante de
la estación, nos permite situar o estacionar el aparato exactamente
sobre el punto que queramos.
La plomada está materializada por un rayo óptico que tiene la
dirección de la línea de la plomada, o vertical, de manera que a
través de un pequeño anteojo podemos ver el punto de estación y
centrar el instrumento.
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Esta línea también puede materializarse mediante un rayo láser (plomada laser), que
tiene la ventaja de permitir el el centrado a simple vista, sin lentes o prismas de por medio,
aunque también sin aumentos.
APLICACIONES:
Permite medir ángulos horizontales y verticales así como distancias inclinadas; su
procesador interno le permite calcular y mostrarnos inmediatamente la proyección
horizontal y vertical de la distancia medida; así como las coordenadas de los puntos
medidos, dependiendo del caso.
Permite medir y calcular la altura de ciertas estructuras así como replantear puntos
en el terreno con gran precisión.
GPS DIFERENCIAL
RESEÑA HISTÓRICA
El sistema de posicionamiento por satélite (Global Position System o GPS) fue creado
en los Estados Unidos en los años 70, inicialmente con fines militares, si bien en seguida se
puso de manifiesto su utilidad para la navegación civil, cartografía y obra civil, o los estudios
científicos entre otras muchas aplicaciones. De este modo, en los 90 su uso era ya
prácticamente generalizado en todo el mundo, y en esta última década ha experimentado
de nuevo un importante avance gracias a la mejora de su resolución (reducción del error)
con el empleo de la configuración GPS diferencial (DGPS)
FUNCIONAMIENTO
El posicionamiento mediante GPS está basado en una constelación de 24 satélites
que orbitan en trayectorias casi invariables alrededor de la Tierra, distribuidos sobre 6
órbitas planas (con 4 satélites en cada órbita), espaciadas entre sí 60 grados, de modo que
desde cualquier punto de la Tierra son visibles en todo momento al menos 5 satélites.
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Sistema GPS compuesto de 24 satélites.
Un receptor GPS, situado por ejemplo en la superficie terrestre, emplea la señal de
estos satélites para localizar su posición. El sistema de referencia respecto al cual se expresa
dicha posición es un elipsoide (forma geométrica perfectamente regular), el cual se ha de
aproximar lo más posible a la forma de la superficie del globo terrestre. A partir de este
primer posicionamiento, la posición de un punto en la Tierra también puede proyectarse
para localizarlo respecto al sistema de referencia local que se desee. Se han definido más de
20 elipsoides de referencia, pero ninguno de ellos se ajusta perfectamente a la forma de la
Tierra en toda su superficie. Si empleamos por ejemplo el ETRS89 (sistema de referencia
europeo), basado en el Datum europeo ED50, el elipsoide se hace tangente a la región
europea de la Tierra con mínimas deformaciones, pero en el resto de zonas las
deformaciones son muy acusadas. Por su parte, el elipsoide WGS84, definido en 1984, se
ajusta muy bien en el área de Estados Unidos y por ello fue empleado como base para
posicionamiento del sistema GPS implantado por Estados Unidos y por defecto para la
mayoría de aplicaciones a escala global.
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Parámetros que definen el elipsoide WGS84 (Dana, 1994).
Para definir la posición de un punto se emplean diferentes sistemas de coordenadas, los
cuales se proyectan sobre el elipsoide elegido. El sistema de coordenadas más utilizado es
el Universal Transversal de Mercator (Universal Transverse Mercator, UTM), que está
basado en la proyección geográfica transversal de Mercator, Tangente a un meridiano.
La exactitud en la posición obtenida mediante un GPS ha mejorado mucho en la
última década, pero aun es del orden de varios metros, debido a que existen diversas
fuentes de error (Dana, 1997, Wanninger, 1995), como son:
a) La disponibilidad selectiva, error del sistema introducido por USA en 1990.
b) Los errores orbitales, provocados por la variación lenta de la posición de los satélites.
Mapa de las zonas de sistema de coordenadas UTM (Dana, 1994).
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c) El retardo ionosférico, provocado por los electrones libres en la atmósfera, que
originan que el código se retrase mientras que la fase se adelante en la misma cantidad
de tiempo.
d) El retardo troposférico, provocado por gases secos y vapor de agua en la atmosfera.
e) El ruido del receptor y error del reloj del satélite, que dependen del equipo receptor
utilizado.
Para reducir los errores en la localización
obtenido con el sistema GPS convencional, se emplea
la configuración o sistema GPS diferencial (DGPS).
Dicha
configuración
se basa en
emplear
simultáneamente dos receptores GPS, próximos entre
si y por tanto, afectados por los mismos errores. El
primero de ellos, o receptor “base”, ha de estar fijo
en un vértice geodésico o punto de coordenadas
perfectamente conocidas, y el segundo, o receptor
“móvil”, es el que se desplaza a lo largo de la
trayectoria del levantamiento o serie de puntos de los
cuales queremos saber su posición. Combinando la información obtenida por ambos
receptores, mediante el método diferencial, obtendremos de forma precisa la posición
relativa entre ellos y finalmente las coordenadas reales de las trayectorias realizadas con el
GPS móvil.
De este modo, el sistema de posicionamiento mediante GPS diferencial permite una
correcta localización en campo, con errores del orden de mm en latitud, longitud, y altura.
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Para realizar los levantamientos topográficos se pueden emplear además dos modos
de trabajo. En el modo cinemático el receptor está continuamente desplazándose a lo largo
de la zona de estudio, registrando su posición cada cierto intervalo de tiempo, según la
frecuencia definida, y que suele ser del orden de 1 o varios datos por segundo. En el modo
stop&go el receptor móvil permanece quieto en cada posición a medir unos segundos, y
una vez tomada la medida se desplaza a un nuevo punto, con lo cual se obtiene una mayor
exactitud en la posición. Para levantamientos topográficos desde Tierra se pueden emplear
ambos métodos, mientras que lógicamente, para posicionamiento desde embarcaciones,
aviones u otras plataformas en movimiento es necesario emplear el modo cinemático.
Por otra parte, la posición de cada punto puede obtenerse en tiempo real,
empleando un RTK-GPS, o bien en modo postproceso, es decir, mediante el tratamiento
posterior con un software específico de los archivos registrados en el receptor móvil y el
receptor base, no habiendo diferencias significativas en la precisión de los datos obtenidos
por ambos métodos.
ECOSONDAS
FUNDAMENTOS DE LA ECOSONDA
El ecosonda se ha convertido en un instrumento
indispensable para la investigación oceánica, ya que no sólo
sirve para obtener datos batimétricos de muy alta resolución,
sino también para registrar simultáneamente el tipo de fondo
(rocas, arenas o fangos) en función de su reflectividad
acústica. El fundamento de una ecosonda consiste en la
emisión y recepción de pulsos acústicos que se reflejan en la
superficie del fondo. En la emisión, el transductor o fuente
acústica convierte las ondas eléctricas en ondas acústicas, que se propagan en la columna
de agua como una onda de presión. Recíprocamente, durante la recepción, las ondas de
presión son convertidas, de nuevo en el transductor, en ondas eléctricas. De este modo, la
ecosonda calcula la profundidad en cada instante teniendo en cuenta la velocidad de la
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onda (relación entre su longitud de onda y frecuencia) y el tiempo de ida y vuelta de la onda
acústica en la columna de agua. La calidad de un estudio batimétrico depende de las
propiedades topográficas del fondo que definen su irregularidad, pero también de las
propiedades de la onda emitida, tales como su frecuencia, apertura de haz y energía de
transmisión, las cuales son características de cada transductor. Por tanto, el transductor es
un elemento fundamental en los estudios batimétricos.
FRECUENCIA Y APERTURA DEL HAZ ACÚSTICO
El rango de frecuencias de una ecosonda abarca generalmente entre 12 y 200 kHz.
Dentro de este rango, la elección de la frecuencia óptima a emplear depende de las
profundidades en la zona de estudio, es decir, si se trata de una zona somera o profunda,
así como de la resolución o detalle que queremos obtener.
Al propagarse la onda acústica es inevitable su atenuación, es decir, la pérdida de
intensidad de la señal, por la divergencia esférica de los frentes de onda, la absorción en
forma de calor, principalmente por el agua, y la dispersión al reflejarse en la interfase con
las partículas en suspensión. Dicha atenuación es directamente proporcional a la frecuencia
de la onda. Sin embargo, por otra parte, también es cierto que a mayor frecuencia es mayor
la resolución o calidad de los datos de profundidad.
Por lo tanto, es necesario buscar un compromiso para emplear una frecuencia que
optimice la resolución sin sufrir excesiva atenuación. De este modo, se emplean altas
frecuencias para profundidades someras y frecuencias menores para zonas más profundas.
Como valores de referencia cabe indicar los siguientes: a) frecuencia de 200 kHz para zonas
con profundidad menor de 100 m, b) frecuencias entre 200-50 kHz para zonas entre 100 y
1500 m de profundidad, y c) frecuencias entre 12-50 kHz para zonas con profundidad
mayor de 1500 m.
La resolución o calidad en la medida de la profundidad depende no sólo de la
frecuencia, sino también de la apertura del haz acústico emitido. Así, si el haz es más
estrecho, aporta información de una zona más concreta del fondo, y por tanto, no se ve tan
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afectado por la irregularidad del relieve. El ancho de haz depende de la longitud de la onda
acústica (inversamente proporcional a la frecuencia de la onda emitida, dada una velocidad
de la onda acústica) y del tamaño o diámetro del transductor.
Puesto que en cada profundidad se ha definido ya una frecuencia óptima, para
reducir el haz y así mejorar la resolución, lo que se suele hacer es emplear transductores de
mayor diámetro, trabajando así en los estudios batimétricos de alta resolución con una
apertura de haz del orden de 3º. Por otra parte, al estar basada el ecosonda en la reflexión
de las ondas, es una herramienta útil para discriminar también el tipo de fondo. El índice de
reflexión acústica aumento cuanto mayor es la diferencia entre la impedancia acústica del
agua y el material del fondo, dando los mayores valores de energía reflejada para los
afloramientos rocosos, seguidos de las arenas y limos, que varían su índice de reflexión en
función de su grado de compactación.
ECOSONDA MONOHAZ
Los primeros ecosondas empleados en estudios batimétricos son de tipo monohaz
(single beam echosounder o SBES), es decir, emiten un solo haz de onda, empleando un
solo transductor para la transmisión y recepción de la onda acústica. La realización de
trabajos de batimetría con una ecosonda monohaz permite tan sólo obtener datos (x, y, z)
de puntos situados justo bajo la trayectoria del barco. La trayectoria que se debe realizar
con una ecosonda monohaz debe ser perpendicular a la costa, para detectar el máximo
gradiente entre las isóbatas y detectar así correctamente las variaciones morfológicas del
fondo.
Trayectoria para una batimetría con ecosonda monohaz.
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ECOSONDA MULTIHAZ
En los años 80 surgieron las
primeras ecosondas multihaz (MultiBeam
EchoSounder o MBES), las cuales emiten
haces múltiples de onda de una
determinada frecuencia en varias
direcciones, mediante un proyector o
alineación de transductores que, y
reciben las reflexiones a través de un
hidrófobo. De este modo, la zona de muestreo barrida y la cantidad de puntos (x y z)
obtenidos son mucho mayores que en una ecosonda monohaz, es decir, se obtiene una
mayor cobertura o zona de barrido del fondo marino.
El proyector emite un haz ancho (120 a 150º generalmente) en sentido transversal a
la embarcación, pero estrecho (p. ej. 1,5º) en sentido paralelo al rumbo de ésta. Por su
parte el hidrófobo está orientado transversalmente al proyector, de modo que recibe
información de un área estrecha en la perpendicular a la embarcación y ancha en sentido
paralela a ella.
Por tanto, al combinar la orientación del haz emitido y el sistema de recepción se obtiene
información de la superficie del fondo no sólo bajo la embarcación sino también a ambos
flancos, sobre celdas compartimentadas y muy estrechas (p. ej. De 1,5º x 1,5º).
Al ser la apertura del haz emitido constante para cada ecosonda, la anchura de la
zona que detecta acústicamente aumenta con la profundidad.
Por este motivo, y teniendo en cuenta que una ecosonda multihaz suministra información
de una gran cantidad de puntos, las trayectorias del barco durante un estudio batimétrico
con ecosonda multihaz deben ser paralelos a la costa, de modo que la primera franja
barrerá las isóbatas más someras, con una anchura de barrido pequeña, y al aumentar la
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profundidad y distancia a la costa irá aumentando progresivamente el ancho de la zona
barrida.
Trayectoria para una batimetría con ecosonda multihaz.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS:
Los ecosondas multihaz presentan numerosas ventajas sobre los ecosondas
monohaz, si bien tienen también algunos inconvenientes. Entre las principales ventajas
cabe destacar:
a) se obtiene cobertura total del fondo con una gran resolución y capacidad de
detección para la zonificación del fondo.
b) al tener información de todo el fondo, el resultado no está condicionado a una
escala de representación, desaparece el concepto de escala.
c) al abarcar grandes áreas, especialmente en zonas profundas, hay un ahorro de
líneas de levantamiento.
d) durante la ejecución de la campaña se tiene visualización en tiempo real del
levantamiento 3D, lo cual ayuda al acercamiento en zonas peligrosas no exploradas.
Las desventajas de la ecosonda multihaz son fundamentalmente de carácter técnico:
a) es necesaria una instalación compleja del transductor en la quilla de la embarcación y un
calibrado muy preciso.
b) se precisa de personal altamente cualificado, software específico y un hardware muy
potente para levantamiento y procesado de los datos.
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c) por último, el costo de los equipos es significativamente mayor al de las ecosondas
monohaz, si bien en los últimos años están experimentando un abaratamiento muy
importante.
SONDAS SIDE SCAN SONAR
También llamadas laterales. Las sondas SIDE SCAN son los dispositivos más versátiles para la
realización de batimetrías en un amplio rango de profundidades y resoluciones. La mayoría
de las sondas laterales van montadas en dispositivos sumergibles que son arrastrados por
un barco, evitando en gran medida la problemática asociada al movimiento de la nave.
SONDAS TOPAS
Se emplean para medidas que requieran gran penetración y resolución. El sistema consta de:
• Fuente acústica
• Consola de operación
• Dispositivo de almacenamiento masivo de datos
• Periféricos El sistema analiza en tiempo real los datos, pudiendo variarse la configuración de las medidas para mejorar los resultados que se vayan obteniendo.
Existen dos modos de trabajo: Alta penetración y Alta resolución.
Alta penetración:Cuando se trabaja en aguas profundas o se necesita mucha penetración, es necesario transmitir más energía, se utilizan barridos lineales de frecuencia (chirp).
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Alta resolución: empleada para fijar caminos para tuberías, donde es necesario conocer muy exactamente el fondo donde se van a asentar.
Localización de bancos de peces, para colocación de redes de arrastre, fondo.
Uso militar, en submarinos, armas antisubmarinas y descubrimiento de minas, obstáculos
etc.
Arqueología: Localización
Trazado de canalizaciones submarinas mediante el análisis de la topografía del fondo.
Actualización de cartas de navegación y trazado de zonas seguras para el tránsito de buques
(lejos de obstáculos peligrosos), etc.
MINIROV
Es un robot submarino no tripulado y conectado a un barco en la superficie por medio de
un cable largo, por el que pasan la energía y las órdenes enviadas mediante un mando a
distancia. A través del cable se transmiten también los datos de las cámaras de video del
ROV, al centro de control del barco de la superficie.
Este generara imágenes y coordenadas.
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CONCLUSIONES:
Desde hace ya varios años las estaciones totales se están viendo desplazadas por el GPS en
trabajos topográficos. Las ventajas del GPS topográfico con respecto a la estación total son que, una
vez fijada la base en tierra no es necesaria más que una sola persona para tomar los datos, mientras
que la estación requería de dos, el técnico que manejaba la estación y el operario que situaba el
prisma. Por otra parte, la estación total exige que exista una línea visual entre el aparato y el prisma,
lo que es innecesario con el GPS.
Sin embargo, no siempre es posible el uso del GPS, principalmente cuando no puede
recepcionar las señales de los satélites debido a la presencia de edificaciones, bosque tupido, etc.
Además, la mayor precisión de la estación (pocos milímetros frente a los centímetros del GPS) la
hacen todavía necesaria para determinados trabajos.
Si una draga retorna a la superficie parcialmente abierta, la muestra debe ser descartada,
ya que se debe asumirse que todo o parte del contenido se ha lavado durante el ascenso.