Levantamiento hidrográfico

Un esbozo nostálgico de 1985 de encuesta hidrográfica en Alaska.

Un barco para actualizar los gráficos náuticos.

Neptuno, un barco de reconocimiento de propiedad privada con sede en Chicago, Illinois.

Clintons Northern Storm en el puerto de Ystad 7 july 2021.

Levantamiento hidrográfico es la ciencia de la medición y descripción de características que afectan la navegación marítima, la construcción marina, el dragado, la exploración y perforación de petróleo en alta mar y actividades relacionadas. Se pone un fuerte énfasis en sondeos, costas, mareas, corrientes, fondos marinos y obstrucciones sumergidas que se relacionan con las actividades mencionadas anteriormente. El término hidrografía se usa como sinónimo para describir cartografía marítima, que en las etapas finales del proceso hidrográfico utiliza los datos sin procesar recopilados a través del levantamiento hidrográfico en información utilizable por el usuario final.

La hidrografía se recopila según reglas que varían según la autoridad de aceptación. Tradicionalmente realizados por barcos con una línea de sondeo o ecosonda, los estudios se realizan cada vez más con la ayuda de aeronaves y sofisticados sistemas de sensores electrónicos en aguas poco profundas.

Levantamiento en alta mar es una disciplina específica del levantamiento hidrográfico que se ocupa principalmente de la descripción del estado del lecho marino y el estado de la infraestructura del campo petrolífero submarino que interactúa con él.

Organizaciones

Oficinas nacionales e internacionales

Las oficinas hidrográficas evolucionaron a partir del patrimonio naval y generalmente se encuentran dentro de las estructuras navales nacionales, por ejemplo, el Instituto Hidrográfico de la Marina de España. La coordinación de esas organizaciones y la estandarización de productos se une voluntariamente con el objetivo de mejorar la hidrografía y la navegación segura es realizada por la Organización Hidrográfica Internacional (OHI). La OHI publica Normas y Especificaciones seguidas por sus Estados Miembros, así como Memorandos de Entendimiento y Acuerdos de Cooperación con intereses en levantamientos hidrográficos.

El producto de dicha hidrografía se ve con mayor frecuencia en las cartas náuticas publicadas por las agencias nacionales y requeridas por la Organización Marítima Internacional (OMI), la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS) y las regulaciones nacionales que deben llevarse en los buques por seguridad. propósitos Cada vez más, esas cartas se proporcionan y utilizan en formato electrónico conforme a las normas de la OHI.

Agencias no nacionales

Las entidades gubernamentales por debajo del nivel nacional llevan a cabo o contratan levantamientos hidrográficos para las aguas dentro de sus jurisdicciones con activos tanto internos como contractuales. Dichos levantamientos suelen ser realizados por organizaciones nacionales o bajo su supervisión o las normas que han aprobado, en particular cuando el uso es para fines de elaboración y distribución de cartas o el dragado de aguas controladas por el estado.

En los Estados Unidos, existe coordinación con el Conjunto Nacional de Datos de Hidrografía en la recopilación y publicación de encuestas. Las organizaciones ambientales estatales publican datos hidrográficos relacionados con su misión.

Organizaciones privadas

Las entidades comerciales también realizan levantamientos hidrográficos y geofísicos a gran escala, particularmente en las industrias de dragado, construcción marina, exploración petrolera y perforación. Las entidades industriales que instalan cables de comunicaciones o energía submarinos requieren estudios detallados de las rutas de los cables antes de la instalación y utilizan cada vez más equipos de imágenes acústicas que antes solo se encontraban en aplicaciones militares cuando realizan sus estudios. Existen empresas especializadas que tienen tanto el equipo como la experiencia para contratar entidades comerciales y gubernamentales para realizar dichos estudios.

Las empresas, universidades y grupos de inversión a menudo financiarán estudios hidrográficos de vías fluviales públicas antes de desarrollar áreas adyacentes a dichas vías fluviales. También se contratan empresas topográficas para que realicen encuestas en apoyo de las empresas de diseño e ingeniería que están bajo contrato para grandes proyectos públicos. También se realizan estudios privados antes de las operaciones de dragado y después de que se completen estas operaciones. Las empresas con grandes atracaderos privados, muelles u otras instalaciones costeras tienen sus instalaciones y las aguas abiertas cerca de sus instalaciones inspeccionadas regularmente, al igual que las islas en áreas sujetas a erosión variable, como en las Maldivas.

Métodos

Líneas de plomo y postes de sondeo

La historia de los levantamientos hidrográficos se remonta casi a la de la navegación a vela. Durante muchos siglos, un levantamiento hidrográfico requería el uso de líneas de plomo (cuerdas o líneas 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 embarcación) y postes de sonda, que eran postes. con marcas de profundidad que podrían empujarse por el costado hasta tocar el fondo. En cualquier caso, las profundidades medidas debían leerse manualmente y registrarse, al igual que la posición de cada medición con respecto a los puntos de referencia mapeados según lo determinado por los sextantes de tres puntos. El proceso requería mucha mano de obra y tiempo y, aunque cada medición de profundidad individual podía ser precisa, incluso un levantamiento exhaustivo como cuestión práctica podía incluir solo un número limitado de mediciones de sondeo en relación con el área que se estaba inspeccionando, lo que inevitablemente dejaba lagunas en la cobertura. entre sondeos.

Levantamiento de arrastre de cable

En 1904, los levantamientos por arrastre de cable se introdujeron en la hidrografía, y Nicholas H. Heck, del Servicio Geodésico y de la Costa de los Estados Unidos, desempeñó un papel destacado en el desarrollo y perfeccionamiento de la técnica entre 1906 y 1916. En el método de arrastre por cable, se arrastraba entre dos puntos un alambre atado a dos barcos o botes y fijado a cierta profundidad por un sistema de pesas y boyas. Si el cable encontrara una obstrucción, se tensaría y formaría una "V" forma. La ubicación de la "V" reveló la posición de rocas sumergidas, restos de naufragios y otras obstrucciones, mientras que la profundidad a la que se colocó el cable mostró la profundidad a la que se encontró la obstrucción. Este método revolucionó el levantamiento hidrográfico, ya que permitió un levantamiento 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 levantamiento de cable de arrastre no pasaría por alto un peligro para la navegación que se proyectó por encima de la profundidad del cable de arrastre.

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  Operaciones de reconocimiento hidrográfico por cable (diagrama),
  U.S. Coast and Geodetic Survey, ca. 1920.

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  Principio de reconocimiento marítimo con dos embarcaciones,
  Norwegian Sea Survey, 1932.

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  Detalles técnicos de las herramientas utilizadas,
  Norwegian Sea Survey, 1930.

Antes de la llegada del sonar de barrido lateral, la inspección por arrastre de cable era el único método para buscar obstrucciones en grandes áreas y naves y aeronaves perdidas. Entre 1906 y 1916, Heck amplió la capacidad de los sistemas de arrastre de un área relativamente limitada a barridos que cubren canales de 2 a 3 millas náuticas (3,7 a 5,6 km; 2,3 a 3,5 mi) de ancho. La técnica de arrastre con alambre fue una importante contribución a los levantamientos hidrográficos durante gran parte del resto del siglo XX. Tan valioso fue el levantamiento topográfico de arrastre de cable en los Estados Unidos que durante décadas el Servicio Geodésico y Costero de EE. UU., y más tarde la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, desplegaron un par de barcos gemelos de diseño idéntico específicamente para trabajar juntos en tales estudios. USC&GS Marindin y USC&GS Ogden realizaron encuestas de arrastre de alambre juntas desde 1919 a 1942, USC&GS Hilgard (ASV 82) y USC&GS Wainwright (ASV 83) se hicieron cargo de 1942 a 1967, y USC&GS Rude (ASV 90) (más tarde NOAAS Rude (S 590)) y USC&GS Heck (ASV 91) (más tarde NOAAS Heck (S 591)) trabajaron juntos en el arrastre de cables operaciones desde 1967.

El auge de las nuevas tecnologías electrónicas (sonda de barrido lateral y sistemas de barrido multihaz) en las décadas de 1950, 1960 y 1970 finalmente hizo que el sistema de arrastre quedara obsoleto. El sonar de barrido lateral podría crear imágenes de obstrucciones submarinas con la misma fidelidad que la fotografía aérea, mientras que los sistemas multihaz podrían generar datos de profundidad para el 100 por ciento del fondo en un área estudiada. Estas tecnologías permitieron que una sola embarcación hiciera lo que los levantamientos de arrastre con cable requerían que hicieran dos buques, y los levantamientos de arrastre con cable finalmente llegaron a su fin a principios de la década de 1990. Se liberó a los buques de trabajar juntos en estudios de arrastre de cables, y en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de EE. UU., por ejemplo, Rude y Heck operaron de forma independiente en su posterior años.

Ecosondas monohaz

Las ecosondas y los fotómetros de un solo haz comenzaron a entrar en servicio en la década de 1930 y utilizaban el sonar para medir la profundidad debajo de una embarcación. Esto aumentó en gran medida la velocidad de adquisición de datos de sondeo sobre lo posible con líneas de plomo y postes de sondeo al permitir que la información sobre las profundidades debajo de una embarcación se recopile en una serie de líneas espaciadas a una distancia específica. Sin embargo, compartió la debilidad de los métodos anteriores al carecer de información de profundidad para las áreas entre las franjas del fondo marino que sondeó el barco.

Ecosondas multihaz

Una ecosonda multihaz (MBES) es un tipo de sonda que se utiliza para cartografiar el lecho marino. Emite ondas acústicas en forma de abanico debajo de su transceptor. El tiempo que tardan las ondas sonoras en reflejarse en el lecho marino y volver al receptor se utiliza para calcular la profundidad del agua. A diferencia de otros sonares y ecosondas, MBES utiliza la formación de haces para extraer información direccional de las ondas de sonido que regresan, produciendo una franja de sondeos de profundidad a partir de un solo pulso.

Inclusión explícita de fraseología como: "Para todas las encuestas MBES para LINZ, la intensidad de retrodispersión georreferenciada de alta resolución debe registrarse y representarse como entrega de la encuesta." en un conjunto de requisitos de levantamiento por contrato, es una clara indicación de que la comunidad hidrográfica en general está aceptando los beneficios que se pueden obtener mediante el empleo de la tecnología MBES y, en particular, están aceptando como un hecho que un MBES que proporciona datos de retrodispersión acústica es un valioso herramienta del oficio.

La introducción de ecosondas multiespectrales y multihaz continúa la trayectoria de las innovaciones tecnológicas que brindan a la comunidad de topografía hidrográfica mejores herramientas para adquirir más rápidamente mejores datos para múltiples usos. Una ecosonda multiespectral y multihaz es la culminación de muchos avances progresivos en hidrografía desde los primeros días de los sondeos acústicos, cuando la principal preocupación sobre la fuerza de los ecos que regresaban del fondo era si serían o no lo suficientemente grandes como para notarlos (detectarlos).. Las frecuencias operativas de las primeras sondas acústicas se basaban principalmente en la capacidad de los materiales piezoeléctricos y magnetoestrictivos cuyas dimensiones físicas podían modificarse mediante corriente eléctrica o voltaje. Con el tiempo se hizo evidente que, si bien la frecuencia de funcionamiento de las primeras sondas acústicas de un solo haz vertical tenía poca o ninguna relación con las profundidades medidas cuando el fondo era duro (compuesto principalmente de arena, guijarros, adoquines, cantos rodados o rocas), hubo una notable dependencia de la frecuencia de las profundidades medidas cuando el fondo era blando (compuesto principalmente de limo, lodo o suspensiones floculantes). Se observó que las ecosondas de un solo haz vertical de mayor frecuencia podían proporcionar amplitudes de eco detectables 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 levantamientos hidrográficos de un solo haz usando líneas de seguimiento muy espaciadas y los sondeos superficiales (picos) en los datos del fondo se mantuvieron con preferencia a los sondeos más profundos en el registro de sondeos. Durante ese mismo período de tiempo, el sonar de barrido lateral inicial se introdujo en las prácticas operativas de levantamientos 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 que las amplitudes eran espacialmente variables. De hecho, se dedujo información importante sobre la forma del fondo y elementos hechos por el hombre en el fondo, con base en las regiones donde había ausencias de amplitudes de eco detectables (sombras) En 1979, con la esperanza de una solución tecnológica a los problemas de topografía en "lodo flotante", el Director de National Ocean Survey (NOS) estableció un equipo de estudio de NOS para realizar investigaciones para determinar las especificaciones funcionales para un reemplazo de sonda de profundidad de aguas poco profundas. El resultado del estudio fue una clase de sondas de profundidad de haz vertical, que todavía se usa ampliamente. Hizo ping simultáneamente en dos frecuencias acústicas, separadas por más de 2 octavas, haciendo mediciones de profundidad y amplitud de eco que fueron concurrentes, tanto espacial como temporalmente, aunque en un solo ángulo de pastoreo vertical.

La primera generación de MBES se dedicó a mapear el lecho marino en aguas profundas. Aquellos MBES pioneros hicieron poco o ningún uso explícito de las amplitudes, ya que su objetivo era obtener mediciones precisas de la batimetría (que representaba tanto los picos como las profundidades). Además, sus características técnicas no facilitaban la observación de variaciones espaciales en las amplitudes de los ecos. Después de los primeros levantamientos batimétricos MBES y en el momento en que el sonar de barrido lateral de frecuencia única había comenzado a producir imágenes de alta calidad del lecho marino que eran capaces de proporcionar un grado de discriminación entre diferentes tipos de sedimentos, el potencial de las amplitudes de eco de un MBES fue reconocido.

Con la introducción del sonar de barrido lateral de doble frecuencia (nominalmente 100 kHz y 500 kHz) de Marty Klein, era evidente que la retrodispersión espacial y temporal coincidente de cualquier lecho marino dado 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 rasantes precisos de la retrodispersión. Sin embargo, los conjuntos superpuestos de barrido lateral a lo largo de los ángulos rasantes de la pista en las dos frecuencias siempre fueron los mismos.

Después de la puesta a tierra del Queen Elizabeth 2 frente a Cape Cod, Massachusetts, en 1992, el énfasis en la prospección en aguas poco profundas migró hacia prospecciones de cobertura total del fondo mediante el empleo de MBES con frecuencias operativas crecientes para mejorar aún más la resolución espacial de los sondeos. Dado que el sonar de barrido lateral, con su franja de insonificación en forma de abanico transversal, había explotado con éxito la variación transversal de la amplitud de los ecos, para lograr imágenes de alta calidad del lecho marino, parecía una progresión natural que la forma de abanico transversal -El patrón de seguimiento de la insonificación asociado con el nuevo MBES monótono de alta frecuencia para aguas poco profundas también podría explotarse para obtener imágenes del lecho marino. Las imágenes adquiridas en los intentos iniciales de obtención de imágenes de fondo MBES no fueron tan estelares, pero afortunadamente se produjeron mejoras.

La sonda de barrido lateral analiza los retornos de eco continuos de un haz de recepción que está perfectamente alineado con el haz de sonorización mediante el tiempo después de la transmisión, una técnica que es independiente de la profundidad del agua y del ángulo de apertura del haz cruzado de la recepción de la sonda transductor El intento inicial de imágenes multihaz empleó múltiples haces de recepción, que solo se superpusieron parcialmente al haz de insonificación en forma de abanico MBES, para segmentar los retornos de eco continuos en intervalos que dependían de la profundidad del agua y el 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 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 MBES, la secuencia de eco en cada uno de los intervalos analizados por haz se designó como un fragmento. En cada ping, cada fragmento de cada haz se analizó adicionalmente según el tiempo 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 transversales adyacentes. 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 representar como un píxel en la imagen y también al tener una distribución espacial más uniforme de los píxeles en la imagen que representaba un real. amplitud de eco medida.

La introducción de ecosondas multiespectrales multihaz continuó los avances progresivos en hidrografía. En particular, las ecosondas multiespectrales multihaz no solo proporcionan "aspecto múltiple" mediciones de profundidad de un lecho marino, también proporcionan datos de retrodispersión multiespectral que coinciden espacial y temporalmente con esas mediciones de profundidad. Una ecosonda multiespectral multihaz calcula directamente una posición de origen para cada una de las amplitudes de retrodispersión en el conjunto de datos de salida. Esas posiciones se basan en las propias mediciones de retrodispersión y no en la interpolación de algún otro conjunto de datos derivados. En consecuencia, las imágenes multiespectrales multihaz son más nítidas en comparación con las imágenes multihaz anteriores. La precisión inherente de los datos batimétricos de una ecosonda multiespectral multihaz también es un beneficio para aquellos usuarios que pueden estar intentando emplear la función de respuesta angular de retrodispersión acústica para discriminar entre diferentes tipos de sedimentos. Las ecosondas multiespectrales multihaz refuerzan el hecho de que la retrodispersión coincidente espacial y temporalmente, desde cualquier lecho marino dado, en frecuencias acústicas muy separadas, proporciona imágenes separadas y únicas del paisaje marino.

Colaboración masiva

El crowdsourcing también está incursionando en los levantamientos hidrográficos, con proyectos como OpenSeaMap, TeamSurv y ARGUS. Aquí, los barcos voluntarios registran los datos de posición, profundidad y tiempo utilizando sus instrumentos de navegación estándar, y luego los datos se procesan posteriormente para tener en cuenta la velocidad del sonido, las mareas y otras correcciones. Con este enfoque, no es necesario que haya a bordo un buque de inspección específico, ni que estén a bordo inspectores calificados profesionalmente, ya que la experiencia está en el procesamiento de datos que se produce una vez que los datos se cargan en el servidor después del viaje. Además de los ahorros de costos obvios, esto también brinda un estudio continuo de un área, pero los inconvenientes son el tiempo para 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 riguroso y sistemático, cuando sea necesario. Sin embargo, los resultados suelen ser adecuados para muchos requisitos en los que no se requieren levantamientos de alta resolución y alta precisión, son inasequibles o simplemente no se han realizado todavía.

Carta Batimétrica General de los Océanos

Levantamiento hidrográfico integrado moderno

Gráfico que representa el buque hidrográfico NOAA que realiza operaciones de sonar multibeam y escaneo lateral

En áreas adecuadas de aguas poco profundas, se puede usar lidar (detección de luz y alcance). El equipo se puede instalar en embarcaciones inflables, como zodiacs, embarcaciones pequeñas, vehículos submarinos autónomos (AUV), vehículos submarinos no tripulados (UUV), vehículos operados a distancia (ROV) o barcos grandes, y puede incluir equipos de barrido lateral, de un solo haz y multihaz. En un momento se utilizaron diferentes métodos y normas 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 mejores técnicas de recopilación y procesamiento informático, los datos se recopilan bajo un estándar y se extraen para uso específico.

Después de recopilar los datos, deben someterse a un procesamiento posterior. Se recopila una gran cantidad de datos durante el levantamiento hidrográfico típico, a menudo varios sondeos por pie cuadrado. Dependiendo del uso final que se pretenda dar a los datos (por ejemplo, cartas de navegación, Modelo Digital del Terreno, cálculo de volumen para dragados, topografía o batimetría), estos datos deben diluirse. También debe corregirse por errores (es decir, malos sondeos) y por los efectos de las mareas, el movimiento ascendente, la salinidad del nivel del agua 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 de recolección de datos adicional en el sitio para medir y registrar los datos necesarios para corregir los sondeos. El resultado final de los gráficos se puede crear con una combinación de software de gráficos especializado o un paquete de diseño asistido por computadora (CAD), generalmente Autocad.

Aunque la precisión de las encuestas de colaboración colectiva rara vez puede alcanzar los estándares de los métodos tradicionales, los algoritmos utilizados se basan en una alta densidad de datos para producir resultados finales que son más precisos que las mediciones individuales. Una comparación de las encuestas de fuentes múltiples con las encuestas multihaz indica una precisión de las encuestas de fuentes múltiples de alrededor de más o menos 0,1 a 0,2 metros (alrededor de 4 a 8 pulgadas).