Levantamiento hidrográfico

Las oficinas hidrográficas evolucionaron a partir de la tradición naval y suelen estar integradas en las estructuras navales nacionales, como por ejemplo el Instituto Hidrográfico de la Marina de España . ^{[ 1 ]} La Organización Hidrográfica Internacional (OHI) coordina estas organizaciones y estandariza sus productos de forma voluntaria con el objetivo de mejorar la hidrografía y la seguridad de la navegación . La OHI publica normas y especificaciones ^{[ 2 ]} que siguen sus Estados miembros, así como memorandos de entendimiento y acuerdos de cooperación ^{[ 3 ]} con entidades interesadas en los levantamientos hidrográficos.

El resultado de dicha hidrografía se observa con mayor frecuencia en las cartas náuticas publicadas por los organismos nacionales y exigidas por la Organización Marítima Internacional (OMI) ^{[ 4 ]} , el Convenio Internacional para la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS) ^{[ 5 ]} y las normativas nacionales que deben llevarse a bordo de los buques por motivos de seguridad. Cada vez más, estas cartas se proporcionan y utilizan en formato electrónico conforme a las normas de la OHI.

Las entidades gubernamentales de nivel inferior al nacional realizan o contratan levantamientos hidrográficos de las aguas dentro de sus jurisdicciones, utilizando tanto recursos propios como externos. Estos levantamientos suelen ser realizados por organizaciones nacionales o bajo su supervisión, o conforme a las normas que estas hayan aprobado, especialmente cuando se utilizan para la elaboración y distribución de cartas náuticas o para el dragado de aguas bajo control estatal.

En Estados Unidos, existe coordinación con el Conjunto Nacional de Datos Hidrográficos en la recopilación y publicación de datos de encuestas. ^{[ 6 ]} Las organizaciones ambientales estatales publican datos hidrográficos relacionados con su misión. ^{[ 7 ]}

Las entidades comerciales también realizan estudios hidrográficos y geofísicos a gran escala , particularmente en las industrias de dragado, construcción marítima, exploración petrolera y perforación. Las entidades industriales que instalan cables de comunicaciones submarinos ^{[ 8 ]} o de energía ^{[ 9 ]} requieren estudios detallados de las rutas de los cables antes de la instalación y utilizan cada vez más equipos de imágenes acústicas que antes solo se encontraban en aplicaciones militares al realizar sus estudios. ^{[ 10 ]} Existen empresas especializadas que cuentan con el equipo y la experiencia para contratar tanto a entidades comerciales como gubernamentales para realizar dichos estudios.

Las empresas, universidades y grupos de inversión suelen financiar estudios hidrográficos de vías fluviales públicas antes de desarrollar áreas adyacentes a dichas vías. También se contrata a empresas de topografía para realizar estudios en apoyo de empresas de diseño e ingeniería contratadas para grandes proyectos públicos. ^{[ 11 ]} Asimismo, se realizan estudios privados antes y después de las operaciones de dragado. Las empresas con grandes muelles, embarcaderos u otras instalaciones costeras privadas realizan estudios periódicos de sus instalaciones y de las aguas cercanas, al igual que las islas en áreas sujetas a erosión variable, como en las Maldivas.

La historia de la prospección hidrográfica se remonta casi a los inicios de la navegación . ^{[ 12 ]} Durante muchos siglos, una prospección hidrográfica requería el uso de líneas de plomo —cuerdas o cables con marcas de profundidad unidos a pesas de plomo para que un extremo se hundiera al bajarlos por el costado de un barco o embarcación— y pértigas de sondeo, que eran pértigas con marcas de profundidad que se podían introducir por el costado hasta que tocaran el fondo. En ambos casos, las profundidades medidas debían leerse manualmente y registrarse, al igual que la posición de cada medición con respecto a los puntos de referencia cartografiados, determinados mediante mediciones con sextante de tres puntos . El proceso era laborioso y requería mucho tiempo y, aunque cada medición de profundidad individual podía ser precisa, incluso una prospección exhaustiva, en la práctica, solo podía incluir un número limitado de mediciones de sondeo en relación con el área estudiada, dejando inevitablemente lagunas en la cobertura entre las mediciones. ^{[ 12 ]}

En 1904, se introdujeron los levantamientos hidrográficos con cable, y Nicholas H. Heck, del Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos , desempeñó un papel destacado en el desarrollo y perfeccionamiento de la técnica entre 1906 y 1916. ^{[ 13 ]} En el método de arrastre de cable, un cable sujeto a dos barcos o embarcaciones y fijado a una profundidad determinada mediante un sistema de pesas y boyas se arrastraba entre dos puntos. Si el cable encontraba una obstrucción, se tensaba y formaba una "V". La ubicación de la "V" revelaba la posición de rocas sumergidas, naufragios y otras obstrucciones, mientras que la profundidad a la que se fijaba el cable mostraba la profundidad a la que se encontraba la obstrucción. ^{[ 12 ]} Este método revolucionó los levantamientos hidrográficos, ya que permitía un levantamiento de un área más rápido, menos laborioso y mucho más completo que el uso de líneas de plomo y pértigas de sondeo. Desde el punto de vista de la seguridad en la navegación, un estudio con cable de arrastre no pasaría por alto ningún peligro para la navegación que se proyectara por encima de la profundidad del cable.

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  Operaciones de levantamiento hidrográfico mediante arrastre de cables (diagrama), Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos , ca. 1920.
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  Principio de levantamiento topográfico marítimo con dos embarcaciones, Servicio Cartográfico Noruego, 1932.
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  Detalles técnicos de las herramientas utilizadas, Servicio Geodésico Noruego, 1930.

Antes de la llegada del sonar de barrido lateral , el sonar de arrastre de cable era el único método para buscar grandes áreas obstrucciones y embarcaciones y aeronaves perdidas. ^{[ 14 ]} Entre 1906 y 1916, Heck amplió la capacidad de los sistemas de sonar de arrastre de cable de un área relativamente limitada a barridos que cubrían canales de 2 a 3 millas náuticas (3,7 a 5,6 km; 2,3 a 3,5 mi) de ancho. ^{[ 15 ]} La técnica de sonar de arrastre de cable fue una contribución importante a la topografía hidrográfica durante gran parte del resto del siglo XX. Tan valiosa fue la topografía de arrastre de cable en los Estados Unidos que durante décadas el Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos, y más tarde la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, desplegaron un par de buques gemelos de diseño idéntico específicamente para trabajar juntos en tales levantamientos. Los USC&GS Marindin y USC&GS Ogden realizaron estudios de arrastre de cables juntos desde 1919 hasta 1942, los USC&GS Hilgard (ASV 82) y USC&GS Wainwright (ASV 83) se hicieron cargo desde 1942 hasta 1967, y los USC&GS Rude (ASV 90) (más tarde NOAAS Rude (S 590) ) y USC&GS Heck (ASV 91) (más tarde NOAAS Heck (S 591) ) trabajaron juntos en operaciones de arrastre de cables desde 1967. ^{[ 12 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}  

El auge de las nuevas tecnologías electrónicas —sonar de barrido lateral y sistemas de barrido multihaz— en las décadas de 1950, 1960 y 1970 acabó por dejar obsoleto el sistema de arrastre de cable. El sonar de barrido lateral podía crear imágenes de obstrucciones submarinas con la misma fidelidad que la fotografía aérea , mientras que los sistemas multihaz podían generar datos de profundidad para el 100 % del fondo en un área estudiada. Estas tecnologías permitieron que un solo buque realizara lo que el levantamiento con arrastre de cable requería de dos buques, y los levantamientos con arrastre de cable finalmente desaparecieron a principios de la década de 1990. ^{[ 12 ] [ 15 ]} Los buques quedaron liberados de la necesidad de trabajar juntos en los levantamientos con arrastre de cable, y en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos (NOAA), por ejemplo, Rude y Heck operaron de forma independiente en sus últimos años. ^{[ 14 ] [ 19 ]}

Las ecosondas y los sonares monohaz comenzaron a utilizarse en la década de 1930, empleando el sonar para medir la profundidad bajo una embarcación. Esto aumentó considerablemente la velocidad de adquisición de datos de sondeo en comparación con los métodos que utilizaban líneas de plomo y pértigas de sondeo, ya que permitía recopilar información sobre la profundidad bajo la embarcación mediante una serie de líneas espaciadas a una distancia específica. Sin embargo, presentaba la misma limitación que los métodos anteriores: la falta de información sobre la profundidad en las zonas entre las franjas del fondo marino sondeadas. ^{[ 12 ]}

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

La inclusión explícita de frases como: "Para todos los estudios MBES para LINZ, la intensidad de retrodispersión georreferenciada de alta resolución debe registrarse y presentarse como un producto final del estudio" ^{[ 20 ]} en un conjunto de requisitos de estudio contractuales, es una clara indicación de que la comunidad hidrográfica en general está adoptando los beneficios que se pueden obtener al emplear la tecnología MBES y, en particular, está aceptando como un hecho que un MBES que proporciona datos de retrodispersión acústica es una valiosa herramienta del oficio.

La introducción de ecosondas multihaz multiespectrales ^{[ 21 ]} continúa la trayectoria de innovaciones tecnológicas que proporcionan a la comunidad de levantamientos hidrográficos mejores herramientas para adquirir datos de mayor calidad con mayor rapidez y para múltiples usos. Una ecosonda multihaz multiespectral es la culminación de muchos avances progresivos en hidrografía desde los inicios de los sondeos acústicos, cuando la principal preocupación sobre la intensidad de los ecos que regresaban del fondo era si serían lo suficientemente grandes como para ser detectados. Las frecuencias de operación de las primeras sondas acústicas se basaban principalmente en la capacidad de los materiales magnetostrictivos y piezoeléctricos, cuyas dimensiones físicas podían modificarse mediante corriente o voltaje eléctrico. Finalmente, se hizo evidente que, si bien la frecuencia de operación de las primeras sondas acústicas de haz vertical único tenía poca o ninguna relación con las profundidades medidas cuando el fondo era duro (compuesto principalmente de arena, guijarros, cantos rodados, rocas o cantos rodados), existía una dependencia notable de la frecuencia en las profundidades medidas cuando el fondo era blando (compuesto principalmente de limo, lodo o suspensiones floculantes). ^{[ 22 ]} Se observó que los ecosondas de haz vertical único de mayor frecuencia podían proporcionar amplitudes de eco detectables de sedimentos de alta porosidad, incluso si esos sedimentos parecían acústicamente transparentes a frecuencias más bajas.

A finales de la década de 1960, se realizaron levantamientos hidrográficos de haz único utilizando líneas de seguimiento ampliamente espaciadas y se conservaron los sondeos superficiales (picos) en los datos del fondo en preferencia a los sondeos más profundos en el registro de sondeo. Durante ese mismo período, se introdujo el sonar de barrido lateral temprano en las prácticas operativas de levantamiento hidrográfico de aguas poco profundas. Las frecuencias de los primeros sonares de barrido lateral eran una cuestión de conveniencia de diseño de ingeniería y el aspecto más importante de los ecos de barrido lateral no era el valor de sus amplitudes, sino más bien que las amplitudes eran espacialmente variables. De hecho, se dedujo información importante sobre la forma del fondo y los elementos artificiales en el fondo, basándose en las regiones donde había ausencias de amplitudes de eco detectables (sombras) ^{[ 23 ]} En 1979, con la esperanza de una solución tecnológica a los problemas del levantamiento en "lodo flotante", el Director del Servicio Nacional de Estudios Oceánicos (NOS) estableció un equipo de estudio del NOS para realizar investigaciones para determinar las especificaciones funcionales para un sonar de profundidad de aguas poco profundas de reemplazo. ^{[ 24 ]} El resultado del estudio fue una clase de sondas de profundidad de haz vertical, que todavía se utiliza ampliamente. Emitía simultáneamente pulsos en dos frecuencias acústicas, separadas por más de 2 octavas, realizando mediciones de profundidad y amplitud de eco que eran concurrentes, tanto espacial como temporalmente, aunque en un único ángulo rasante vertical.

La primera generación de MBES se dedicó al mapeo del fondo marino en aguas profundas. Estos pioneros de MBES hicieron poco o ningún uso explícito de las amplitudes, ya que su objetivo era obtener mediciones precisas de la batimetría (que representaran tanto las crestas como las depresiones). Además, sus características técnicas no facilitaban la observación de variaciones espaciales en las amplitudes del eco. ^{[ 25 ]} Posteriormente a los primeros estudios batimétricos con MBES y cuando el sonar de barrido lateral de frecuencia única comenzó a producir imágenes de alta calidad del fondo marino capaces de proporcionar cierto grado de discriminación entre diferentes tipos de sedimentos, se reconoció el potencial de las amplitudes del eco de un MBES. ^{[ 26 ]}

 Con la introducción del sonar de barrido lateral de doble frecuencia (nominalmente 100 kHz y 500 kHz) por parte de Marty Klein  , se hizo evidente que la retrodispersión espacial y temporalmente coincidente de cualquier lecho marino en esas dos frecuencias acústicas tan distantes entre sí, probablemente proporcionaría dos imágenes distintas y únicas de ese paisaje marino. Si bien es cierto que los patrones de insonificación y recepción a lo largo de la trayectoria eran diferentes, y debido a la ausencia de datos batimétricos, se desconocían los ángulos de incidencia rasante precisos de la retrodispersión, los conjuntos superpuestos de ángulos de incidencia rasante transversales del sonar de barrido lateral en las dos frecuencias siempre eran los mismos.

Tras el encallamiento del Queen Elizabeth 2 frente a Cape Cod , Massachusetts , en 1992, ^{[ 27 ]} el énfasis en los estudios de aguas poco profundas se desplazó hacia estudios de cobertura total del fondo empleando MBES con frecuencias operativas crecientes para mejorar aún más la resolución espacial de los sondeos. Dado que el sonar de barrido lateral, con su franja de insonificación en forma de abanico transversal a la trayectoria, había explotado con éxito la variación transversal de las amplitudes del eco para obtener imágenes de alta calidad del lecho marino, parecía una progresión natural que el patrón de insonificación en forma de abanico transversal asociado con el nuevo MBES monotono de mayor frecuencia para aguas poco profundas también pudiera explotarse para la obtención de imágenes del lecho marino. Las imágenes adquiridas en los intentos iniciales de obtención de imágenes del fondo con MBES no fueron excelentes, pero afortunadamente se produjeron mejoras.

El sonar de barrido lateral analiza los ecos continuos de un haz receptor perfectamente alineado con el haz de insonificación mediante el tiempo después de la transmisión, una técnica independiente de la profundidad del agua y del ángulo de apertura del haz transversal del transductor receptor del sonar. El intento inicial de imágenes multihaz empleó varios haces receptores que solo se superponían parcialmente al haz de insonificación en forma de abanico del MBES, para segmentar los ecos continuos en intervalos que dependían de la profundidad del agua y del ángulo de apertura del haz transversal del receptor. En consecuencia, los intervalos segmentados no eran uniformes ni en su duración ni en el tiempo después de la transmisión. La retrodispersión de cada pulso en cada uno de los segmentos analizados por el haz se redujo a un único valor y se asignó a las mismas coordenadas geográficas que las asignadas a la medición del sondeo de ese haz. En modificaciones posteriores a la obtención de imágenes del fondo marino mediante MBES, la secuencia de ecos en cada uno de los intervalos analizados por el haz se designó como un fragmento. ^{[ 28 ]} En cada pulso, cada fragmento de cada haz se analizó adicionalmente según el tiempo transcurrido desde la transmisión. A cada una de las mediciones de amplitud de eco realizadas dentro de un fragmento de un haz particular se le asignó una posición geográfica basada en la interpolación lineal entre las posiciones asignadas a los sondeos medidos, en ese pulso, en los dos haces transversales adyacentes. La modificación de fragmentos en las imágenes MBES mejoró significativamente la calidad de las imágenes al aumentar la cantidad de mediciones de amplitud de eco disponibles para ser representadas como un píxel en la imagen y también al tener una distribución espacial más uniforme de los píxeles en la imagen que representaban una amplitud de eco medida real.

La introducción de ecosondas multihaz multiespectrales ^{[ 29 ]} impulsó los avances progresivos en hidrografía. En particular, las ecosondas multihaz multiespectrales no solo proporcionan mediciones de profundidad del lecho marino con múltiples observaciones, sino que también ofrecen datos de retrodispersión multiespectral que coinciden espacial y temporalmente con dichas mediciones. Una ecosonda multihaz multiespectral calcula directamente la posición de origen para cada una de las amplitudes de retrodispersión en el conjunto de datos de salida. Estas posiciones se basan en las propias mediciones de retrodispersión y no en la interpolación de otros conjuntos de datos derivados. En consecuencia, las imágenes multihaz multiespectrales son más nítidas que las imágenes multihaz anteriores. La precisión inherente de los datos batimétricos de una ecosonda multihaz multiespectral también beneficia a los usuarios que intentan emplear la función de respuesta angular de retrodispersión acústica para diferenciar entre distintos tipos de sedimentos. Las ecosondas multihaz multiespectrales refuerzan el hecho de que la retrodispersión espacial y temporalmente coincidente, desde cualquier lecho marino dado, en frecuencias acústicas muy separadas proporciona imágenes separadas y únicas del paisaje marino. ^{[ 30 ]}

El crowdsourcing también está entrando en el levantamiento hidrográfico, con proyectos como OpenSeaMap , ^{[ 31 ]} TeamSurv Archivado el 29 de diciembre de 2020 en Wayback Machine y ARGUS. Aquí, embarcaciones de voluntarios registran datos de posición, profundidad y tiempo usando sus instrumentos de navegación estándar, y luego los datos se procesan para tener en cuenta la velocidad del sonido, las mareas y otras correcciones. Con este enfoque no hay necesidad de una embarcación de levantamiento específica, ni de topógrafos profesionales calificados a bordo, ya que la experiencia está en el procesamiento de datos que ocurre una vez que los datos se cargan al servidor después del viaje. Además del ahorro de costos obvio, esto también también proporciona un levantamiento continuo de un área, pero los inconvenientes son el tiempo para reclutar observadores y obtener una densidad y calidad de datos suficientemente alta. Aunque a veces es preciso de 0,1 a 0,2 m, este enfoque no puede sustituir un levantamiento sistemático riguroso, cuando este sea necesario. Sin embargo, los resultados suelen ser adecuados para muchos casos en los que no se requieren estudios de alta resolución y alta precisión, estos resultan inasequibles o simplemente aún no se han realizado.