Visión estereoscópica para predecir grandes olas y mareas

Investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid y otros dos centros de Italia y EEUU han creado un prototipo de observación para medir y analizar el flujo marino mediante cámaras estéreo. Un equipo internacional de científicos ha desarrollado el Wave Acquisition Stereo System (WASS), un sistema estéreo de observación remota que evalúa y compara las mareas y su impacto sobre la costa, la navegación y las plataformas marinas. Según sus promotores, es muy superior a las boyas u otros instrumentos tradicionales.

Mediante esta herramienta, instalada a una cierta altura, se obtienen datos de la topografía de la superficie marina en amplias áreas del océano, de los que es posible extraer parámetros característicos de las olas: altura representativa, dirección de propagación, espectro, etcétera.

En este proyecto participan el Grupo de Tratamiento de Imágenes (GTI) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), la School of Civil and Environmental Engineering y la School of Electrical and Computer Engineering del Georgia Institute of Technology (Atlanta, EEUU), y el Instituto de Ciencias Marinas del Italian National Research Council (Venecia, Italia).

El sistema funciona experimentalmente a 15 kilómetros de la costa de Venecia, en el norte del mar Adriático, y se podría emplear para generar alarmas y subir las barreras móviles del MOdulo Sperimentale Elettromeccanico (MOSE) que protegen la laguna.

“Actualmente, lo utilizamos para realizar estudios físicos de estados de la mar, midiendo parámetros característicos de las olas”, explica el doctor Guillermo Gallego, del GTI, uno de los investigadores pioneros de esta iniciativa, junto a los doctores F. Fedele, A. Yezzi y A. Benetazzo.

“Los parámetros –añade– incluyen la altura representativa, longitud de onda y período medios, dirección de propagación, espectro tridimensional, etc., que nos permiten contrastar modelos teóricos con datos experimentales de olas reales, no simuladas”.

El investigador apunta que, aunque está en fase experimental, y las áreas elegidas (Venecia y mar Negro, cerca de la península de Crimea) no son especialmente turbulentas, esta herramienta de medición de mareas podría utilizarse para detectar maremotos.

Asegura, incluso, que habría permitido anticipar los efectos perversos del temporal que afectó a la costa cantábrica a primeros de este año 2014, con olas de hasta 20 metros de altura. Esto habría sido posible instalando cámaras en plataformas o faros cercanos a la costa que habrían proporcionado mayor conocimiento sobre la magnitud del temporal.

Además, el doctor Gallego sugiere que si WASS se adaptara para su instalación en helicópteros o drones, podrían monitorizarse grandes áreas del océano. De esta manera, ayudaría a detectar anomalías en la superficie del mar que son indicadoras de los cambios de presión bajo el fondo marino, las cuales están relacionadas con los maremotos.

Las ventajas del sistema de medición del oleaje mediante visión artificial (cámaras estéreo) sobre los sistemas tradicionales de boyas son principalmente económicas (tanto de instalación como de mantenimiento) y científicas.

En cuanto a la última, el investigador destaca que, espacialmente, las cámaras permiten observar y medir las olas en una región del mar, mientras que los métodos tradicionales solo miden en un punto.

Si se desea obtener información direccional mediante estos últimos, es necesario un array de puntos de observación, lo que implica utilizar varias boyas y, aún así, la información topográfica que estas dan no es tan rica como la proporcionada por el sistema de visión, pues solo miden en varios puntos en vez de disponer del mapa de elevación de la superficie del mar sobre una región.

Estimar la altura máxima de las olas

Un ejemplo es el de la estimación de la altura máxima de las olas en una región durante cierto período de tiempo: si la cresta de la ola no pasa justo por las boyas, estas subestimarán dicha altura máxima; en cambio, el sistema de visión permite la observación de toda la zona bajo estudio, así que su estimación de la altura máxima será más precisa.

Al contrario que otros métodos, este sistema permite una caracterización completa de la altura de las olas tanto en espacio (2D) como en el tiempo (1D), lo cual da lugar a un volumen (3D) de datos con toda la información relevante de la superficie del mar: altura representativa de las olas, dirección de propagación, espectro, etcétera. Solo hace falta saber extraer dicha información, según los investigadores.

“Por ejemplo –dice Gallego–, de forma similar al funcionamiento de un ecualizador gráfico en un reproductor de sonido, se puede obtener la cantidad de energía de las olas contenida en distintas bandas de frecuencia (espaciales y temporales). El análisis de dicha distribución de la energía (espectro 3D) de las olas revela información valiosa de las mismas”.

El científico aclara que si la energía no se distribuye según la ley de dispersión en agua profunda (establece una relación entre la longitud de onda de las olas y el periodo de las mismas), sino que se observa un desplazamiento en frecuencia o efecto Doppler, esto puede ser debido a la existencia de una corriente marina cuya dirección y magnitud podemos estimar analizando las alteraciones que provoca en la superficie, es decir, sin necesidad de medirla mediante instrumentación submarina”.

Y concluye: “Los cortes o secciones del espectro 3D permiten analizar información bidimensional: dirección de propagación de ondas y longitud de las mismas (espacio versus espacio), relación de dispersión (espacio versus tiempo) y efectos no lineales difíciles de revelar por otros medios”.

En el futuro, este conjunto de herramientas podría permitir reproducir algo tan cambiante como la topografía de las aguas del océano e incluso cartografíar las mareas de distintas áreas marinas, aunque para ello sería necesario invertir más tiempo y unos recursos de almacenamiento para guardar los datos de los que ahora no disponen los investigadores.

Sin embargo, no descartan avanzar un paso más, ya que su sistema utiliza el análisis multi-resolución para reconstruir la superficie del mar, lo que permite elegir hasta qué nivel de detalle interesa estimar el oleaje. Finalmente, supondría un estudio más amplio del océano como fuente inagotable de investigación que serviría para contrastar y validar modelos teóricos con el que generar conocimiento científico.

Este proyecto surgió en el Georgia Institute of Technology a partir de un estudio financiado por la petrolera Chevron Corporation, interesada en estimar la altura máxima de las olas en una región del océano. El propósito era reconocer la topografía marina de superficie para diseñar la zona de salpicadura –altura en la que se ha de colocar la cubierta– de sus plataformas de explotación para que no se vean perjudicadas por grandes olas generadas durante las tormentas.

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