Resumen

La variabilidad espacio temporal de la línea costera y en particular de las playas, sólo puede estudiarse, debido a su extensión y la multitud de fenómenos que la afectan, mediante sistemas remotos capaces de realizar un seguimiento continuo y detallado de las mismas.

Los procesos asociados con los cambios morfológicos en las playas aún no están bien entendidos debido a la dificultad en mantener durante largos periodos instrumentación en la zona de rotura caracterizada por una alta variabilidad y elevada turbulencia. El único intento de monitorización extensa de la zona de rotura fue realizado por Brander (1999) en que durante 12 días una única celda de rip fue muestreada diariamente fondeando además en la zona un elevado número de sensores de presión y correntímetros doppler.

 

Si bien este tipo de experimentos proporcionan una información de gran calidad, su coste y la baja extensión espacial que abarcan, hacen que sean inviables para el estudio de extensas zonas costeras así como de sistemas complejos como las playas. En este sentido, han aparecido en los últimos 5 años sistemas capaces no sólo de hacer el seguimiento de esta variabilidad, sino también de inferir procesos y dinámicas a partir de algunas variables derivadas. Estos sistemas, basados en la teledetección, analizan las fotografías adquiridas por un sistema de cámaras fijo con una frecuencia de adquisición elevada (del orden de 15Hz).

La naturaleza de este sistema, permite medidas en un amplio espectro de escalas espaciales (de centímetros a kilómetros) y temporales (segundos a meses). Estos sistemas están demostrando en la actualidad ser una alternativa muy razonable a la monitorización “in situ” ya que su ubicación en la zona aérea elimina algunas de las dificultades inherentes en la colocación de instrumentos en la zona de rotura. Sin embargo en la actualidad estos sistemas siguen siendo extremadamente caros debido al intenso desarrollo realizado por las compañías pioneras en el desarrollo del software de adquisición y procesado.

En este proyecto se plantea la realización de un Sistema Remoto de Monitorización de Playas (SIRENA) de bajo coste así como del software de proceso y análisis. Se pondrá además especial énfasis en la caracterización y cuantificación de los procesos costeros responsables de la evolución costera.

Problema Científico

El objetivo científico es la caracterización morfodinámica de las playas. Para ello se plantea el desarrollo de un sistema de bajo coste de monitorización continua costera mediante cámaras fotográficas. Entre la caracterización se destaca el estudio de la evolución de las barras sumergidas, evolución de la línea de costa, estudio de la dinámica sedimentaria, relación entre el transporte y la erosión de playa, run-up, rotura de oleaje, parametrización del clima marítimo en la zona más somera, y un largo etc.

Problema Social

La importancia socioeconómica de nuestras playas así como el efecto protector de las mismas sobre las zonas costeras, hacen prioritario el establecimiento de una red de medida de estas zonas que proporcione de forma continua y rigurosa datos fiables sobre la evolución de las mismas. No existe en la actualidad en las Baleares ningún sistema de medida de estas características que ayude a la comunidad científica a responder a las preguntas sociales sobre la evolución de las costas, el incremento del nivel del mar

Líneas de Investigación

- Linea A: Desarrollo de SIRENA como sistema de bajo coste exportable de monitorización de playas (I1, I2, I3, I4, I5 I6, I7,I8).

- Linea B: Estudio de procesos hidrodinámicos en la zona de rotura (I1, I2, I4, I5, I6, I7)
- Linea C: Desarrollo del software de procesado y análisis (I1, I3, I4, I8)
- Línea D: Análisis de corrientes de rotura (I2, I5, I7)
- Línea E: Batimetría y transporte de sedimentos (I1, I6).
- Línea F: Evolución costera (I1, I2, I6, I7)

Objetivos

La obtención de las imágenes de alta resolución instantáneas, la media durante un período así como la varianza, no sólo permitían estudiar la evolución costera (problemas de acreción, erosión y basculamiento) sino que además permitiría la caracterización morfodinámica de la playa en base a los estudios de rotura del oleaje (i.e. evolución de barras sumergidas, morfodinámica del perfil sumergido, etc. )

Tareas

- T.1 Especificaciones del sistema y desarrollo de la herramienta piloto (SIRENA-hardware) (I1, I2, I3, I4, I8)

Cámara:
Se ha seleccionado una cámara digital porque así se sustituye el uso de un frame grabber, (que convierte la señal analógica a digital en el ordenador que captura las imágenes) por una tarjeta Firewire, reduciendo costes y ganando calidad de imagen, ya que se evitan las dos conversiones intermedias necesarias en sistemas analógicos (D/A en la cámara y A/D en el ordenador de captura). Su interfaz cumple con varios estándares, como IEEE 1394, IIDC y DCAM, lo que facilitará la compatibilidad para interconectarla con el ordenador de captura. La resolución que obtenemos es superior a la de los sistemas analógicos estándar (los sistemas PAL obtienen 768x576, y NTSC obtiene 640x480, mientras que esta cámara permite 1024x768). Una mayor resolución en la imagen permitirá una mayor precisión en las medidas. Un frame rate de 15 fps, aún siendo inferior al de los sistemas de video mencionados (PAL utiliza 25 fps y NTSC utiliza 30), sigue siendo una tasa suficientemente elevada para observar los fenómenos deseados. La cámara tiene montura para la óptica de tipo CS, e incorpora un anillo de conversión CS/C lo que permite su adaptación a cualquier óptica que cumpla con cualquiera de esos dos estándares. Este tipo de monturas son las más habituales en aplicaciones de visión por computador, por lo que hay una gran variedad de ópticas para elegir y ajustarse a las necesidades del proyecto.

Óptica:
La óptica elegida tiene una montura de tipo C, con lo cual habrá que colocar entre ésta y la cámara el anillo de conversión (que mide unos 5 mm).El formato de la óptica es de 1/2, mientras que el CCD de la cámara seleccionada es de 1/3. La razón de esto es que de este modo se evitarán las aberraciones de la lente (producidas mayormente en los bordes de la misma). La distancia focal dependerá de la zona que se quiera monitorizar y de la altura a la que se coloque la cámara. Una vez calculada la distancia focal necesaria, se debe elegir la óptica con una distancia focal igual o inferior a la calculada. Por ejemplo, una cámara situada a 30m del suelo, a 50m de la playa y que quiera visualizar un tramo de 500m de playa necesita una distancia focal de 14mm aproximadamente. Como las ópticas comerciales pasan de 12mm a 16mm, se elegiría la de 12mm para asegurar que la cámara abarcará la zona deseada.

Cable:
El cable seleccionado permite transmitir los datos de la cámara al ordenador de captura, así como alimentar la cámara a través del puerto FireWire del ordenador de captura.

SAI:
El SAI servirá como sistema de seguridad para la alimentación de todo el equipo. El consumo realizado por el ordenador de captura y las dos cámaras que se conectarán a él estarán por debajo de los 540W de potencia proporcionados por el SAI seleccionado.

Carcasa:
La carcasa está pensada para cámaras CCD compactas con ópticas monofocales y para su uso en instalaciones exteriores.
El cuerpo de la carcasa esta fabricado en aluminio extruido anodinado. Dispone de grado de protección medioambiental IP66. Asimismo, se ha seleccionado un soporte que se adapte a esta carcasa.

- T.2. Desarrollo software de preproceso (SIRENA-soft I) (I3, I4, I8)
Debido al gran volumen de información que se pretende adquirir (15fps durante 10 minutos cada hora), se hace necesario la aplicación de un software de preproceso en campo para seleccionar la información que se va a enviar al servidor IP. Este análisis consiste fundamentalmente en el cálculo de la imagen media correspondiente a los 10 minutos de medida, el cálculo de la varianza y la extracción de las intensidades de los pixels de una serie de transectos previamente seleccionados. Este software, desarrollado en MatLAB, procesará las imágenes en un PC situado en el lugar de muestreo. En segundo lugar, también se hace necesario conocer los requerimientos temporales del sistema de transmisión. Puesto que el ordenador de campo tendrá capacidad para almacenar las imágenes obtenidas en un periodo de varios meses, el hecho de que se pierda la capacidad de transmisión temporalmente no supone un problema, ya que al restablecerse la misma, se podría transmitir toda la información pendiente. También se ha de tener en cuenta que el sistema no estará en funcionamiento durante la noche, ya que las imágenes obtenidas resultarían de poca utilidad. Por tanto, durante la noche se pueden recuperar las transmisiones que no hayan tenido éxito durante el día. Así, finalmente, una estimación a priori del volumen de datos que se deberían transmitir sería de 140 Mb diarios (2 cámaras, 1,1 Mb/imagen, 4 imágenes/hora, 16 horas/dia), lo que equivale a una conexión mínima de 2 Kbytes/segundo ( [140 x 1024] / [24 x 3600]

- T.3. Desarrollo sistema de transmisión en tiempo real (SIRENA-tele) (I2,I3,I4,I8)
Para la transmisión de los datos es necesario conocer el volumen de datos que se transmitirán desde el ordenador de campo hasta el centro de investigación. El sistema propuesto realiza un preproceso de las imágenes capturadas en el propio ordenador de campo. Por ello, tan sólo se han de transmitir 4 imágenes por hora y por cámara (snapshot, timex, variance y timestack). Además, resulta interesante el uso de algoritmos de compresión sin pérdida de calidad (como zip, rar, tar, etc) para almacenar y transmitir las imágenes. ). Si el lugar en el que se sitúen las cámaras dispone de una conexión a internet, se podría aprovechar la misma para establecer la transmisión de imágenes entre el ordenador de campo y un ordenador del centro de investigación, recibiendo las imágenes preprocesadas prácticamente en tiempo real. Si no existe una conexión a Internet, se pueden tomar varias alternativas. La primera es instalar una línea de conexión a Internet para este proyecto. Otra opción consiste en utilizar la red de telefonía móvil para la transmisión de los datos. La tercera opción consistiría simplemente en personarse una vez al mes en el ordenador de campo y descargarse las imágenes que haya almacenado desde que se acudió por última vez. En cualquier caso, y si es posible, se intentará optar por una conexión a Internet con cables (para aumentar la seguridad), de banda ancha (para facilitar la transmisión de información), y con dirección de red fija (para facilitar el control remoto).

Asimismo, se deberán estudiar las restricciones que imponga el proveedor de servicios de internet (ISP), no solamente en la velocidad de conexión, sino también en el volumen de datos que se pueden transmitir. El motivo radica en que algunos ISPs permiten un máximo de 1,5 GB/mes, mientras que para este proyecto harían falta aproximadamente 4 GB/mes (140 Mb/dia, 30 dias/mes).

-T.4. Desarrollo software de análisis (SIRENA-soft II) (I1,I2, I4, I6, I7,I8)
El desarrollo de los programas para el análisis de las imágenes se realizará en el Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados y consistirá en una serie de aplicaciones para el análisis morfodinámico de las playas. Estas aplicaciones, en MatLAB, tendrán una arquitectura abierta con el fin de que se vayan actualizando a medida que se pretendan realizar analisis diferentes de los inicialmente proyectados. Una vez se haya completado los algoritmos de detección de evolución costera y variación morfodinámica, los datos serán utilizados para los estudios científicos de variabilidad costera.

- T.5 Herramienta visual gráfica-Integración web (SIRENA-web) (I8)
Para la difusión de los resultados se planea la integración de la información relevante de una página web abierta y la difusión de la misma a los diferentes estamentos sociales y científicos con intereses en la franja costera y específicamente en la zona piloto.

Fig.1. Esquema del sistema a desarrollar

Actividad desarrollada en:

País: España Region Baleares Municipio San Llorenç (Estudios experimentales y calibración)
País: España Region Baleares Municipio Esporles (Diseño del sistema, desarrollo del software, análisis

Productos finales

1er año: Desarrollo de SIRENA
Implementación de SIRENA en una zono piloto (Cala Millor)
Estudio de la hidrodinámica en la Playa de Cala Millor mediante técnicas remotas

 

Participantes