Red Monitoreo Costero Video 09032012-1

7/12/2019 Red Monitoreo Costero Video 09032012-1

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IAHR CICXXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICASAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012

DESAFIOS PARA UNA RED CHILENA DE MONITOREO COSTERO ENBASE A VIDEO

Villagrán, M.1,7 , Almar R. 6 , Cienfuegos, R.1, Catalán P. 4, Navarrete, S. 2, Finke, R. 2, Van Dassow, P. 3, De la Iglesia, R. 3,Flores G. 2, Figueroa, D. 5, Abarca-del-Rio, R. 5, Sepúlveda H. 5

Aguilera J.C.1

1 Departamento de ingeniería hidráulica y ambiental, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago Chile [email protected], [email protected] , [email protected]

2 Estación Costera de investigaciones marinas y biodiversidad, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago,Chile. [email protected] , [email protected], [email protected]

3 Facultad de ciencias biológicas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago Chile. [email protected],[email protected]

4 Departamento de obras civiles, Universidad Técnica Santa María, Valparaíso, Chile. [email protected] Departamento de Geofísica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Concepción, Concepción,

Chile. [email protected], [email protected], [email protected] Instituto de Investigación para el Desarrollo (IRD)/ LEGOS, Toulouse, France

7 Centro de Investigación Marítimo Portuario CIMP- UCSC, Concepción, Chile [email protected]

RESUMEN: El monitoreo de zonas costera es una técnica cada vez más requerida, ya que las

necesidades de información y conocimiento de los procesos litorales se hacen urgentes en un mundo

donde el cambio climático empieza a dejar su huella en el litoral. El uso de las imágenes de video

para vigilancia data de muchos años atrás, sin embargo, desde la década de los 90’s se han venidodesarrollando algoritmos, que permiten extraer más información hidro-morfodinámicas de dichas

imágenes. Así hoy, existen variadas técnicas para realizar el procesamiento de imágenes,

rectificación, almacenamiento, detección de parámetros de oleaje, marea, batimetría, etc. Sinembargo, la implementación de estos sistemas está aún en sus albores. En este trabajo se muestran

las iniciativas de diversos grupos de investigación chilenos, que apoyados internacionalmente y

motivados por problemáticas costeras completamente disímiles, convergen en el uso de los sistemas

de monitoreo por video para extraer información necesaria para su investigación, conformando una

peculiar red de trabajo. La multi-disciplinariedad de los equipos, la complementariedad de los sitiosy la heterogeneidad de los problemas que se abordan, plantean a este grupo de académicos, la

oportunidad de compartir su saber, en post de un mayor y mejor conocimiento del litoral Chileno.

ABSTRACT: The lack of data and knowledge of coastal processes require the use of coastal

monitoring system, especially now, when climate change is leaving his mark on the coast. Since

90’s, many algorithms has been developed to allows the extraction of valuable information fromimaging. Today, many of those are available for scientific community, e.g.: image processing, geo-

rectification, data storage, and hydro-dynamics parameters estimation. However, the

implementation of such a system is still on their beginnings. This paper shows the initiatives of a

group of Chilean researchers, supported by international partners, starting from very dissimilar initiatives that converge on the use of coastal video monitoring system to get some valuable data

that helps them to solve their research questions. This multidisciplinary network, represent anopportunity for their participant to exchange their wisdom, for a better and most complete

knowledge of Chilean coast.

PALABRAS CLAVES: monitoreo costero, video, red

INTRODUCCIÓN



La zona costera, por su gran dinamismo, es un área de cambio constante entre el océano y el

continente, por lo mismo está sujeta a una doble influencia. Adicionalmente, al ser una de las zonas

más pobladas del planeta, la presión que recibe es aún mayor. La combinación de estos dos factores

hacen que esta zona costera sea altamente vulnerable.

La dinámica del sistema y las diferentes escalas espacio-temporales involucradas, generan

interacciones entre procesos difíciles de detectar y monitorear. Más aún, la zona de surf o de

intercambio, es de gran valor, científico ya que representa la zona de mayor disipación energéticaoceánica (oleaje, marea), mayor variabilidad geológica y mayor actividad biología oceánica. Loanterior genera una falta de conocimiento, la cual se explica en parte por la falta de observaciones

continuas, debido a la naturaleza peligrosa del medio en que ocurren. A pesar de que existen redes

de observación satelitales semi-continua a gran escala O(1000 km - 100 km), la mantención y

operación de sistemas de medición in situ en zonas litorales es aún costosa y con poca cobertura

espacial. Así las redes de monitoreo remoto aparecen como la alternativa más apropiada, y mientras

que la teledetección satelital se adapta mejor a grandes escalas temporales (>día-años), el monitoreo

costero necesita un sistema de observación de mayor frecuencia de muestreo, que solo puede ser

logrado a través de dispositivos de radar o video (>seg.-años). El enfoque de este grupo de trabajoes el monitoreo mediante el uso de cámaras de video, lo que permite un amplio rango de mediciones

(física, biología).En la actualidad, se conocen pocas redes de monitoreo costero por video en el mundo (ej.: ARGUS-

Internacional, COASTVIEW-Europeo, CAM-era Nueva Zelandia HORUS-Colombia) y parece

existir una gran interés científico y tendencia mundial hacia su implementación ya que hay nuevas

iniciativas en curso (Turner et al . 2008).

LA MEDICIÓN COSTERA MEDIANTE EL USO DE CÁMARAS DE VIDEO

La técnica del monitoreo litoral por video es innovadora, económica, y particularmente bien

adaptada al seguimiento permanente del medio costero. Aunque la técnica sea reciente (inicios delos ‘90), numerosas metodologías han sido desarrolladas para la medición de parámetros hidro- y

morfodinámicos en la costa (Osorio et al ., 2007). Más aún, uno de los desafíos actuales es el de

extender la herramienta de medición a un nivel multidisciplinario (ex: biología, manejo costerointegrado).

Figura 1.- Rectificación de imágenes (Almar et al. 2008).

El principio de funcionamiento es el siguiente. La imagen inicial en pixel es rectificada a

coordenadas en el mundo real (Figura 1), (Holland et al ., 1997). Luego, para ahorrar espacio dealmacenamiento, las imágenes son pre-procesadas en imágenes secundarias, tales como: imágenes



promediadas sobre varios minutos para seguir la baja frecuencia (> 15 min, ex: marea) e imágenes

timestack que permiten seguir la evolución de la alta frecuencia (>1 Hz, ex: oleaje) sobre perfiles

seleccionados de playa. (Figura 2)

Estas imágenes sirven de entrada a rutinas computacionales desde donde se estiman una serie de

parámetros. Específicamente para la hidrodinámica, se han desarrollado métodos de medición del

periodo, dirección y celeridad de oleaje (Catalan and Haller, 2008; Almar et al ., 2008), altura de ola(Almar et al ., 2012) y nivel de marea. Existen también métodos para la estimación de la batimetríasumergida (Almar et al ., 2011a) y de la zona intermareal, a través del seguimiento de la línea de

costa (Almar et al ., 2011b). La actividad biológica se puede medir a través del color del agua y la

localización de frentes de masas de agua (Dailloux et al ., 2008). La diversidad de mediciones

permite realizar variados cruces de información y la búsqueda de correlaciones entre variables.

Figura 2.- Generación de imágenes secundarias. (Almar et al 2008).

DESCRIPCIÓN DE LA RED: SITIOS PILOTOS

La conformación de una red de monitoreo por video, nace del interés conjunto de diversos grupos

de investigación, en contar con mayor y mejor información de sus zonas de estudio. Los intereses

en la aplicación han sido diversos, diferenciándolos según la problemática local y las líneas de

investigación: biología-ecología, física-oceanografía, ingeniería-manejo costero. Los sitios pilotos

elegidos (Figura 3) son complementarios en cuanto a las líneas de investigación a las problemáticasen las que se enfocan, presentándose características hidrodinámicas , morfológicas y antrópicas muy

distintas. La información que resulta de la mezcla de las respuestas a los problemas costeros

específicos, permite mejorar el entendimiento global del funcionamiento del medio costero y

encontrar soluciones comunes, así como perfeccionar y compartir las técnicas utilizadas. Varios

grupos chilenos de investigación están empezando a monitorear la costa por imágenes de video.



Figura 3.- Sistemas pilotos de la red Chilena de monitoreo costero por video

CALETA PORTALES (Viña del Mar)

Un primer sitio corresponde a la caleta Portales localizada en la ciudad de Viña del Mar. Es una

zona cerrada adentro de una bahía larga (de Valparaíso), actualmente sometida a una intensa

erosión, muy afectada por las obras urbanas. Esta instalación experimental es mantenida por laUniversidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile y presenta una filosofía

ligeramente distinta al resto de las instalaciones, en el sentido de que el objetivo de largo plazo es el

desarrollo de algoritmos destinados a la obtención cuantitativa de parámetros de oleaje en escalastemporales cortas, del orden de unas pocas decenas de segundos. Con este enfoque, es posible

obtener parámetros sencillos como el período, o bien parámetros más complejos como estimacionesdirectas de la disipación en la zona de la rompiente (e.g., Haller & Catalán, 2009, Flores & Catalán,

2010, Andrade and Catalán, 2010, Almar et al ., 2012). Sin embargo, la obtención de este tipo de

resultados requiere de una gran precisión en la determinación espacial y temporal de cada pixel. La

determinación espacial o georeferenciación no difiere de las otras instalaciones con otro tipo de

hardware, pero en lo referente a precisión temporal, se hace necesario el uso de sistemas que

permitan un alto grado de confiabilidad en cuanto a la frecuencia de muestreo y la capacidad dellevar un registro detallado del instante de obtención de cada cuadro de la serie de video.

Estos requerimientos hacen que la instalación sea más compleja en términos de programación y que

requiera de un hardware que sea programable o accesible por rutinas específicas. Para tal efecto, se

usan esquemas en los cuales una cámara con enlaces Firewire o Ethernet de alta velocidad

conectada en forma directa al computador y éste a la red. La programación de los algoritmos de

captura en el computador permite, de ser requerido, la adquisición de arreglos de pixeles

específicos, durante períodos de tiempo determinados, minimizando las necesidades de

almacenamiento.



En particular, el sistema instalado corresponde a una cámara PointGrey DragonFly2 con un lente de

12.5 mm, en conexión a un PC con sistema operativo Ubuntu 10.04. La cámara se encuentra

instalada en el techo del edificio principal de la Universidad, y está orientada en la dirección de la

Playa Caleta Portales, en modo fijo. Esto permite un punto de observación alto, ideal para

instalaciones de video, pero relativamente retirado de la playa, con lo que la resolución espacial

máxima es de 2-3 m2 por pixel en el área de interés.

La playa de Caleta Portales es una playa reflejante, ubicada en el extremo sur de la Bahía deValparaíso, con orientación norte y al abrigo del oleaje reinante del SW por Punta Angeles, ubicada

al noroeste. Producto de esta orientación, la playa habitualmente se encuentra expuesta a

condiciones de oleaje de muy baja energía, con la excepción de tormentas de invierno altamente

erosivas y al oleaje estival, relativamente energético y de período largo, proveniente del NW.

La instalación entró en operaciones en Julio de 2011, y se encuentra en etapa de desarrollo y marcha

blanca. Durante este período, los algoritmos básicos de operación han sido desarrollados, así comolos esquemas de muestreo orientados a adquisición de datos de tipo cualitativo, trabajando en

coordenadas de la imagen. Actualmente, la instalación captura de manera horaria una instantánea,

un promedio temporal de 3 minutos (timex), la varianza de la señal óptica en 3 minutos, y losvalores extremos (máximos y mínimos) de intensidad en cada pixel. Algunos ejemplos de estos

resultados se muestran en la Figura 4.

a) b)

Figura 4.- Zona de rompimiento preferencial detectada por imágenes de video Sector CaletaPortales, Viña del Mar a)Máximo. La zona blanca es indicativa del máximo ancho de la zona

rompiente. b) Mínimo. La señal rompiente es removida y la zona de swash queda claramentedefinida.

En el corto plazo, se implementarán algoritmos orientados a la adquisición de series de tiempo de

pixeles específicos en coordenadas espaciales, y la cuantificación de parámetros de oleaje

relevantes.

ALGARROBO

Un segundo sistema ha sido instalado en la ciudad de Algarrobo durante el año 2011, con el

objetivo de conocer mejor la hidrodinámica del lugar y evaluar el crecimiento explosivo de algasverdes (ulva) adentro de la bahía.



Esta bahía ubicada en la zona central de Chile, se encuentra en una zona altamente turística y de

interés ambiental, por lo mismo en una de sus playas se ha detectado desde hace ya algún tiempo el

crecimiento sostenido de un tipo de alga verde (ulva) sobre el fondo rocoso. Las razones que

explican la aparición y crecimiento del alga son aún inciertas, por ello es que se está llevando a

cabo una investigación científica que logre explicar dicho fenómeno. Para lograr este objetivo, se ha

instalado una cámara de video que permita monitorear en forma continua diferentes variables

hidrodinámicas, así como también intentar cuantificar el eventual crecimiento del alga en el sector.

Figura 5.- Imagen original de la cámara y rectificada sector Algarrobo. Análisis visual de detecciónde zonas rocosas con algas en su superficie durante marea baja.

La instalación de este sistema realizada en Julio del 2011 en el techo de un edificio habitacional,

consiste de una cámara IP marca Vivotek con carcasa de seguridad, la cual está conectada

directamente a un modem, desde donde se envía la señal a un servidor localizado en la Sede San

Joaquín de la Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC) en Santiago. Esta cámara ha servido

de punto de partida para el análisis de imágenes en la PUC y además ha permitido incrementar el

conocimiento técnico necesario para echar a andar estos sistemas, teniendo que resolver problemas

relacionados con la seguridad de los sistemas, transmisión y almacenamiento de datos, dispositivos

de captación de imágenes, desarrollo de algoritmos de procesamiento entre otros.

A la fecha se cuenta con más de 7 meses de información en imágenes, la que está siendo procesada

mediante el uso de diferentes técnicas y algoritmos, principalmente en Matlab, que fueron

desarrollados por diferentes investigadores (Almar et al . 2008, Catalán & Haller 2008, Holland et al . 1997, Almar et al . 2011 a y b).

ESTACIÓN COSTERA DE INVESTIGACIONES MARINAS ECIM (Las Cruces)

En las Cruces, la Estación Costera de Investigaciones Marinas (ECIM) ha instalado un sistema de

video para monitorear patrones de inmersión y exposición aérea de organismos del intermareal

rocoso, especificamente algas pardas, mitílidos y cirripedios. Para este tipo de organismos, con unorigen marino y escasa o nula capacidad de desplazamiento de sus adultos, la exposición aérea



genera condiciones fisicamente estresantes como por ejemplo desecación, hipoxia y temperaturas

extremas respecto al medio acuático (Helmuth et al 2006).

Entonces, el objetivo de la investigación busca relacionar la duración de estas exposiciones aéreas

con las características del oleaje y ciclo de mareas. A su vez se explorarán las consecuencias de

diferentes patrones de inmersión sobre fuentes físicas de estrés como temperatura corporal y

desecación, usando modelos biofísicos (ej Finke et al 2009) En el largo plazo se pretende

contribuir con modelos que permitan explorar como cambios climáticos (temperatura, viento,alturas de oleaje) podrían afectar las comunidades intermareales, mediante eventos físicos de estrés.

En algunas costas, los patrones de inmersión de los organismos intermareales pueden predecirse de

manera sencilla utilizando el ciclo de mareas. Pero en sistemas de micro-mareas y oleaje altamente

energético, como es el caso de la costa de Chile central, los patrones de inmersión son difíciles de

predecir pues dependen también del oleaje y la topo-batimetría del lugar y la forma de la

configuración rocosa específica . Por ello resulta de interés medir in-situ la inmersión de estos

organismos. Actualmente existen escasas propuestas metodológicas: basada una en la conductividad

del agua marina (Venegas et al 2002) y la otra en el uso de sensores de presión (Mislan et al 2011).Pero estas propuestas presentan como desventaja una baja frecuencia temporal y riesgosos

requerimientos de trabajo de campo. Por ello, la generación de algoritmos que permiten reconstruir series de tiempo de inmersión desde imágenes de video en la escala espacial de los organismos

intermareales (centímetros) y a la escala temporal fisiológicamente relevante (segundos), constituirá

de por sí un valioso aporte como herramienta de investigación en la biofísica, fisiología y ecología

de los organismos del intermareal rocoso.

Figura 6.- Imagen promediada sector ECIM, Las Cruces, que muestra la zona de estudio. En foto

lateral se muestra imagen tiempo-espacial (timestack) de transecto indicado en amarillo

DESEMBOCADURA RIO MATAQUITO (Iloca)

En la zona de la desembocadura del río Mataquito, que pronto estará equipada, se buscará estudiar la evolución morfo-dinámica de la barra del río post tsunami 2010 y las consecuencias que dicho

cambio morfológico pueda tener sobre el comportamiento del río.



Esta zona ha sido monitoreada desde comienzos del 2010 (Cienfuegos et al . 2010, Villagrán et al .2011), ya que fue completamente devastada después del terremoto y tsunami del 27 de Febrero de

2010 que afecto a las costas Chilenas, prácticamente desapareciendo la barra que se formaba en la

desembocadura.

Desde entonces se ha monitoreado el proceso de reformación de la barra y se han controlado lasforzantes que manejan dicho proceso tales como caudal del río, oleaje, mareas. Este proceso ha idomucho más rápido de lo esperado y su configuración pareciera estar cambiando desde una barra

costera a una laguna costera.

Figura 7.- Evolución morfológica de la desembocadura del Río Mataquito posterior al terremotodel 27 de Febrero de 2010 (Villagrán et al 2011)

El estudio de esta zona es de gran relevancia científica ya que sus características hidrodinámicas

tales como: su condición micro-mareal, su alto contenido energético del oleaje y de gran periodo, su

gran variabilidad en los caudales fluviales, y su actividad sismo tectónica, hacen de este un lugar

un laboratorio a escala natural de muchos procesos morfológicos costeros.

Se pretende que a partir de un seguimiento mucho más minucioso y continuo, como es el monitoreo por imágenes de video, se puedan comprender mejor los procesos litorales que dan forma a la costa

y así alimentar modelos numéricos que permitan predecir cambios morfológicos eventuales antemodificaciones en las forzantes hidrodinámicas del lugar. Más aún estos cambios bien podrían ser

efectos secundarios del cambio climático.

CONCEPCION Y COQUIMBO

El Departamento de Geofísica de la Universidad de Concepción, en colaboración con el IRD-

LEGOS de Francia está postulando a financiamiento para instalar cámaras de video con el objetivode estudiar las características del oleaje en playas de la bahía de Concepción y Coquimbo con el fin

de obtener mediciones de interés para el ámbito de la oceanografía física y la circulación costera.



El objetivo de este proyecto es poder comparar los parámetros derivados con mediciones de radar

marino HF (Wera) disponibles para la zona a través del trabajo del Prof. Dante Figueroa. Las series

de tiempo obtenidas mediante estos registros serán usadas también para validar modelos de oleaje

tales como el WaveWatch III, los cuales están siendo implementados para pronosticar el oleaje a lo

largo de la costa de Chile. Si bien el WaveWatch III es conocido por sus aplicaciones en el océano

abierto, recientes mejoras a los algoritmos de este modelo han permitido su aplicación en zonas mássomeras.

Las mediciones a realizar permitirán entonces comparar el desempeño de este modelo con otros

modelos más simples que han sido desarrollados específicamente para el ámbito costero. Una buena

caracterización del oleaje costero permitirá avanzar en la integración de modelos acoplados de

oleaje y corriente, tema de reciente desarrollo en modelos avanzados como COAWST o

ROMS_AGRIF.

CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

Esta innovadora red Chilena destaca por el uso de nuevas técnicas de percepción remota en base avideo, y es original por la gran interdisciplinariedad que ella pretende lograr, abordando diversas

temáticas y problemáticas actuales asociadas a la investigación costera. La fuerza de esta red

proviene también de la diversidad en los sitios seleccionados y su complementariedad.

Además de favorecer la dinámica de la investigación regional, la colaboración científica resultante

permitirá realizar un gran avance en el entendimiento de la zona costera y prevenir suvulnerabilidad frente a la presión antrópica y los efectos esperados del cambio climático.

Otra característica inherente a la naturaleza de una red científica es la amplia posibilidad de

interacción que esta entrega, especialmente en el ámbito de la disponibilidad y acceso a información

online y en tiempo real, pudiendo extender este intercambio al ámbito público y privado, generando

una sinergia de la información hidrodinámica costera pocas veces antes vista. El horizonte de

aplicación de la información generada por la red es de dimensiones desconocidas, ya que fácilmente

pueden interactuar desde organizaciones públicas tales como: capitanías de puerto, direcciones deturismo, hasta organismos privados como: consultoras, grupos de surfistas, organizaciones

ecologistas, etc. Más aún, las posibilidades de interacción con otras técnicas de monitoreo, talescomo: imágenes satelitales, estudios de campo, radares HF y en banda X, dispositivos flotantes,

etc., también son auspiciosas además de complementarias, ya que permiten estudiar los fenómenos

a diferentes escalas espaciales y temporales.

También es importante recalcar el hecho de que esta red está interactuando con investigadores deotros países latinoamericanos tales como Colombia y Uruguay, donde también existen iniciativas

similares a la presentada y con los que ya se está trabajando para poder conformar una red a nivel

Latinoamericano.

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