Uas-based monitoring of sandy coasts in the Bay of Cadiz (SW Spain)

Resumen

El principal objetivo de esta tesis doctoral se centra en investigar el comportamiento morfodinámico y la evolución a corto plazo de la flecha litoral de Sancti Petri (costa suroeste de España) mediante la utilización conjunta de sistemas de aeronaves pilotadas remotamente o UAS (del acrónimo en inglés Unmanned Aerial Systems) y algoritmos de Structure from Motion (SfM). Para ello se realizaron diferentes campañas basadas en la utilización de UAS y se obtuvieron modelos tridimensionales y mosaicos con una elevada resolución espacial y temporal de la zona de estudio desde Enero de 2017 hasta Marzo de 2018. 1. Validación de la metodología basada en la utilización de UAS y algoritmos SfM: El diseño óptimo de vuelo, aspecto clave de la metodología UAS&SfM, se obtuvo tras realizar distintas pruebas en las que se variaron los diferentes parámetros de vuelo (altura y velocidad) y cámara (distancia focal) que influyen tanto en la resolución espacial como temporal de las correspondientes nubes de puntos y modelos tridimensionales generados a partir de las imágenes. Los resultados obtenidos resaltan la importancia de mantener un solape frontal y lateral entre imágenes durante los vuelos del 85 y 75%, respectivamente, así como de distribuir los puntos de control de una manera uniforme en la zona de estudio. Sin embargo, la calidad final de los productos fotogramétricos de interés depende a su vez de la textura y contenido visual de la escena fotografiada, y de las condiciones de luminosidad existentes durante los vuelos. En este sentido, la presencia de agua en movimiento y/o sombras en ciertas áreas pueden inducir una re-proyección de puntos inadecuada en la nube, la cual contribuye a incrementar el error en la vertical asociado a los modelos. Este aspecto puede solucionarse parcialmente mediante la edición manual y/o la utilización de máscaras durante el procesado de imágenes; pero pese a esto último, esta metodología no es la más adecuada para monitorizar la zona del intermareal. Por otro lado, otros factores a tener cuenta son la meteorología y la presencia de obstáculos en la zona, el mantenimiento de todos los equipos involucrados, así como la consideración de la legislación nacional en materia de operaciones con UAS y las posibles restricciones aéreas existentes. Una vez validado, el método UAS&SfM se implementó para realizar diferentes vuelos a lo largo de varios sectores de la flecha litoral, dando lugar a la adquisición de topografía de alta resolución de las diferentes unidades geomorfológicas de la costa (playa duna, y zona posterior) a un coste razonable y con una elevada eficiencia y versatilidad en comparación con otras técnicas. 2. Análisis de cambios morfológicos y recuperación a corto plazo: Los cambios morfológicos del sistema playa-duna capturados en los productos fotogramétricos de alta resolución fueron analizados en relación a las condiciones oceanográficas que prevalecieron durante el periodo de estudio. Se encontró que la flecha evolucionó siguiendo un comportamiento estacional. Por un lado, durante el invierno tormentas de diferente magnitud (desde categoría leve a severa) provocaron diferentes regímenes de impacto de tormenta, tales como la batida de oleaje (swash), régimen de colisión (collision) y desbordamiento (overwash), los cuales dieron lugar a la reactivación de los abanicos de desbordamiento preexistentes en la zona. En una ocasión la reactivación llegó a producirse únicamente debido a la acción de las mareas, sin estar asociado a ninguna tormenta, lo cual es indicativo de la vulnerabilidad de la flecha ante procesos de desbordamiento, especialmente en su sector norte. Por otro lado, las condiciones hidrodinámicas características del verano favorecieron la formación de barras que migraron hacia tierra, así como procesos de reconstrucción de la berma. Los cambios geomorfológicos detectados durante todo el período de estudio fueron estudiados mediante (a) el cálculo de volúmenes de erosión/depósito en la playa y cordón dunar, y numerosos análisis de (b) la evolución de perfiles transversales construidos sobre los abanicos de desbordamiento más dinámicos, (c) dinámica de la berma, y (d) de las áreas con presencia de abanicos de desbordamiento. Los resultados obtenidos revelaron que la disponibilidad de sedimento varía longitudinalmente en el sector norte de la flecha debido a una variabilidad espacial tanto en la batimetría local como en el grado de antropización. 3. Detección y monitorización de morfologías rítmicas: Morfologías rítmicas inusualmente descritas en la literatura científica fueron identificadas en los modelos tridimensionales de alta resolución obtenidos. Estas morfologías transversales con forma de barra se identificaron en la zona posterior a la berma (back-shore) durante los meses finales de verano y principios de otoño, y su origen se relacionó con condiciones hidrodinámicas de baja energía. Permanecieron en esa zona durante meses sin migrar longitudinalmente, por ello el viento fue descartado como posible mecanismo de formación. El espaciado entre cada barra paralela y su extensión transversal mantienen similitud con otro tipo de morfologías conocidas tales como sheetwash lineations y/o finger bars; sin embargo, sheetwash lineations han sido descritas bajo unas condiciones energéticas mucho más elevadas (tormentas extremas o tsunamis), y las finger bars en una localización y con unas dimensiones diferentes. A pesar de que no pudieron realizarse medidas de la hidrodinámica in situ en el momento de su formación, el cual permanece desconocido, estas morfologías se relacionaron con las condiciones oceanográficas, y se recogieron muestras de sedimento para su análisis. Los resultados revelaron que la localización, geometría, y características granulométricas de estas morfologías rítmicas podrían explicarse a través de la acción de un movimiento organizado de batida de oleaje (swash) y vaivén de retorno (backwash) capaz de alcanzar la zona posterior de la berma durante mareas vivas equinocciales. De hecho, durante estas últimas, la elevación nivel de agua excedió la elevación de la berma. El propuesto mecanismo de formación y las características del sedimento analizado a lo largo de estas formas se asemejan a aquellos que típicamente se atribuyen a sistemas de cúspides, los cuales se forman en la zona de swash y sobre una cierta topografía pronunciada, en lugar de en áreas con un gradiente más suave, como en este caso. Éste último puede haber influenciado en la forma alargada de estas formas, las cuales se asemejan más a un tipo de barras transversales que a un sistema de cúspides. Por otro lado, su espaciado (2 m) se predijo bien tras aplicar la teoría de ondas de borde, utilizando para ello el período de pico del oleaje incidente durante los meses de verano. Quizás este tipo de morfologías rítmicas de amplitud tan suave (0.1 m) pasen normalmente desapercibidas, en parte debido a la reducida y/o limitada calidad y resolución espacio-temporal de los métodos de observación costera que se han empleado tradicionalmente. 4. Modelado de procesos de desbordamiento: Cambios morfológicos y considerables daños ocasionados por procesos de desbordamiento derivados del impacto de una tormenta fueron capturados en el área al final del período de estudio. Con el objetivo de simular la respuesta que experimentó la zona de estudio ante este evento, el modelo de elevación (MDE) obtenido durante un vuelo UAS previo al paso de la tormenta y las condiciones hidrodinámicas asociadas al mismo fueron introducidos como archivos de entrada en XBeach, un modelo morfodinámico predictivo basado en procesos capaz de simular erosión y desbordamiento en islas barrera. Se realizó una simulación inicial utilizando parámetros conocidos o estándar; sin embargo, los resultados obtenidos consistieron en una excesiva erosión de la playa y en desproporcionados procesos de transporte de sedimento hacia tierra, los cuales constituyen un problema común que suele surgir en el modelado de procesos de desbordamiento. Para conseguir obtener una respuesta más realista, se realizaron un conjunto de simulaciones combinando diferentes valores de ciertos parámetros, los cuales han sido capaces de mejorar la simulación de desbordamiento en anteriores trabajos científicos: la rugosidad del lecho (bed roughness) así como la simetría horizontal y vertical del perfil de ola (wave skewness and asymmetry, respectivamente). Sin embargo, a diferencia de los trabajos de la literatura científica, ninguna de las simulaciones dio lugar a resultados aceptables. El motivo se atribuye a la influencia de una capa de marisma fósil que se descubrió en la playa tras la tormenta, la cual fija el perfil y actúa limitando la erosión así como la magnitud del transporte de sedimento hacia tierra y los depósitos asociados. Las aplicaciones mencionadas previamente demuestran que los UAS se han convertido en herramientas óptimas para ser utilizadas en la monitorización y el análisis evolutivo de áreas costeras debido a su coste asequible, mayor eficiencia y versatilidad frente a otras técnicas. Pese a conllevar ciertas desventajas, como cualquier otro método, el amplio abanico de posibles aplicaciones basadas en la utilización de UAS en la costa va más allá de aquellas expuestas en este trabajo, y pueden dar lugar a la apertura de numerosas líneas de investigación futuras.