Del cielo al mar: satélites y drones para la investigación marina

El Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía emplea tecnologías de observación remota para estudios relacionados con el sector marítimo

Imagen de satélite de la desembocadura del Guadalquivir y la bahía de Cádiz en el océano Atlántico. ISABEL CABALLERO (SEN2COAST).

Las nuevas tecnologías también han llegado a los centros de investigación en ciencias marinas. En los últimos años, conceptos como inteligencia artificial, big data, drones o satélites han pasado a ser habituales en las metodologías de los estudios oceanográficos, ya que son recursos muy útiles a la hora de obtener datos y analizarlos. Estas tecnologías han permitido a los científicos ampliar los horizontes de su investigación, facilitándoles la recogida de muestras en zonas que antes eran de difícil acceso para ellos o automatizando procesos que serían inviables llevar a cabo de forma manual.

El Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía (ICMAN), perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y ubicado en el término municipal de Puerto Real (Cádiz), es un centro referente en el campo de la investigación marina. Actualmente, la institución cuenta con varios proyectos en los que se emplean estas tecnologías como herramientas esenciales en el método de estudio.

La información proveniente de los satélites es una de las más destacadas, ya que posee numerosas aplicaciones relacionadas con la monitorización de los ecosistemas costeros, desde el control de especies invasoras o nocivas hasta la valoración de las consecuencias que pueden provocar los desastres naturales sobre el litoral. Estos ‘centinelas del espacio’ proporcionan información gratuita y de libre acceso para todos, a escala mundial y casi a tiempo real, por lo que constituyen una fuente de datos de enorme relevancia para la investigación.

Otro de los usos para los que se han empleado las imágenes satelitales es la monitorización de la batimetría, es decir, para determinar las profundidades del fondo marino somero y examinar las transformaciones que experimenta a lo largo del tiempo. La batimetría derivada de satélite (SDB, por sus siglas en inglés: Satellite-Derived Bathymetry) se sirve de técnicas de teledetección y sistemas de información geográfica para cartografiar el fondo del mar, y se ha convertido en una herramienta complementaria a las tradicionales y que cuenta con ciertas ventajas sobre ellas.

La investigadora del ICMAN-CSIC Isabel Caballero de Frutos está especializada en el uso de estas imágenes de satélite para estudiar las regiones marinas y costeras. Doctora en Ciencias por la Universidad de Granada, ha trabajado en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Cádiz y realizó una estancia de dos años en la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) en Washington (EE UU). También ha participado en proyectos de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) y de la European Space Agency (ESA).

Además, ha dirigido el proyecto de investigación Sen2Coast ‘Desarrollo de algoritmos de batimetría y calidad del agua mediante los satélites de alta resolución espacial Sentinel-2A/B’, del Programa Estatal de I+D+i Orientado a los Retos de la Sociedad-Jóvenes Investigadores financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

A pesar de ser una técnica en auge en las últimas décadas, los modelos SDB aún poseen ciertas limitaciones para su aplicación operacional, determinadas por los efectos de la atmósfera y, especialmente, de la calidad del agua. “La turbidez, presente en la mayoría de ambientes costeros, es el factor más restrictivo para la implementación de estas metodologías, por eso existe una necesidad apremiante en la comunidad internacional de desarrollar algoritmos que permitan corregir de forma automática esos efectos ambientales y reducir así los errores que cometen los modelos actuales en zonas muy turbias”, explica Isabel Caballero. Su objetivo principal, por tanto, ha estado focalizado en mejorar la precisión de los modelos SDB con un producto batimétrico costero actualizado y de alta resolución, para que pueda ser transferido en un futuro a administraciones, empresas y a la sociedad en general.

Para llevar a cabo el estudio, se seleccionaron 15 regiones piloto a lo largo de la costa este de Estados Unidos, con diferentes niveles de turbidez del agua. Se escogió, tras un análisis exhaustivo de varias misiones espaciales, a los satélites gemelos Sentinel-2A/B como plataforma de teledetección más óptima por sus características (10 metros de resolución espacial, 5 días de frecuencia temporal y 13 bandas espectrales).

Una vez integradas las correcciones atmosféricas y de turbidez del agua en los modelos SDB, se validó su precisión usando datos obtenidos in situ con dispositivos LiDAR (Light Detection and Ranging) en cada una de las 15 regiones analizadas.

Los resultados demostraron que esta nueva metodología desarrollada es suficientemente consistente y precisa, con unos errores medios de entre 0,5 y 1 metros respecto a la información batimétrica del LiDAR. Estas cifras se asemejan a las obtenidas por otros especialistas en regiones coralinas con aguas transparentes donde no hay efectos que impacten en la precisión de los modelos SDB, lo que demuestra que esta innovadora estrategia consigue corregir de forma eficaz los errores generados por la turbidez del agua.

Las principales ventajas de este modelo semiautomático son su mayor cobertura espacial, así como su alta precisión y aplicabilidad inmediata en otras regiones y condiciones, con la intervención manual limitada solo a la calibración final. “Los satélites nos permiten estudiar la batimetría de zonas costeras de forma remota y gratuita, sin necesidad de estar presencialmente allí ni realizar un costoso despliegue con una aeronave o un barco”, señala la investigadora.

Actualmente, estas tecnologías se están evaluando en otras áreas del planeta, como en las islas Baleares, Galicia y Corea del Sur, con resultados también muy favorables. Esta línea de trabajo muestra valiosas implicaciones para avanzar en la investigación y ayudar a la gestión, monitorización y navegación costera a nivel mundial, pues mejora las capacidades de los modelos SDB existentes, particularmente en regiones con aguas turbias o con sedimentos en suspensión, que corresponden a la gran mayoría de los ambientes costeros de nuestro planeta.

Los años de intenso trabajo de Isabel Caballero se han ido plasmando en numerosos artículos científicos publicados en revistas de prestigio internacional (el último de ellos surge de una colaboración entre el ICMAN y la NOAA para cartografiar el fondo marino en EE UU y el Caribe, así como en distinciones de diversa índole. Sin ir más lejos, la Asociación Técnica de Puertos y Costas (ATPYC) le otorgó el Primer Premio Modesto Vigueras 2021 en reconocimiento a sus avances en este campo.

Comparativa de la información batimétrica obtenida a través de LiDAR (arriba derecha) y satélite (abajo derecha) en la costa de Miami. ISABEL CABALLERO (SEN2COAST).

Por otro lado, algunas de las principales líneas de investigación vigentes en el ICMAN-CSIC también están vinculadas a los drones. Una de ellas, de hecho, es su aplicación en batimetrías, que se encuentra en desarrollo en estos momentos. Estos vehículos aéreos no tripulados se han convertido en una herramienta muy valiosa para los investigadores, tanto a la hora de captar impresionantes imágenes de todo tipo (RGB, térmicas, multiespectrales, etc.) como de recoger muestras en zonas de difícil acceso para el ser humano.

El centro cuenta con una plataforma de drones que da servicios externos denominada SeaDron, que tiene a su disposición algunas de las tecnologías más avanzadas del campo, equipados con varios tipos de sensores, para dar servicio a quien lo necesite. En la actualidad, hay numerosas investigaciones en curso en las que estas aeronaves son piezas clave para llevarlas a cabo.

Una de ellas es la monitorización, a partir de imágenes de drones y satélites, del alga asiática invasora Rugulopteryx okamurae que está creando estragos en el litoral andaluz. El estudio pertenece al proyecto Sat4Algae (P20-00244), cuyo investigador principal (IP) es Gabriel Navarro. Doctorado en Ciencias del Mar en 2004 por la Universidad de Cádiz, ha centrado su carrera investigadora principalmente en realizar estudios oceanográficos de campo, aplicando simultáneamente la teledetección a la investigación geofísica. Actualmente, lidera el Servicio de Teledetección del ICMAN, que tiene como objetivo proporcionar imágenes procesadas a la comunidad oceanográfica española. Además, ha sido IP de numerosos proyectos y autor de dos patentes y de más de 70 artículos SCI.

“Los satélites Sentinel-2 te dan una visión global de todo el planeta cada cinco días, por lo que podemos monitorizar cómo van evolucionando todas las áreas costeras y, sobre todo, te permite recurrir a archivo, ya que hay datos desde hace varios años. El uso de drones viene a complementar la teledetección satelital, ya que una de las grandes ventajas de los drones es que tienen una resolución espacial mucho más alta, de tan solo ocho centímetros, y que pueden obtener imágenes y muestras donde quieras y cuando quieras. Por tanto, son herramientas complementarias”, apunta el investigador Gabriel Navarro.

Los drones del ICMAN-CSIC también aportaron su granito de arena en la erupción del volcán Cumbre Vieja en la isla de La Palma (islas Canarias). No solo proporcionaron imágenes fascinantes de sus vuelos que despertaron el interés de medios nacionales e internacionales, sino que además permitieron capturar imágenes de gran calidad con las que se elaboraron modelos 3D del área impactada y de la distribución de temperaturas a la que se encontraba la zona de la fajana de lava a su llegada al mar. La información obtenida dio soporte a las autoridades para lograr una mejor toma de decisiones en la gestión de la erupción.

Los drones de la plataforma también viajaron hasta la Antártida, a través del proyecto PiMetAn , que estudia el papel de los pingüinos en los ciclos biogeoquímicos de metales traza en el océano austral y que está liderado por el ICMAN-CSIC. El IP del proyecto es Antonio Tovar, actual director de la institución. Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad de Cádiz, ejerció como investigador postdoctoral en la Universidad de Stony Borok (Nueva York, EE UU). Sus investigaciones están centradas en el estudio de los ciclos biogeoquímicos marinos, abordando proyectos que van desde el calentamiento global y sus efectos en las zonas polares hasta la contaminación marina, analizando el impacto de las cremas solares en el ecosistema costero.

En el continente antártico, los drones fueron una herramienta vital para la investigación. “Gracias a los múltiples sensores con los que se equiparon los drones, obtuvimos por primera vez un mapa con resolución centimétrica de la pingüinera donde se identificaban ejemplares de pingüinos, así como diferentes tipos de musgo, guano o algas. También logramos las primeras imágenes y vídeos en 3D de formaciones geológicas de utilidad única para el estudio de la formación de la isla”, afirma Antonio Tovar.

En el continente antártico estrenaron la tecnología AWA (Automatic Water Autosampler), un sistema innovador de muestreo automático de aguas que, operado desde drones, permite tomar muestras de hasta dos litros. Además, esta herramienta permite llegar a zonas peligrosas o de difícil acceso sin riesgo para el operario y sin interferir con la fauna ni con la flora del lugar.

“Se trata de un sistema construido ad hoc por el ICMAN-CSIC y la empresa española Dronetools, exclusivo para el muestreo de aguas y posterior análisis de parámetros físicos, químicos y biológicos”, indica el investigador. Diseñado para evitar cualquier tipo de contaminación, permite filtrar las muestras in situ haciéndolas válidas para el análisis de contaminantes emergentes y elementos trazas disueltos (<0,22 μm), como metales y nutrientes orgánicos e inorgánicos en lagos y aguas costeras.

En definitiva, son varias las nuevas tecnologías que se están empleando en el ICMAN-CSIC aplicadas a la investigación en ciencias marinas. El fruto de este trabajo repercutirá en avances que beneficiarán a la ciencia y a la sociedad en general, pero también al sector marítimo en particular. Disponer de nuevas herramientas y conocimientos es el objetivo de la comunidad investigadora para lograr entre todos una mejor gestión de los recursos.

Antonio Tovar, investigador principal del proyecto Pimetan, frente a una pingüinera en la Antártida. PIMETAN-SEADRON.