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Master Thesis ǀ Tesis de Maestría submitted within the UNIGIS MSc programme presentada para el Programa UNIGIS MSc at/en

Interfaculty Department of Geoinformatics- Z_GIS Departamento de Geomática – Z_GIS University of Salzburg ǀ Universidad de Salzburg

Análisis batimétrico del método de marea GPS respecto al método convencional en Jaramijó – Ecuador.

Bathymetric analysis with GPS tidal method, respect to the conventional method in Jaramijó - Ecuador. by/por

José Luis Alcívar González (11825129) 2022 A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Master of Science (Geographical Information Science & Systems) – MSc (GIS) Advisor ǀ Supervisor: Leonardo Zurita Arthos PhD

Guayaquil - Ecuador, 05 de abril de 2022

COMPROMISO DE CIENCIA

Por medio del presente documento, incluyendo mi firma personal certifico y aseguro que mi tesis es completamente resultado de mi propio trabajo. He citado todas las fuentes que he usado en mi tesis y en todos los casos he indicado su origen.

Guayaquil, 05 de abril del 2022 (Lugar y Fecha)

Firma

AGRADECIMIENTOS

Un agradecimiento a todo el equipo de UNIGIS en especial a mis tutores, Leonardo Zurita Arthos, Richard Resl y Ma. Fernanda Bonilla por la ayuda y conocimiento brindado en el desarrollo de la Tesis y en el paso por UNIGIS. De igual manera, agradecer al profesor y amigo de Chile Fernando Illanez Soruco por su dirección técnica y al Instituto Oceanográfico de la Armada del Ecuador, por toda la información y apoyo brindado.

DEDICATORIA

A mi familia, amigos y principalmente a mis padres por darme las bases para alcanzar cada una de las metas que he alcanzado hasta la presente fecha.

RESUMEN

El Instituto Oceanográfico de la Armada del Ecuador (INOCAR), dentro de las tareas asignadas por Ley, es el organismo oficial técnico y permanente del Estado encargado de realizar, dirigir, coordinar y controlar todos los trabajos de exploración e investigación oceanográfica, geofísica y de las ciencias del medio ambiente marino, así también de los levantamientos batimétricos; fluviales y oceanográficos, para el desarrollo, compilación y elaboración de la “Carta Náutica”, y propender al desenvolvimiento de las ciencias y artes necesarias para la seguridad a la navegación, entre otras. Es así que, para el cumplimiento de elaborar la carta náutica, se ejecutan campañas hidrográficas y oceanográficas, donde se utilizan métodos convencionales para los levantamientos batimétricos.

Para el desarrollo de los levantamientos batimétricos convencionales, es indispensable el uso de mareógrafos a fin de obtener los datos de marea y poder corregir los valores de sonda, no obstante, existen lugares donde resulta complejo, riesgoso y demanda de bastantes recursos el implementar y obtener los datos de estos mareógrafos, lo cual implica la interpolación de la marea entre los puntos cercanos.

En los últimos años se ha venido desarrollando una metodología para la reducción de marea en los levantamientos batimétricos, conocida como Marea GPS, la cual prescinde del uso de mareógrafos, en vista que su lectura de marea se basa en los datos de altura de los GNSS de la embarcación.

Consecuentemente, y a fin de evidenciar el grado de precisión de un levantamiento batimétrico con reducción de marea por GPS en referencia a un levantamiento batimétrico convencional, se obtuvieron las sondas de un área determinada en el balneario de Jaramijó, y posteriormente se compararon entre sí, dejando como marco de referencia los valores obtenidos por el levantamiento batimétrico convencional, en vista que, siempre lo medido prima sobre lo calculado.

De los resultados obtenidos se puede evidenciar que los valores de sonda calculados por el método marea GPS son similares a los valores medidos convencionalmente, los cual aporta indicios positivos para el uso de la metodología Marea GPS, en el Ecuador.

Palabras claves: Carta Náutica, GNSS (GPS), Levantamientos Batimétricos, Marea, Mareógrafos.

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ABSTRACT The Oceanographic Institute of the Ecuador’s Navy (INOCAR), by the tasks assigned by Law, is the official and permanent official body of the State responsible for carrying out, directing, coordinating and controlling all oceanographic, geophysical and exploration work and research marine environmental sciences, as well as bathymetric surveys; river and oceanographic, for the development, compilation and elaboration of the "Nautical Chart", and tend to the development of sciences and arts necessary for navigation safety, among others. Thus, in order to fulfill the nautical chart, hydrographic and oceanographic campaigns are carried out, where conventional methods are used for bathymetric surveys.

For the development of conventional bathymetric surveys, the use of tide gauges is essential to obtain the tide data and to be able to correct the depth, however, there are places where it is complex, risky and demand for enough resources to implement and obtain the data of these tide gauges, which implies the interpolation of the tide between the nearby points.

In recent years a methodology has been developed for the reduction of tide in bathymetric surveys, known as GPS Tide, which dispenses with the use of tide gauges, since its tide reading is based on the GNSS height data of the boat.

Consequently, and in order to demonstrate the degree of precision of a bathymetric survey with tidal reduction by GPS in reference to a conventional bathymetric survey, the depths of a certain area in the sea of Jaramijó -Ecuador were obtained, and subsequently compared with each other, leaving as a reference frame the values obtained by the conventional bathymetric survey, since, always the measured premium over the calculated.

From the results obtained it can be evidenced that the depth values calculated by the GPS tide method are similar to the values conventionally measured, which provides positive indications for the use of the GPS Tide methodology, in Ecuador.

Keywords: Nautical Chart, Bathymetric Survey, GNSS (GPS), tide gauges, tide.

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TABLA DE CONTENIDOS 1.

Introducción....................................................................................... 12

1.1.

Antecedentes. ................................................................................... 12

1.2.

Objetivo General. .............................................................................. 14

1.3.

Objetivos Específicos. ....................................................................... 14

1.4.

Preguntas de Investigación. .............................................................. 14

1.5.

Hipótesis. .......................................................................................... 15

1.6.

Justificación....................................................................................... 15

1.7.

Alcance. ............................................................................................ 16

2.

Revisión de la literatura. .................................................................... 17

2.1.

Marco Teórico. .................................................................................. 17

2.1.1.

Cartografía. ....................................................................................... 17

2.1.1.1.

Cartografía Náutica. .......................................................................... 19

2.1.2.

Superficies de la Tierra. .................................................................... 20

2.1.2.1.

Geoide. ............................................................................................. 20

2.1.2.2.

Elipsoide. .......................................................................................... 21

2.1.3.

Conceptos Hidrográficos. .................................................................. 22

2.1.3.1.

Niveles de referencia. ........................................................................ 22

2.1.3.2.

Valores de Sonda. ............................................................................. 23

2.1.3.2.1.

Incertidumbre Vertical. ...................................................................... 24

2.1.3.2.2.

Incertidumbre Vertical según la OHI. ................................................. 24

2.1.3.2.3.

La precisión en los valores de sonda. ............................................... 27

2.2.

Marco Histórico ................................................................................. 28

2.2.1.

Desarrollo de los levantamientos Hidrográficos. ................................ 28

2.2.1.1.

Caso de estudio Taiwan .................................................................... 30

2.2.1.2.

Caso de Estudio Estados Unidos: ..................................................... 30

2.2.1.3.

Caso de Estudio Chile: ...................................................................... 30

2.3.

Marco Metodológico. ......................................................................... 31

2.3.1.

Levantamiento Convencional. ........................................................... 31

2.3.2.

Levantamiento Marea GPS. .............................................................. 32

2.3.2.1.

Modelo de Separación SEP .............................................................. 33

3.

Metodología ...................................................................................... 35 7

3.1.

Fase I – Área de Estudio. .................................................................. 35

3.2.

Flujograma de trabajo ....................................................................... 37

3.3.

Fase II - III – Levantamiento Batimétrico Convencional y resultados. 39

3.3.1.

Corrección horizontal (X,Y). .............................................................. 40

3.3.2.

Corrección vertical (Z). ...................................................................... 41

3.3.3.

Fase III - Procesamiento y resultados obtenidos en levantamiento convencional. .................................................................................... 43

3.4.

Fase IV Levantamiento con marea GPS. .......................................... 45

3.4.1.

Variables de la Ecuación Marea GPS................................................ 47

3.4.2.

Procesamiento de marea GPS. ......................................................... 51

4.

Resultados y Análisis. ....................................................................... 55

4.1.

Resultados. ....................................................................................... 55

4.2.

Análisis de los resultados. ................................................................. 62

5.

Conclusiones y Recomendaciones .................................................... 65

5.1.

Conclusiones. .................................................................................... 65

5.2.

Recomendaciones............................................................................. 66

6.

Referencias: ...................................................................................... 67

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Mapa Topográfico de los Montes Pyrineos. (Revista de Histografía, 2019) ....... 18 Figura 2 Ejemplo de Carta Náutica. (Azimut Marine, 2020) ............................................... 19 Figura 3 Geoide (Mequetrefe, 2012) ................................................................................... 20 Figura 4 El elipsoide y su sem-iejes mayor (a) y menor (b) (Puente, 2008) ...................... 21 Figura 5 El geoide y el elipsoide: modelos de la forma de la Tierra. (Puente, 2008) ........ 21 Figura 6 Principales Niveles de Referencia (SHOA, 1999) ................................................ 23 Figura 7 Motonave "Maverick Dos" Varada en Islote (RTVE.ES / EFE, 2012).................. 24 Figura 8 Escandallo (Moroy, 2020) ..................................................................................... 29 Figura 9 Levantamiento Convencional ............................................................................. 31 Figura 10 Levantamiento con Marea GPS.......................................................................... 33 Figura 11 Área de trabajo .................................................................................................. 36 Figura 12 fases ................................................................................................................. 38 Figura 13 Levantamiento Batimétrico ............................................................................... 39 Figura 14 Lanchas Hidrográficas ...................................................................................... 39 Figura 15 Estaciones de Marea en San Mateo y Manta, punto de colocación de regla de marea. (Google Earth, 2020)............................................................................................... 41 Figura 16 Regla de Marea Instalada en el Muelle Artesanal de Jaramijó ....................... 42 Figura 17 Procesamiento de datos. .................................................................................. 43 Figura 18 Carta de Jaramijó con Área Sondeada y el Continente. .................................... 44 Figura 19 Carta de Jaramijó mostrado profundidades en formato RASTER. .................... 45 Figura 20 Esquema de la aplicación de la Marea GPS .................................................... 46 Figura 21 Área de Interés para cálculos de marea GPS .................................................. 47 Figura 22 Offsets de Construcción L.H Procyon ................................................................ 48 Figura 23 Offsets de Construcción L.H Pollux. ................................................................. 48 Figura 24 Offsets de Construcción L.H Alnilan ................................................................... 49 Figura 25 Alturas elipsoidales del levantamiento (A) ....................................................... 49 Figura 26 Profundidad Bruta (B) ....................................................................................... 50 Figura 27 Ondulaciones Geoidales (N) ............................................................................. 51 Figura 28 Alturas elipsoidales restado de altura de antena ............................................. 52 Figura 29 Profundidad Bruta restado de A-H ................................................................... 52 Figura 30 Ondulaciones Geoidales reducidas al Nivel de reducción de sonda ................. 53 Figura 31 Profundidad Marea GPS ................................................................................... 54 Figura 32 Valores de Sonda Obtenidos por Marea GPS ................................................... 55 Figura 33 Valores de sonda obtenidos por el método convencional. ................................ 55 Figura 34 Perfiles batimétricos planteados. ........................................................................ 56 Figura 35 Perfil Batimétrico A.............................................................................................. 57 Figura 36 Perfil Batimétrico B.............................................................................................. 57 Figura 37 Perfil Batimétrico C ............................................................................................. 58 Figura 38 Perfil Batimétrico D ............................................................................................. 58 Figura 39 Incertidumbre Total Vertical ................................................................................ 59 Figura 40 Diferencia entre método convencional y con Marea GPS ................................. 60 Figura 41 Valores de Sonda tolerables y no tolerables del método marea GPS .............. 61

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Estándar mínimo para levantamiento hidrográficos (OHI, 2008) ......................... 26

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TABLA DE ACRÓNIMOS

DGPS

Sistema de posicionamiento global diferencial

GNSS

Sistema Satelital de Navegación Global

GPS

Sistema de Posicionamiento Global

INOCAR

Instituto Oceanográfico y Antártico de la Armada del Ecuador

MLWS

Mean Low Water Spring

NGA

Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial

NMM

Nivel medio del Mar.

NOS

National Ocean Service

NRS

Nivel de reducción de Sonda

OHI

Organización Hidrográfica Internacional

RTK

Real Time Kinematic

SEP

Modelo de Separación

TVU

Total Vertical Uncertainty

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1. Introducción 1.1. Antecedentes.

El Instituto Oceanográfico de la Armada del Ecuador (INOCAR), dentro de las tareas asignadas por Ley, es el organismo oficial técnico y permanente del Estado encargado de realizar, dirigir, coordinar y controlar todos los trabajos de exploración e investigación oceanográfica, geofísica y de las ciencias del medio ambiente marino, así también de los levantamientos batimétricos; fluviales y oceanográficos, para el desarrollo, compilación y elaboración de la “Carta Náutica”, y propender al desenvolvimiento de las ciencias y artes necesarias para la seguridad a la navegación, entre otra (Rodriguez, 1972).

Es así que, para el cumplimiento de elaborar la carta náutica, se ejecutan campañas hidrográficas y oceanográficas, donde se utilizan métodos convencionales para los levantamientos batimétricos.

El servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada de Chile, indica que los datos batimétricos y profundidades que se muestran en la carta náutica se representan en referencia a un nivel del mar (Dátum de la Carta), que para este caso es un mínimo nivel del mar (bajamares), conocido como “Nivel de Reducción de Sondas (NRS)”, siendo este dato de profundidad de mucha importancia para la seguridad a la navegación (SHOA, 2019).

Es por esto que las profundidades medidas (datos crudos) son reducidas a mencionado plano de referencia vertical mediante la aplicación de variaciones del nivel del mar registradas durante un período de ejecución del sondaje (OHI, 2011).

Dentro del procedimiento para la reducción de sondas con referencia al NRS, se utilizan métodos indirectos de estimación, que consisten en la observación y análisis armónico o no armónico de la marea de un lugar y período de al menos 29 días (ciclo lunar), tiempo requerido para determinar los constituyentes principales

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de marea, a pesar de que la Organización Hidrográfica Internacional (OHI) recomienda idealmente un registro de 19 años (OHI, 2011).

La observación de la marea se realiza a través de la instalación de mareógrafos permanentes o secundarios en la costa, con su respectiva cota de marea, donde los datos son extrapolados de forma espacial y temporal para la corrección de las sondas, esta metodología es la “tradicional” en levantamientos batimétricos (SHOA, 2019).

Sin embargo, en algunos lugares el nivel del mar producto del oleaje, fenómenos atmosféricos y oceanográficos, o por sus características morfológicas puede ser considerablemente diferente entre un punto y otro de la costa, en referencia al lugar donde se esté realizando el levantamiento batimétrico y el lugar donde esté instalado el mareógrafo.

Existe una metodología que está en constante desarrollo para la determinación de las variaciones del nivel del mar y su aplicación en la reducción de sondas, la cual consiste en realizar levantamientos batimétricos respecto a una superficie de referencia vertical control vertical Sistema de Posicionamiento Global (GPS), esta metodología se conoce actualmente como “Marea GPS” y su mayor beneficio es que no depende de la presencia de un mareógrafo fijo durante el levantamiento para reducción de sondas al NRS (Sanders, 2008).

Para esta se necesitan conocer ciertos datos, dentro de los cuales está la ondulación geoidal [N] y un modelo de separación llamado SEP, ambos directamente relacionados con los modelos geoidales ya sea globales o locales (Sanders, 2008).

De acuerdo a lo expresado precedentemente la pregunta de investigación que orienta el presente estudio consiste en saber ¿Cuál es el grado de precisión que aporta el método de marea GPS con respecto al método convencional, en el sector del balneario de Jaramijó – Ecuador?

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La proyección del estudio consiste en aportar elementos de juicio para la toma de decisiones en materia de asignación de recursos humanos y materiales en el proceso de levantamiento batimétrico, para la elaboración de la carta náutica.

1.2. Objetivo General.

Contrastar la precisión que aporta el método marea GPS respecto al método convencional, en un sector del balneario de Jaramijó – Ecuador.

1.3. Objetivos Específicos. 

Caracterizar la geografía del balneario de Jaramijó.



Determinar los valores de sonda con métodos convencionales y método marea GPS, en el sector del balneario Jaramijó – Ecuador.



Comparar los valores de sonda con métodos convencionales y con método de marea GPS.



Valorar las sondas de Marea GPS obtenidos, en el marco estándar de la Organización Hidrográfica Internacional.

1.4. Preguntas de Investigación. 

¿Cuáles son los valores de sonda obtenidos por el método convencional y el método Marea GPS respectivamente, en un sector del balneario de Jaramijó Ecuador?



¿Cuál es el grado de precisión que aporta el método de marea GPS con respecto al método convencional, en el sector del balneario de Jaramijó – Ecuador?



¿Cuál es el valor de las sondas, en el marco estándar de la Organización Hidrográfica Internacional?

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1.5. Hipótesis.

El valor de sonda obtenido por el método marea GPS, es igual al valor de sonda obtenido por el método convencional.

1.6. Justificación Como se indicó en párrafos anteriores, el Instituto Oceanográfico de la Armada es el ente oficial encargado de la elaboración de la carta náutica.

Con el fin de obtener los datos de mareas correspondientes para los levantamientos batimétricos, los servicios hidrográficos o las entidades competentes instalan mareógrafos en las costas (en la medida de lo posible) o en su defecto reglas de marea, a fin de obtener la información pertinente.

Sin embargo, existen lugares donde el acceso es complicado por las características geográficas del sector y por lo tanto mantener a una persona midiendo un periodo significativo lo vuelve más complejo aún. En esas ocasiones se realiza una interpolación con los mareógrafos más cercanos a fin de obtener los datos de marea del sector, que, si bien es una metodología valida, no mide la marea exacta en el área de trabajo mientras se está desarrollando el levantamiento.

Lo detallado evidencia una problemática existente, que está siendo gradualmente abolida con la aparición de la metodología “marea GPS”, la cual determina las variaciones del nivel del mar y su mayor beneficio es que no depende de la presencia de un mareógrafo fijo durante el levantamiento para reducción de sondas al NRS. Si bien, el método tradicional es un método acorde y aceptado por la Organización Hidrográfica Internacional, es necesario indicar que muchas ocasiones el mismo requiere de mareógrafos instalados a lo largo de toda la costa de un país, lo cual demanda muchos recursos económicos y tecnológicos, que no todos los países los tienen.

Lo anterior coadyuva a formularse la pregunta de investigación que orienta el presente estudio y que consiste en saber cuál es el grado de precisión que aporta

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el método de marea GPS con respecto al método convencional, en el sector del balneario de Jaramijó – Ecuador.

1.7. Alcance.

La presente investigación, busca conocer el grado de precisión que aporta el método de marea GPS con respecto al método convencional, en la escala y resolución pertinente, en el sector del balneario de Jaramijó – Ecuador, a fin de tener indicios técnicos de la valides de la metodología y poder aplicarla cuando sea las condiciones así lo demanden o en situaciones de emergencia (Posterior a eventos sísmicos significativos).

Asimismo, el desarrollo del presente trabajo contribuirá para la toma de decisiones por parte de las entidades pertinentes de investigación del Ecuador, en materia de asignación de recursos humanos y materiales, que se emplean en un levantamiento batimétrico, para la elaboración de la carta náutica, en vista que, como se dijo en los párrafos anteriores existen áreas que se dificulta la instalación de mareógrafos o que la instalación de los mismos involucraría mayor demanda de recursos.

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2. Revisión de la literatura.

2.1. Marco Teórico.

Para el desarrollo del presente trabajo de investigación es necesario conocer y tener claro, todos los conceptos que abarcan el estudio que se realizará, en ese sentido es menester saber conceptos generales de cartografía, carta náutica y superficies de la Tierra (elipsoides, geoides, ente otros) y conceptos más detallados en el área hidrográfica, niveles de referencia, mareas, datum, entre otros.

2.1.1. Cartografía.

El ser humano por costumbre tiene la idiosincrasia de representar todo lo que ve en un plano, desde la antigüedad los jeroglíficos representaban objetos que veían nuestros antepasados y eran dibujados en reducción sobre piedras. Posteriormente se dibujan objetos sobre telas, papeles etc. Todo con el fin de representar la realidad tridimensional sobre una bidimensional.

Asimismo, y con el afán de

ubicarse en el espacio, se empezaron desarrollar los primeros mapas de áreas específicas (Figueira, Nogales y Peréz, 2001).

Hoy se conoce que la Tierra no es plana, y que su morfología es afectada por su curvatura tridimensional, en ese sentido la representación de la Tierra o parte de ella en un plano se vuelve una disciplina más allá de un dibujo, a manera de ejemplo se presenta la figura 1 de un plano topográfico.

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Figura 1 Mapa Topográfico de los Montes Pyrineos. (Revista de Histografía, 2019)

Esta disciplina que puede englobar un conjunto de estudios y cálculos matemáticos, se llama cartografía y el desarrollo de sus productos (cartas o mapas) depende principalmente del objetivo para el cual vaya a ser usado.

En lo pertinente a los mapas, es el campo más variado de la cartografía en vista que puede definirse como una serie de dibujos, signos, palabras y demás expresiones con el fin de comunicar al lector un objetivo en particular.

Por otro lado, en lo pertinente a las cartas, son más organizadas y obedecen por lo general a normativas internacionales, en vista que su uso tienen objetivos claros para ser usados, por ejemplo:  Cartas Aeronáuticas. (Haciendo énfasis en información aeronáuticas relevante para los pilotos de aeronaves)  Cartas Náuticas. (Haciendo énfasis en información náutica relevante para los navegantes)

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Por lo expuesto se puede definir, que toda carta es un mapa, pero no todo mapa es una carta.

2.1.1.1.

Cartografía Náutica.

La Organización Hidrográfica Internacional (1996) define la cartografía náutica como: Una carta específicamente destinada a satisfacer requerimientos de navegación marítima (MARINE NAVIGATION), mostrando profundidades (DEPTHS) de agua, tipo de fondo (NATURE OF BOTTOM), elevaciones (ELEVATIONS), configuración y características de la costa (COAST), peligros y ayudas (AIDS) a la navegación. También denominada carta marina, carta hidrográfica o simplemente carta (CHART) (OHI, 1996, p. 8).

En consecuencia, uno de los datos de mayor importancia en las cartas náuticas son los valores de sonda (profundidades), lo cuales indican la profundidad de un sector con referencia a un nivel determinado, como se muestra en el ejemplo de la figura 2.

Figura 2 Ejemplo de Carta Náutica. (Azimut Marine, 2020)

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2.1.2. Superficies de la Tierra.

Como se ha mencionado en párrafos anteriores la Tierra no es plana, no obstante, las necesidades del hombre de ubicación, entendimiento, desarrollo de cálculos, han obligado al mismo a la implementación de varios conceptos relacionados a la forma de la Tierra para el desenvolvimiento de distintas aplicaciones. Entre los conceptos implementados se tienen:

2.1.2.1.

Geoide.

Se puede definir como geoide, aquella superficie equipotencial de gravedad, es decir aquella superficie en la cual la gravedad es perpendicular en todos los lugares y es experimentada al nivel medio del mar. En otras palabras, como si lo mares en su nivel medio, pudieran fluir por debajo de los continentes. Al ser una superficie íntimamente relacionada con la gravedad, ésta es suavemente anómala por los diferentes tipos de componentes de la Tierra, por ejemplo: montañas, materiales de mayor densidad en el fondo de los océanos, etc. (Fallas, 2003). En la figura 3 se observa la forma representada del geoide.

Figura 3 Geoide (Mequetrefe, 2012)

De igual forma la Geodesia define el geoide como una superficie en la que sus puntos tienen una misma atracción, similar a la del nivel del mar. Es necesario considerar a que la Tierra está compuesta de distintas densidades, esta superficie no es regular (Sarria, 2006).

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2.1.2.2.

Elipsoide.

Como se apreció en los párrafos anteriores, el geoide es una superficie irregular, por lo que existió la necesidad de crear una superficie regular y matemática que se ajuste de la mejor forma al geoide, esta superficie desarrollada se llama Elipsoide, la ventaja de esta última es que su forma es independiente del material de la Tierra, y solo se ajusta a su forma. En ese sentido, al ser una superficie matemática, puede ser representada por ecuaciones bidimensionales o tridimensionales según la necesidad (Fallas, 2003). En la figura 4 se pueden evienciar los elipsoides y semiejes. Adicionalmente en la figura 5 se muestra la diferencia entre los geoide y el elipsoide.

Figura 4 El elipsoide y su sem-iejes mayor (a) y menor (b) (Puente, 2008)

Figura 5 El geoide y el elipsoide: modelos de la forma de la Tierra. (Puente, 2008)

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2.1.3. Conceptos Hidrográficos.

2.1.3.1.

Niveles de referencia.

Se consideran niveles de referencia, aquellos niveles registrados y/o pronosticados, que resultan del movimiento de las masas de agua (ascenso y descenso de la marea). Estos movimientos facilitan caracterizar los niveles de referencia en cada una de las áreas geográficas de la Tierra. De igual forma es imprescindible indicar que los niveles de referencia varían en cada área según las morfologías respectivas (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, s.f.).

Existen varias formas de calcular y/o medir los niveles de referencia, una de las más utilizadas es el empleo de mareógrafos en un sector de interés.

Independientemente del tipo de mareógrafo que se utilice (barométrico, de registro, etc.) el fin es el mismo, medir y registrar el nivel de la marea en un punto determinado (Pep, 2015).

Otra forma de medir los niveles de referencia es la implementación de una regla de marea en un punto determinado (muelle, quebrada, etc.) y manualmente registrar cada periodo a requerimiento los niveles observados.

Aunque siempre lo medido prima sobre lo calculado, es importante detallar que la marea también puede ser pronosticada, con base en una serie de cálculos matemáticos – astronómicos que predicen el movimiento de las masas de agua y por consiguiente sus niveles de referencia.

Independiente del método de medición de los niveles de referencia, dentro de los mismos se establecen como principales para el presente trabajo los siguientes: 

Nivel Medio del Mar.Según la organización internacional Permanent Service for Mean Sea Level el nivel medio del mar (ll, fean Sea Level,MSL) se define como el nivel de las aguas tranquilas del mar promediado durante un periodo determinado de tiempo (meses, años) de tal forma que los efectos provocados periódicamente por mareas y por otras causas frecuentes como las olas queden compensados (Pons Valls, 2009).

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 Nivel de Reducción de Sondas. Es la mínima altura del nivel del mar, que se da en la bajamar 1 de sicigia2, y en concurrencia con el perigeo en un área determinada durante un ciclo de metónico3.

(SHOA, 1992). Los principales niveles de referencia se pueden visualizar en la figura 6.

Figura 6 Principales Niveles de Referencia (SHOA, 1999)

2.1.3.2.

Valores de Sonda.

Como se indicó en secciones anteriores, uno de los principales datos que muestran las cartas náuticas son los valores de sonda o profundidades, en vista que estos indican a los navegantes cuánta agua tiene bajo la quilla 4 y por consiguiente se toman decisiones con base en esa información, la cual al ser errónea puede comprometer la vida de cientos de personas, como se observa en el caso de la figura 7.

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Se denomina bajamar a la finalización del reflujo descendente del mar.

Mareas de sicigia. Cuando la posición de los tres astros, Sol, Luna, Tierra se encuentran sobre una misma línea se suman las fuerzas de atracción de la luna y el sol.

3 En astronomía y con el establecimiento de los calendarios, el ciclo de Metón o ciclo metónico es un común múltiplo aproximativo de los períodos orbitales de la Tierra y de la Luna.

4 Quilla, en náutica pieza que se ubica de popa a proa por la parte inferior del barco y en la que se asienta todo su armazón.

2

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Figura 7 Motonave "Maverick Dos" Varada en Islote (RTVE.ES / EFE, 2012)

De igual forma, se debe considerar que la obtención de las sondas se da de manera calculada, es decir por mediciones indirectas y que las mismas pueden variar conforme a las condiciones hidro - oceanográficas del sector, así como los movimientos de la embarcación navegante.

En consecuencia, los valores de sonda tienen un grado de incertidumbre asociado tanto en su posición (x,y) como en su profundidad (z).

2.1.3.2.1.

Incertidumbre Vertical.

Se define como incertidumbre vertical aquel grado de incertidumbre que tienen los valores ya reducidos al NRS. Estos valores aparecen en la cuantificación del grado de incertidumbre que aportan cada uno de los instrumentos y personas que interfieren directamente en el levantamiento batimétrico, por ejemplo, el sonar con el que se mide una profundidad tiene una incertidumbre asociada, la embarcación en la que va alojado el sonar presente incertidumbres asociadas por sus movimientos en Z, etc.

2.1.3.2.2.

Incertidumbre Vertical según la OHI.

La Organización Hidrográfica Internacional, está tendiendo a cambiar en todas sus publicaciones, la palabra “error” por “incertidumbre”, en ese sentido las medidas de altura tienen un valor de incertidumbre asociado a cada equipo, técnica y técnico que se relaciones con la obtención de dichas medidas. Por lo expuesto todas las fuentes de incertidumbres deben ser cuantificadas y combinadas con técnicas estadísticas, con el objetivo de obtener una incertidumbre total vertical o en inglés “Total Vertical Uncertainty” (TVU).

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La tolerancia de cada incertidumbre depende del Orden de levantamiento 5 hidrográfico que se esté realizando, según lo indicado en la Tabla 1 de la OHI, asimismo, dicha tabla, indica que las mediciones obtenidas deben tener el 95 % de nivel de confianza, para lo cual aplica, valores estándar relacionados a los levantamiento hidrográficos y al orden de los mismos; estos valores son “a” y “b”, correlacionados a los errores dependientes e independientes de la profundidad que afectan a la incertidumbre de las profundidades “d” (OHI, 2008).

Dichos valores son ingresados, a la siguiente fórmula para mostrar una incertidumbre a cada valor de sonda medido y calculado: = ±√𝑎2 + (𝑏 𝑥 𝑑)2

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Normativas que se consideran aceptables para permitir a las Oficinas Hidrográficas/ Organizaciones producir productos para la navegación que permitirán al tráfico marítimo navegar con seguridad a través de las áreas levantadas

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Tabla 1. Estándar mínimo para levantamiento hidrográficos (OHI, 2008)

Fuente: OHI

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Dónde: a = Representa esa porción de la incertidumbre que no varía con la profundidad. b = Es un coeficiente que representa esa porción de la incertidumbre que varía con la profundidad. d= Es la profundidad b x d Representa esa porción de la incertidumbre que varía con la profundidad.

Adicional al grado de incertidumbre vertical que una sonda puede tener, es de suma importancia también para el navegante tener la certeza que el bajo se encuentra en la posición que indica la carta, a fin de tomar medidas correctivas a su rumbo. Por consiguiente, al igual que en la incertidumbre vertical, en los ejes X y Y (longitud, latitud), se arrastran las incertidumbres de cada uno de los equipos asociados a obtener la información horizontal de la sonda asi como la incertidumbre en la operación en cada uno de los operadores en el levantamiento.

2.1.3.2.3.

La precisión en los valores de sonda.

Como se conoce este trabajo pretende evaluar, la precisión que tiene el método de marea GPS, comparado con el método convencional, sin embargo, para poder obtener un dato cuantitativo de la precisión es necesario manejar las definiciones estadísticas que indica la OHI, respecto a ciertos conceptos relacionandolos con los levantamientos hidrográficos. 

Desviación estándar: “Raíz cuadrada del promedio aritmético de los cuadrados de los desvíos con respecto al promedio. También se denomina STANDARD DEVIATION, cuando las desviaciones no representan ERRORES, o ROOT MEAN SQUARE ERROR” (OHI, 1996, p.10).



Precisión: “Grado de aproximación con el cual puede expresarse el resultado de una medición que no debe ser confundida con la EXACTITUD, que expresa la concordancia del resultado de una medición con el valor correcto de la cantidad medida” (OHI, 1996, p.11).

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

Exactitud: “Grado de concordancia de un valor medido o calculado con otro asumido o aceptado” (OHI, 1996, p.12).



Nivel de Confianza: Tambien llamado intervalo de confianza, indica la probabiliad de que un valor varie dentro de un margen determinado. Los niveles de confianza dependen de la distribución de los valores calculados por medios estadisticos; estos valores de nivel de confianza son aplicables a datos unidimensionales (profundidades) y bidimensionales (latitudes y longitudes). En consecuencia con el estandar S-42 de la Organización Hidrográfica Internacional, par alcanzar el 95% de nivel de confianza, para los valores unidimensionales, se establece un coeficiente de 1,96 y para los valore sbidimensionales 2,45; ambos multiplicados por la desviacion estandar a requerimiento (OHI, 2008).



Incertidumbre: La incertidumbre se define practicamente como aquel rango de valores obtenidos a un novel de confianza determinado, en el cual se puede encontrar el valor verdadero (OHI, 2008).

2.2. Marco Histórico

2.2.1.

Desarrollo de los levantamientos Hidrográficos.

Los levantamientos hidrográficos se remontan a los tiempos cuando el ser humano emprendió en sus primeras navegaciones, en vista que desde aquella época se tenía la curiosidad de conocer que había debajo de los mares o para un navegante cuánta agua había debajo de la quilla de la embarcación (Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, s.f.).

En ese sentido, los primeros levantamientos hidrográficos carecían de tecnologías electrónicas, arreglo de transductores o similares, usando así técnicas más artesanales como es el uso del escandallo. Instrumento que se refería a una plomada amarrada a una cuerda con sus respectivas mediciones y que era dejada caer desde la embarcación hidrográfica a fin de conocer la profundidad del punto donde se

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encontraban (Marrero, Rodríguez, y Hernández, 2006). En la figura 8 se puede evidenciar el uso del Escandallo.

Figura 8 Escandallo (Moroy, 2020)

Con el pasar del tiempo y el desarrollo de la tecnología, se empezaron a utilizar tecnologías de sonar monohaz, posteriormente multihaz y hoy en día tecnologías adicionales como el sonar de barrido lateral, satélites multiespectrales que pueden obtener información batimétrica entre otros.

Uno de los puntos en común que tienen todas estas tecnologías es que en todas se tiene que considerar la marea a reducir y en eso, han existido tecnologías a emplear como reglas de marea, mareógrafos post- procesamiento, mareas – rtk y marea – gps, etc.

En este contexto el tema central del presente trabajo es la marea GPS, el cual se refiere al cálculo y reducción de la marea, mediante las mediciones verticales (de altura referente al elipsoide) de los sistemas GNSS, en ese sentido en el mundo han existido varios trabajos de investigación relacionados, no obstante en el Ecuador no existe un trabajo documentado al respecto en el cual se pueda evidenciar o tener un indicio de la valides de la reducción de marea en lo levantamientos hidrográficos.

Es importante indicar que, la valides o empleo del este último método de reducción responde directamente proporcional al ajuste del geoide al área de interés.

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Entre algunos de los trabajos relacionados con el tema, se evidencia los realizados en:

2.2.1.1.

Caso de estudio Taiwan

Chang, Lee, y Tsui, (2002) señalan que: luego de haber comparado las alturas elipsoidales del GPS con los mareógrafos determina que: “Las soluciones verticales de las antenas GPS a bordo pueden reemplazar las observaciones del mareógrafo para reducir las mediciones batimétricas al dato de referencia” (Chang et al., p.12).

2.2.1.2.

Caso de Estudio Estados Unidos:

Con el uso de boyas con GPS instalados, Earle et al. (2005) señalan que: Utilizando técnicas de GPS diferencial cinemática en tiempo real (RTK), se recopila información precisa sobre el nivel del agua en tiempo real a intervalos de seis minutos que cumplen con los estándares de medición del nivel de agua NOS. Los sensores de movimiento de la boya proporcionan correcciones automáticas para los movimientos de boya inducidos por las olas. Varias pruebas de campo realizadas cerca de las estaciones del Sistema de Medición de Nivel de Agua de Nueva Generación (NGWLMS) de NOS muestran que la diferencia de raíz cuadrada media (RMS) entre los dos sistemas es de aproximadamente 2 cm (Earle et al., 2005, p.2).

2.2.1.3.

Caso de Estudio Chile:

González-Acuña y Arroyo-Suarez (2012) indican que: luego de haber comparado data batimétrica convencional y levantada utilizando antenas GPS y no mareógrafos, el promedio de diferencia entre un levantamiento convencional y un levantamiento reducido por el método de marea GPS, está alrededor de los 10 cm, en Bahía Concepción y Golfo Arauco.

30

2.3. Marco Metodológico.

Dentro del marco metodológico se detallarán las metodologías y formulas empleadas para el desarrollo de los levantamientos hidrográficos, de manera convencional, así como utilizando el método de reducción por marea GPS.

2.3.1.

Levantamiento Convencional.

Es el más común de los métodos, mismo que es avalado por la OHI, donde se posiciona en dos dimensiones: latitud (eje Y) y longitud (eje X). Para las profundidades (eje Z), el sondaje adquirido es reducido al plano de referencia vertical o dátum de la carta denominado NRS, mediante la aplicación de mareas observadas por un mareógrafo, instalado en la costa y de ser posible en el área de trabajo o lo más cercano al mismo (Marina de Guerra del Péru, 2013).

Para utilizar los datos de marea en la reducción de sondas, se extrapola las características de marea desde los mareógrafos hacia el área del levantamiento. Esta medición de la marea debe ser de mínimo 29 días, correspondientes al ciclo Lunar (Marina de Guerra del Péru, 2013). Para el procedimiento de reducción de sondas se utiliza la siguiente ecuación: “Profundidad en Carta = Profundidad Observada + Profundidad Transductor – Marea NRS.” La misma que se puede evidenciar en el gráfico de la figura 9:

Figura 9 Levantamiento Convencional

31

2.3.2.

Levantamiento Marea GPS.

Como ya se conoce, los datos de profundidad obtenidos por medio del ecosonda, son posicionados con ayuda de sistemas GNSS (sistema global de navegación por satélite), por lo tanto, las posiciones obtenidas poseen una altura referente al elipsoide, llamada altura elipsoidal (Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 2020).

En ese sentido, el Instituto Hidrográfico de la Marina de España indica que una vez conocida la diferencia entre Cero Hidrográfico (nivel de reducción de sonda) y elipsoide, y dentro de una zona dentro de la cual se pueda considerar constante, se puede reducir cualquier altura al cero hidrográfico a partir de las alturas elipsoidales (Instituto Hidrográfico de la Marina de España, 2012).

El registro de datos tanto de profundidad, como de posición (con su respectiva altura elipsoidal), son almacenados por el sistema de levantamiento hidrográfico de la embarcación. Cabe indicar que, para poder aplicar este método, se debe disponer de la distancia de separación entre el elipsoide de referencia y el dátum de la carta (NRS), esta separación es conocida como “Modelo de Separación (SEP)” (González-Acuña y Arroyo-Suarez, 2012).

De igual forma; la Dirección de Hidrografía de la Marina de Guerra del Perú deja muy en claro que es posible obtener una marea local utilizando equipos de posicionamiento satelitales; no obstante se hace impresincidible conocer un modelo de las diferencias entre el elipsoide de referencia, el WGS84 y el datum vertical (Marina de Guerra del Perú, 2020).

Tanto la información de profundidades adquiridas por el transductor como el posicionamiento de la antena GPS, son trasladadas al punto de referencia de la embarcación. Entregando así una medición directa desde el elipsoide al fondo marino (ver Figura 10).

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Figura 10 Levantamiento con Marea GPS.

Marea GPS = Altura GPS – SEP + Offset antena + Calado Dinámico – Heave

2.3.2.1.

Modelo de Separación SEP

Es un dato fundamental en el método marea GPS, donde la creación del mismo consiste en ajustar un “Modelo Geoidal” del área de interés. Para esto existen en internet datos acerca de modelos geoidales globales que se pueden utilizar en este cálculo, siendo el caso del Modelo Geopotencial Global Earth Gravitational Model 2008 (EGM-2008), publicado por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial de Estados Unidos (NGA), que entrega una resolución de 1’x1’ (González-Acuña y Arroyo-Suarez, 2012).

Dentro del desarrollo del modelo SEP se determinan parámetros como: 

“N” Ondulación Geoidal, obtenida a partir del Modelo Geoidal y diferencia entre altura elipsoidal y el Nivel Medio del Mar (NMM).



Zoo, distancia entre el NNM y el NRS.



Residual de la ondulación geoidal, distancia entre el Modelo Geoidal y el NNM.

En la siguiente ecuación se puede ver la aplicación de los parámetros obtenidos: SEP = N (del modelo geoidal) + Residual – Zoo.

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Idealmente este modelo de separación SEP, se debería calcular conociendo las diferencias que existen entre el NMM y el Geoide de referencia en toda el área de levantamiento, sin embargo, en el presente estudio, al no existir formas de obtener el nivel medio del mar exacto en el área de trabajo, se asumirá e idealizará como NMM la superficie del geoide (González-Acuña y Arroyo-Suarez, 2012).

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3. Metodología Para poder cumplir con los objetivos especificos que cuadyuven al cumplimiento del objetivo general, es recomendable seguir una serie de etapas generales la cuales incluyen lo siguiente: 

Levantamiento y correcciones batimétricas del área de interés, de manera convencional.



Extracción de datos sin corrección de marea, del área levantada.



Procesamiento de datos crudos, relacionándolos con el método de “marea GPS”



Comparación de la data obtenida de forma convencional con la obtenida de marea GPS.



Análisis de la comparación realizada, respecto a su precisión batimétrica.

Por lo expuesto a continuación se puede observar de una manera más gráfica el área de estudio y el flujograma a seguir, a fin de cumplir el desarrollo del presente trabajo.

3.1. Fase I – Área de Estudio.

El pueblo de Jaramijó se encuentra ubicado al inicio de la Bahía del mismo nombre aproximadamente a 4 millas al noreste del Puerto de Manta, en latitud 00°56.7’ S y longitud 080°38.3’ W (WGS 84). También se la conoce como “Caleta de Pescadores” y está asentado a lo largo de la costa y sobre el cerro Jaramijó (Instituto Oceanográfico de la Armada, 2012).

Su principal actividad económica es la pesca y la segunda el turismo, el pueblo ha ido creciendo en su mayoría hacia el sur, acercándose al Puerto de Manta; se caracteriza por su bahia donde esta el puerto de pescadores. Esta bahía se extiende desde el sur de Crucita hasta Punta Jaramijó, aquí desemboca el río del mismo nombre (Instituto Oceanográfico de la Armada, 2012).

Las profundidades varían entre 2 y 4 metros hasta el veril de los 5 metros, este veril se encuentra a 0,30 millas náuticas de distancia de la línea de costa. Posteriormente se encuentra el veril de los 10 metros, a una distancia de 1,50 millas náuticas de la línea

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de costa y por último el veril de 20 metros, a una distancia de 2,5 millas náuticas de distancia (Instituto Oceanográfico de la Armada, 2012). En la figura 11 se muestra el área de estudio.

Figura 11 Área de trabajo

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3.2. Flujograma de trabajo

El motivo por el cual se realizó el presente estudio y se aplicó la metodología detallada en los numerales anteriores, obedece principalmente a generar conocimiento de la precisión y exactitud del método de levantamientos hidrográficos con reducción de marea con GPS respecto al método convencional o tradicional de trabajo que se utiliza para los levantamientos hidrográficos. En ese sentido, la aplicación de reducción de marea utilizando GPS, coadyuvaría a que se puedan realizar levantamientos hidrográficos en lugares y en momentos donde, tener un mareógrafo o una persona midiendo constantemente la marea sea dificultoso, permitiendo así a los estados ribereños obtener data batimétrica de alta calidad y con menos recursos.

Por lo expuesto en la figura 12, se puede observar el flujograma de trabajo para realizar la comparación respectiva, el cual, de manera general obedece al siguiente orden secuencial: primero se selecciona el área a trabajo, en aquella área se realiza un levantamiento convencional con sus respectivas correcciones (X, Y, Z), luego de aquello se utiliza la data batimétrica cruda únicamente con las correcciones en X y en Y, a fin de aplicar la marea GPS en la corrección Z. Como se puede observar, como resultado de los procesos indicados anteriormente se obtendrían 02 productos (uno con corrección en Z tradicional y otro con corrección en Z con marea GPS); luego de aquello ambos resultados son comparados a fin de darle valor hidrográfico al levantamiento corregido mediante marea GPS. Lo detallado en los párrafos anteriores se puede evidenciar de una mejor manera en el siguiente flujograma de trabajo; el cual está desarrollado por fases:

37

Figura 12 Flujograma

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3.3. Fase II - III – Levantamiento Batimétrico Convencional y resultados.

El levantamiento se efectuó a una escala de 1:12500, donde la separación de líneas principales fue de 50 metros; para determinar el nivel de confianza del levantamiento se ejecutaron líneas de comprobación cada 1000 metros (vease figura 13), las que fueron planificadas perpendiculares a las líneas principales, utilizándose como plataforma de investigación las Lanchas Hidrográficas (L/H) Procyon, Pollux y Alnilán (vease en la figura 14).

Figura 13 Levantamiento Batimétrico

L/H. PROCYON

L/H. POLLUX

L/H. ALNILAN

Figura 14 Lanchas Hidrográficas (2020)

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Los datos batimétricos se recolectaron a través del software hidrográfico HYPACK versión 2012, las sondas fueron corregidas por los siguientes parámetros: calado de las embarcaciones, las variaciones producidas por efectos del sonido en la columna de agua y por variación del nivel del mar durante el levantamiento.

Para las correcciones de las sondas por efectos de las mareas, se observó la regla de mareas colocada en el muelle artesanal de Jaramijó; todos los datos batimétricos fueron reducidos al MLWS (Mean Low Water Spring) o NRS. De igual manera cada embarcación detallada en la figura 13 realizó distintas áreas de levantamientos, con base en la disponibilidad de las mismas, en el ANEXO A, se muestra de manera general el levantamiento espacial de cada una de las embarcaciones.

3.3.1. Corrección horizontal (X,Y).

Cada embarcación posee un sistema de posicionamiento DGPS (GPS diferencial), sin embargo, esta precisión OBTENIDA no es la adecuada en lo que respecta a posicionamiento de sondas. Para corregir la posición del buque existen métodos como son el Post proceso, geoestacionario y RTK (Real Time Kinematic), siendo este último el usado en el levantamiento convencional.

La técnica de posicionamiento RTK se basa en la medición de las señales transmitidas por los sistemas globales de navegación por satélites GPS, Glonass y Galileo en una estación de referencia o base (RECEPTOR SATELITAL UBICADO EN PUNTO CON COORDENADAS CONOCIDAS EN EL CONTINENTE) y provee correcciones instantáneas para estaciones móviles (BUQUE), lo que hace que la precisión obtenida se llegue al nivel centimétrico.

Esto permite que las estaciones móviles calculen sus posiciones con precisión centimetrica, esta técnica exige la disponibilidad de por lo menos una estación de referencia, con las coordenadas conocidas y ésta dotada de un receptor GNSS y un módem de radiotransmisor. La estación genera y transmite las correcciones

40

diferenciales para las estaciones móviles. La monografía del vértice usado en el levantamiento se puede apreciar en el ANEXO B.

3.3.2. Corrección vertical (Z).

Por motivos que en el balneario de Jaramijó, no existe una estación mareográfica permanente, se dificulta el cálculo del Nivel de Reducción de Sonda (NRS), así como el conocimiento de la marea para poder corregir los datos de batimetría obtenidos durante el levantamiento. Al existir estas deficiencias, se procede a optar por otras técnicas, con el fin de suplir las necesidades críticas del levantamiento.

Para obtener el valor del NRS, en el área de interés, se procede a relacionar los datos de marea obtenidos de las estaciones fijas aledañas, ubicándose éstas en el puerto de Manta y en el puerto de San Mateo, como se muestra en la figura 15.

Figura 15 Estaciones de Marea en San Mateo y Manta, punto de colocación de regla de marea. (Google Earth, 2020)

Por lo expuesto, luego de procesar la información de mareas, junto con el traslado de niveles de reducción, se logró determinar el nivel de reducción de sonda para la localidad de Jaramijó. El NRS para el balneario de Jaramijó se estableció en 1.32 m por debajo del MLWS.

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De igual manera luego de tener establecido el NRS, ahora es imprescindible que durante el levantamiento se mantenga la medición de la marea, para luego poder corregirla al NRS ya establecido, sin embargo como se mencionó en párrafos anteriores, en la localidad de Jaramijó no existe una estación mareográfica lo cual obliga a la entidad responsable del levantamiento a colocar un mareógrafo temporal o realizar la medición de marea por medio de una regla de marea, durante el levantamiento, siendo esta última opción la que se empleó.

Con el fin de conocer la marea que se aprecia durante el levantamiento, y al no existir un mareógrafo para instalar, se procedió a colocar una regla de marea en el muelle artesanal de Jaramijó ( Lat 00º 11´ 16.6" S - Long 080º18´ 2.03" W), se realizaron registros del nivel del agua sobre la regla, en intervalos de 10 minutos durante el sondeo. Para el establecimiento de la ubicación de la estación de marea se tomó en consideración las facilidades portuarias de la zona (rompeolas en el sitio Muelle Artesanal de Jaramijó), así como la presencia de cotas en la cercanía con respecto al nivel medio del mar, como se muestra en la figura 16.

Figura 16 Regla de Marea Instalada en el Muelle Artesanal de Jaramijó.

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En el ANEXO C se muestran, las medidas observadas cada 10 min, en el balneario de Jaramijó, fin corregir los datos de marea.

3.3.3. Fase III - Procesamiento y resultados obtenidos

en

levantamiento

convencional.

Para realizar el procesamiento en gabinete, es importante recopilar todos los datos batimétricos recolectados en el campo, se aplica la herramienta de haz simple en el Software Hypack, con la finalidad de realizar las correcciones a la profundidad (sin corrección), por medio de los datos de calado, velocidad del sonido y mareas. En la figura 17 se observa el interfaz de procesamiento de datos.

Figura 17 Procesamiento de datos. (2020)

Posterior a la aplicación de todas las correcciones al sondaje y eliminados los datos dudosos se procede a realizar el análisis estadístico, entre las líneas de sondaje principales y las líneas de comprobación para determinar el nivel de confianza de la batimetría realizada en el área de trabajo. Una vez realizado el análisis estadístico se aprecia que el sondaje realizado se encuentra dentro del 95% de nivel de confianza aceptable, según la OHI en su publicación S-44.

Luego de saber que los datos obtenidos son válidos y con el nivel de confianza adecuado, es importante saber que, por las características del levantamiento, el mismo

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está en la tolerancia dentro de un levantamiento 1b, acorde a la publicación S-44 de la OHI. En la figura 17, se muestran los valores de profundidad que se publicarán en la cartografía náutica ecuatoriana, obtenida mediante un levantamiento convencional, como se muestra en las figuras 18 y 19.

Figura 18 Carta de Jaramijó con Área Sondeada y el Continente.

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Figura 19 Carta de Jaramijó mostrado profundidades en formato RASTER.

3.4. Fase IV Levantamiento con marea GPS. El objetivo del levantamiento batimétrico con marea GPS es poder realizar el levantamiento batimétrico convencional, pero con la diferencia que la corrección de marea no se hace con mareógrafo o con regla de marea, sino que se hace bajo una serie de cálculos, donde intervienen datos como las alturas de las antenas de GPS que se encuentran en las embarcaciones, alturas elipsoidales, entre otros, para una mejor ilustración de la marea GPS, en la figura 19 se muestra un esquema de levantamiento por marea GPS.

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Figura 20 Esquema de la aplicación de la Marea GPS

En el esquema de la figura 20, los datos mostrados, expresados en metros son los siguientes: •

H= Altura de la antena GPS al nivel de referencia de la embarcación.

•

A= Altura de la antena GPS al elipsoide de referencia.

•

B= Profundidad obtenida por el transductor, sin corrección de marea.

•

N= Ondulación Geoidal. (Distancia entre el elipsoide de referencia y el geoide de referencia).

•

K= Distancia entre el NRS (Dátum de la carta) y el geoide de referencia.

•

CS= Profundidad de Carta.

Para llegar a obtener la profundidad de carta con base en el esquema mostrado en la figura 19, es necesario resolver la siguiente ecuación para cada sonda obtenida, por el transductor: CS = B - ( A – H ) + ( N – K ) De igual forma y para fines académicos en el presente trabajo académico se limitará un área regular del área de interés a partir de la cual se harán los cálculos. Dicha área está limitada

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en las siguientes coordenadas que muestran en la figura 21

Figura 21 Área de Interés para cálculos de marea GPS

3.4.1. Variables de la Ecuación Marea GPS.  Altura de las antenas (H) Todos los equipos utilizados dentro de la embarcación para realizar un levantamiento, deben ser situados espacialmente respecto al punto de referencia de la nave, el cual preferiblemente debería estar ubicado en el transductor, al conjunto posiciones de cada uno de los equipos respecto al punto de referencia se los llama “offsets de construcción”, a continuación, se muestran cada uno de los offsets de construcción de cada lancha empleada en el levantamiento, misma que puede ser visualizada en las figuras 22,23 y 24.

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LANCHA HIDROGRÁFICA PROCYON

Figura 22 Offsets de Construcción L.H Procyon

LANCHA HIDROGRÁFICA POLLUX

Figura 23 Offsets de Construcción L.H Pollux.

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LANCHA HIDROGRÁFICA ALNILAN

Figura 24 Offsets de Construcción L.H Alnilan

 Alturas elipsoidales (A).

Ya que el sondaje fue realizado por tres embarcaciones distintas, es necesario saber las alturas elipsoidales obtenidas por cada lancha, ya que éstas poseen distintas alturas de antenas y fueron sondadas en distintos tiempos, como se muestra en la figura 25.

Figura 25 Alturas elipsoidales del levantamiento (A)

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 Profundidad sin Corrección de Marea (B).

La profundidad sin corrección de marea, es obtenida directamente del transductor de las embarcaciones, las únicas correcciones que esta posee, son las referentes a los offsets de construcción, la velocidad del sonido en el agua y el calado, como se muestra en la figura 26.

Figura 26 Profundidad Bruta (B)

 Ondulaciones Geoidales (N).

Como se indicó a inicios de este trabajo académico, se usará un geoide global, empleando los valores de ondulaciones geoidales del modelo EGM08, ya que es este el más actual y presta una mejor resolución en comparación al EGM96, siendo de 1’x1’ y 3’x3’ cada uno respectivamente. En ese sentido se utilizó el software “AllTrans EGM2008 Calculator versión 1.2”, como se muestra en la figura 27.

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Figura 27 Ondulaciones Geoidales (N)

3.4.2. Procesamiento de marea GPS. Para lograr obtener los resultados de batimetría, por medio de la técnica de “Marea GPS”, se aplica la siguiente fórmula, ya descrita: CS = (B - (A – H)) + (N – K) Para el desarrollo de la fórmula, el primer paso que se realizó, fue disminuir las alturas elipsoidales al nivel de referencia de cada embarcación; para eso se usó la herramienta “Raster

Calculator”

de

ArcGis

Pro;

disminuyendo

las

siguientes

alturas

respectivamente: 1. Pollux: 2.4 m 2. Alnilan: 2.27 m 3. Procyon: 2.4 m El procesamiento se muestra en la figura 28 en donde se consideran las alturas elipsoidales.

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Figura 28 Alturas elipsoidales restado de altura de antena

Posterior a obtener el resultado de A-H, se procede a restar este resultado de las profundidades obtenidas por la embarcación, como se muestra en la figura 29: B - (A – H)):

Figura 29 Profundidad Bruta restado de A-H

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Los siguientes cálculos son fundamentales para el desarrollo del presente trabajo, ya que hasta ahora todos los datos obtenidos son adquiridos durante el levantamiento convencional. Por consiguiente, en las siguientes operaciones matemáticas, las ondulaciones geoidales cumplirán un papel muy importante. Como se mencionó en capítulos anteriores, la superficie del geoide se aproxima mucho al nivel medio del mar, por lo tanto, para realizar esta operación, al valor de N, hay que restarle la distancia que existe entre en el NMM y el NRS, es decir 1.46 + 1.32, en total un valor de 2.78m, como se muestra en la figura 30.

Figura 30 Ondulaciones Geoidales reducidas al Nivel de reducción de sonda

Para finiquitar el proceso se continúa, sumando los dos resultados obtenidos, con el objetivo de tener la profundidad de carta, como se muestra en la figura 31.

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Figura 31 Profundidad Marea GPS

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4. Resultados y Análisis.

4.1. Resultados.

Con el fin de comparar los valores de sonda con el método convencional y con el método marea GPS; a continuación, se muestran dos mapas en raster en el cual se evidencian los resultados de la batimetría obtenida por los dos métodos, como se muestra en las figuras 32 y 33.

Figura 32 Valores de Sonda Obtenidos por Marea GPS

Figura 33 Valores de sonda obtenidos por el método convencional.

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Para realizar una comparación más gráfica entre los resultados obtenidos entre ambos métodos de levantamientos hidrográficos, se proceden a trazar lineas (perfiles) en los cuales se comparará los resultados de ambos métodos en un plano gráfico de excel.

Los perfiles A y B, seran expresados en gráficos “X” y “Y”, siendo “X” la ubicación en el perfil (de izquierda a derecha) y “Y” la profundidad; asimismo los perfiles C y D seran expresados en gráficos “X” y “Y”, siendo “X” la ubicación en el perfil (de arriba hacia abajo) y “Y” la profundidad.

Es importante indicar que el raster mostrado en la siguiente imagen es solo referencial de la ubicación de los perfiles; más no tiene valor númerico de profundidad (vease en las figuras 34-38)

Figura 34 Perfiles batimétricos planteados.

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Perfil A Eje X: Ubicación en el perfil.

Eje Y: Profundidad

Figura 35 Perfil Batimétrico A

Perfil B Eje X: Ubicación en el perfil.

Eje Y: Profundidad

Figura 36 Perfil Batimétrico B

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Perfil C Eje X: Ubicación en el perfil.

Eje Y: Profundidad

Figura 37 Perfil Batimétrico C

Perfil D Eje X: Ubicación en el perfil.

Eje Y: Profundidad

Figura 38 Perfil Batimétrico D

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Para valorar las sondas de Marea GPS en el marco estandar de la OHI, se procederá a conocer los valores de incertidumbre tolerable del levantaiento convencional y posteriormente se analizará si los valores de Marea GPS se enmarcan dentro de estos valores de incertidumbre.

Para el cálculo del TVU, utilizamos los parámetros de “a” y “b” indicados en la publicación S-44, cuyos resultados indicarán la máxima incertidumbre permitida en función de la profundidad, es decir cada valor de sonda tendrá un valor de incertidumbre permitido.

El cálculo se realiza a partir de la siguiente ecuación: = ±√𝑎2 + (𝑏 × 𝑑)2 Siendo “d”, el valor de sonda.

Del método convencional, levantamiento de orden 1B, se calcula el valor de TVU, a partir de los siguientes parámetros: a= 0,5 b= 0,013 d= Los valores profundidad, mostrados por el raster.

Consideraciones que pueden evidenciarse en la figura 39.

Figura 39 Incertidumbre Total Vertical

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Lo anterior expresa e indica que los maximos valores tolerables de incertidumbre que se pueden encontrar en el levantamiento convencional corresponden a ±0.50 y ±0.62, dichos valores varian de acuerdo a la profundida. Una vez conocidos esos valores de incertidumbre; ahora se hace necesario conocer en que rangos esta la diferencia entre los levantamientos de marea GPS y levantamiento convencional ( vease figura 40).

Figura 40 Diferencia entre método convencional y con Marea GPS

Como se puede observar; la diferencia entre un metodo y otro varia entre -18.43 y 4.36; por consiguiente es necesario clasificar el raster detallado; para conocer que sondas se encuentran entre los valores de incertidumbre tolerables; para el presente caso se utilizará el valor de incertidumbre más exigente (el de la profundidad más somera) ±0.50 m. Esto quiere decir diferencias que se encuentren entre valores superiores a +0.50 m e inferiores de –0.50 m seran consideradas como valores no tolerables. Por consiguiente solo sera valido un valor que tenga como maximo ±0.50 m. (Vease figura 41)

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Figura 41 Valores de Sonda tolerables y no tolerables del método marea GPS

De los resultados obtenidos se desprende que el raster está formado por 30,673 pixeles, de los cuales 29,149 pixeles se enmarcan con valores entre ±0.50 m; eso quiere decir que el 95,03% de los datos obtenidos por el método “marea GPS”, estan dentro de los rangos tolerables y se encuentran dentro de la norma; por consiguiente tienen su valor hidrográfico se enmarca en un levantamiento de orden 1b.

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4.2. Análisis de los resultados.

Para verificar los resultados obtenidos es necesario analizarlos y correlacionarlos con los objetivos específicos y el objetivo general, así como con las preguntas de investigación.

Por lo expuesto y con el objetivo de llevar un marco lógico científico de los resultados, se deja en claro que el objetivo general del presente trabajo es “Contrastar la precisión que aporta el método marea GPS respecto al método convencional, en un sector del balneario de Jaramijó.” Por consiguiente, para el cumplimiento de dicho objetivo es necesario cumplir ciertos pasos, como, por ejemplo, describir las características del lugar donde se va a realizar el trabajo, obtener los valores de profundidad por método convencional, obtener los valores de profundidad por el método marea GPS, comparar ambos resultados y finalmente verificar si aquellos resultados obtenidos por el método “marea GPS” tienen valor hidrográfico o no.

Los pasos indicados anteriormente deben ser descritos en forma de objetivos específicos, los cuales al cumplirse automáticamente cumplirían el objetivo general; por lo expuesto a continuación se puede evidenciar los objetivos específicos del trabajo y el alcance que se obtuvo en cada uno:



Caracterizar la geografía del balneario de Jaramijó: Como se detalló en el numeral 3.2 de este documento, Jaramijó se encuentra ubicado al inicio de la Bahía del mismo nombre aproximadamente a 4 millas al noreste del Puerto de Manta, en latitud 00°56.7’ S y longitud 080°38.3’ W (WGS 84). Como se evidenció las profundidades varían entre 2 y 4 metros hasta el veril de los 5 metros, este veril se encuentra a 0,30 millas náuticas de distancia de la línea de costa. Posteriormente se encuentra el veril de los 10 metros, a una distancia de 1,50 millas náuticas de la línea de costa y por último el veril de 20 metros, a una distancia de 2,5 millas náuticas de distancia. Como se pudo apreciar las profundidades son regulares y favorecen al ingreso de embarcaciones menores, sobre todo las de pesca artesanal.

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

Determinar los valores de sonda con métodos convencionales y método marea GPS, en el sector del balneario Jaramijó – Ecuador: De los resultados obtenidos se pudo evidenciar que en el área de interés las profundidades por método convencional se encuentran entre los 2.77 m y 28.94 m; por otro lado, por método de marea GPS las profundidades se encuentran entre 1.76 m y 42.9182 m



Comparar los valores de sonda con métodos convencionales y con método de marea GPS: Como se pudo observar en la diferencia entre los valores obtenidos por el método convencional y el método de marea GPS, el método marea GPS se adapta muy bien en los levantamientos batimétricos, exceptuando ciertas profundidades que discrepan en relación con el método convencional. Esas diferencias se pueden apreciar principalmente en el sector norte del área de interés. Dicha discrepancia pudo haberse debido a pérdidas de señal en los receptores GPS; situaciones que ameritarían estudios posteriores.



Valorar las sondas de Marea GPS obtenidos, en el marco estándar de la Organización Hidrográfica Internacional: Si bien, los resultados obtenidos en el método marean GPS tienen una similitud en su comportamiento con el método convencional; no obstante, el hecho de que se enmarquen en gran porcentaje en los grados de incertidumbre tolerables; le da un peso y/o valor hidrográfico a los resultados obtenidos por el método marea GPS.

Es importante indicar que en el desarrollo del presente trabajo los sistemas de información geográfica son en la herramienta fundamental con la cual se puede aplicar la metodología de comparación entre ambas formas de obtener datos hidrográficos, en vista que los valores de profundidad son puntos geográficos.

Asimismo, el alcance que se obtuvo de cada uno de los objetivos específicos facilitó el cumplimiento del objetivo general y permitió demostrar numéricamente la metodología de “marea GPS” para el sector de Jaramijó tiene valor hidrográfico.

Adicionalmente se observa que, si bien los resultados que se muestran en el presente trabajo son satisfactorios, se debe considerar que es un método que

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depende mucho de la morfología de la Tierra donde se aplique este método, es decir del geoide que se emplee

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5. Conclusiones y Recomendaciones 5.1. Conclusiones.

El presente trabajo e investigación se trata principalmente de la comparación de dos metodologías de levantamientos hidrográficos; una de ellas obedece a la metodología tradicional con reducción de sondas con la aplicación de mareógrafos y la otra corresponde a reducción de sondas con la aplicación de las alturas elipsoidales es decir con la medición de alturas por medio de los equipos de navegación satelital más conocidos como GPS. En el desarrollo del trabajo, se pudo evidenciar que el método por reducción con GPS brinda resultados muy favorables al compararlo con el método tradicional; e inclusive poseen valor hidrográfico al enmarcarse en la norma de la OHI; sin embargo, se pudo notar igualmente que el método depende bastante del constante y correcto funcionamiento del GPS, en vista que pudieron observar valores no acordes durante el levantamiento.

En lo referente a la hipótesis planteada; que textualmente indica “El valor de sonda obtenido por el método marea GPS, es igual al valor de sonda obtenido por el método convencional.” Se puede indicar que es afirmativa; en vista que los valores obtenidos se enmarcan en los valores hidrográficos de incertidumbres dictados por la norma de la OHI.

Finalmente; y con todos los resultados obtenidos se procede a contestar las preguntas de investigación: 

¿Cuáles son los valores de sonda obtenidos por el método convencional y el método Marea GPS respectivamente, en un sector del balneario de Jaramijó Ecuador?

Los valores de sonda obtenidos por el método convencional van desde los 2.77 m a 28.94 m; mientras que los valores de sonda obtenidos por el método “marea GPS” van desde los 1.76 m hasta los 42.91 m.

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

¿Cuál es el grado de precisión que aporta el método de marea GPS con respecto al método convencional, en el sector del balneario de Jaramijó – Ecuador?

Si bien en la pregunta anterior se indicó el rango de los valores de sonda de ambos métodos, los mismos que podría considerarse como muy distintos, es importante indicar que la tendencia del método “marea GPS” con respecto al método convencional es muy similar como se evidencia en las figuras 31 y 32, así como en los perfiles de las figuras 34,35,36,37; por lo tanto, es posible indicar que el grado de precisión es muy alto y que las altas discrepancias que se evidencian en ciertos puntos, posiblemente obedecen a fallas con los equipos en método de “marea GPS”. 

¿Cuál es el valor de las sondas, en el marco estándar de la Organización Hidrográfica Internacional?

Con base en los resultados obtenidos del levantamiento con metodología “marea GPS” y al enmarcarse dentro de los rangos tolerables según la OHI, se puede considerar a dicho levantamiento como de orden 2B.

5.2. Recomendaciones Con base en lo evidenciado en el presente estudio se recomienda desarrollar más comparaciones batimétricas con los dos tipos de metodologías en varias zonas costeras del Ecuador en vista que, el método de “marea GPS” depende significativamente del modelo geoidal el cual varía en cada parte de las costas ecuatorianas y no siempre el modelo se ajusta a la realidad del planeta Tierra.

Por otro lado, en concordancia con lo descrito en el párrafo anterior, es recomendable que se realicen los estudios gravimétricos, principalmente en la costa del Ecuador, así como en las aguas interiores y mar territorial del país, en vista que dichos estudios facilitarían que el Ecuador posea un modelo geoidal local, lo cual ayudaría de forma significativa a la aplicación del método “marea GPS” en el país.

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De igual manera, en el presente estudio no se utilizó un modelo de separación SEP ideal, ya que se consideró al NMM como la superficie del geoide. Por tal efecto se recomienda que para el empleo de esta metodología se utilicen mediciones del nivel medio del mar y alturas elipsoidales obtenidas en el área marítima del levantamiento, para así obtener varios datos en el área de interés y poder generar modelos de separación SEP más precisos.

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A-I

ANEXO A

ÁREA DE SONDAJE L/H POLLUX, 03JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H POLLUX, 04JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H POLLUX, 05JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H POLLUX, 06JUL-16

A-II

ÁREA DE SONDAJE L/H POLLUX, 07JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H POLLUX, 08JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H PROCYON, 03-JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H PROCYON, 04-JUL-16

A-III

ÁREA DE SONDAJE L/H PROCYON, 05-JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H PROCYON, 07-JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H ALNILAM, 04JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H ALNILAM, 05JUL-16

A-IV

ÁREA DE SONDAJE L/H ALNILAM, 06-JUL-16

ÁREA DE SONDAJE L/H ALNILAM, 07-JUL-16

B-I

ANEXO B

C-I

ANEXO C

C-II

C-III

C-IV

C-V

C-VI