La Batimetría nació de la búsqueda de una navegación marítima segura y se define como la medición de las profundidades de un cuerpo de agua y la configuración del fondo marino, determinado por el análisis de perfiles de datos de profundidad. Estas mediciones han permitido mejorar sustancialmente la navegación a lo largo de la historia, abriendo nuevas rutas, permitiendo que las embarcaciones naveguen con más seguridad, así como también el establecimiento de puertos en las costas de un país e, incluso, ha sido un factor relevante en el desarrollo de combates y batallas navales, siendo un ejemplo claro el combate naval de Punta Gruesa, en la que el comandante de la Covadonga capitán de fragata Carlos Condell, decidió pasar sobre los bajos fondos en las cercanías de punta Gruesa, tocándolos ligeramente con la quilla, comprendiendo que su enemigo, de mayor calado, no pasaría por las rocas sin vararse. De esta forma, existen variados ejemplos en los que la batimetría demuestra su aporte a la navegación. Pero esta determinación de las profundidades, también considera estudios de la configuración del fondo marino y sus geoformas, permitiendo beneficios a través del conocimiento científico, como la identificación de volcanes submarinos, efectuando la rebusca de objetos sumergidos tales como, embarcaciones y otros elementos, la instalación de sensores, ya sea en la superficie a alguna distancia de esta en la columna de agua o en el lecho marino, además de ayudar a la comprensión de fenómenos físicos y químicos que ocurren en los mares, océanos y otros cuerpos de agua, como el estudio de fiordos, glaciales, erupciones submarinas, oleaje y corrientes, tsunamis, estudio de la biodiversidad de los océanos, cálculos y análisis de la posibilidad de generación de energía de alguna forma utilizando mareas y corrientes, convirtiéndose así la batimetría en un factor clave para cada actividad y estudio relacionado con cuerpos de agua.

Pero todo lo mencionado anteriormente, no ha sido posible desde los inicios de la batimetría. El avance tecnológico y la acumulación del conocimiento, ha logrado mejorar las técnicas que permiten la determinación de las profundidades, así como la calidad de los valores obtenidos, a través de métodos sistemáticos que involucran diferentes aspectos que serán abordados más adelante.

Cuando se habla de batimetría, automáticamente se asocia a un valor de profundidad (normalmente denominado “z”), siendo esta una distancia vertical desde un determinado nivel de agua al fondo marino. Dicho nivel de agua es llamado dátum de marea, conocido en Chile como Nivel de Reducción de Sondas (NRS), que corresponde a un plano vertical, asociado a la marea¹ de cada localidad, utilizado como referencia para la medición de la profundidad (Figura 1). Dicho plano puede ser definido de diferentes formas, lo que de acuerdo a la normativa de la Organización Hidrográfica Internacional (OHI), queda a criterio de cada país a través de su oficina hidrográfica. Para el caso de Chile, el dátum de marea utilizado en las cartas náuticas, corresponde al nivel más bajo de marea medido en la localidad en cuestión. En otro tipo de estudios y en países diferentes a Chile, los valores utilizados podrían corresponder al nivel medio de mar, la altura media de la pleamar más alta, o la marea astronómica más baja,² así como muchos otros. Para cada localidad el plano vertical será diferente, dependiendo del régimen de marea presente. Un dátum de marea será válido para una zona geográfica en la que no haya variaciones considerables en el rango y fase de la marea,³ cuya extensión podría ser de algunos cientos de metros hasta varios kilómetros. Lo anterior es relevante, debido a que el nivel de agua para una zona es variable (mareas, oleaje y otros factores lo modificarán constantemente) y, por lo tanto, es el dátum de marea lo que permite establecer una referencia única y común para los valores de profundidad obtenidos. Para el caso de Chile, al utilizar la marea más baja medida, se espera que, teóricamente, considerando que los cálculos de NRS se efectúan con suficientes datos de marea, no se debiesen encontrar valores de profundidad inferiores a los representados en una carta náutica.⁴

Figura 1: Principales planos de marea

Pero en realidad la distancia vertical desde la superficie hasta el fondo marino, por sí misma, no es suficiente, siendo necesario ubicar ese valor en el espacio y dado que el plano vertical de referencia es conocido (NRS), solamente se requiere asignar coordenadas sobre ese plano, utilizando normalmente coordenadas geográficas latitud (L o “y”) y longitud (G o “x”). Conociendo los tres valores de coordenadas (x, y, z), es posible generar una malla de puntos, cuya densidad estará dada por la técnica de adquisición de datos empleada. La acción de adquirir sistemáticamente valores de profundidad, es conocida como levantamiento batimétrico. Finalmente, para tener todos los parámetros necesarios durante un levantamiento, existe un cuarto valor que es fundamental y que permite integrar las coordenadas del plano horizontal (x, y) con las del vertical (z), siendo este el tiempo (nominado normalmente como “t”). Existen otros parámetros que cobran gran relevancia dependiendo de la técnica utilizada, los que serán analizados más adelante.

Obtención del valor de la profundidad

Estos cuatro parámetros (x, y, z, t) son fundamentales para la batimetría y siempre lo han sido. En un inicio, la medición de la profundidad se efectuaba de forma directa, es decir a través de un instrumento cuyo resultado es una medida de distancia (z), la que se asociaba a sus coordenadas horizontales a través del uso de la técnica de demarcación y distancia, los que eran integrados a partir de la hora exacta en la que se había medido la profundidad. El instrumento, conocido como escandallo (Figura 2), utilizado para la medición de la profundidad, consistía en un peso (plomada) amarrado a una cuerda graduada que se dejaba caer hasta tocar fondo, normalmente desde una embarcación, instante en el que se leía la profundidad en la cuerda. Este método permite obtener valores de profundidad de manera discreta, a lo largo de una línea de avance de la nave. No es un método muy eficiente ni preciso, pero permite conocer la profundidad a través de los cuatro parámetros fundamentales.

Figura 2: Escandallo o plomada, utilizada para la medición de la profundidad

Con el avance de la tecnología y el conocimiento,  a mediados del siglo XX, se comenzó a utilizar la propagación del sonido en el agua como método para la obtención de la profundidad, siendo ésta una forma indirecta para conocer de dicho valor. El   principio de funcionamiento, de forma resumida y simplificada, consiste en que al emitir un pulso sónico en dirección del nadir⁵ (posteriormente se verá que no es solamente hacia el nadir) mediante un transmisor, dicho pulso viajará a través de la columna de agua interactuando con el fondo marino, de lo que resultará una reflexión y dispersión, entre otros fenómenos propios de la acústica submarina. La energía reflejada en dicho proceso viajará de regreso y parte de ella será percibida por el receptor, obteniéndose como resultado una medición del intervalo de tiempo entre la transmisión y recepción del eco. Asumiendo que la velocidad de propagación del sonido en la columna de agua es conocida, la profundidad estará dada por la mitad del factor entre la velocidad del sonido y el intervalo de tiempo,

z=1/2 t*c, siendo “t” el intervalo de tiempo y “c” la velocidad del sonido.

Al comienzo, este principio se utilizó con lo que se conoce como ecosonda monohaz, que emite un pulso sónico en dirección del nadir, con una frecuencia tal, que permite obtener los valores de profundidad a lo largo del track de navegación, con lo que el resultado es una línea prácticamente continua de sondas (o profundidades). Hoy en día, esa profundidad se relaciona con la posición a través del parámetro tiempo “t”, con un GPS, que proporcionará las coordenadas en el plano horizontal, es decir, latitud y longitud. Con el paso del tiempo, la propagación del sonido fue implementada en diferentes equipos, con propósitos distintos. Los más utilizados corresponden al ecosonda monohaz, que ya fue explicado, el ecosonda multihaz y el Sonar de Rebusca Lateral (SRL). El ecosonda multihaz utiliza básicamente el mismo principio que el monohaz, pero en vez de emitir un solo pulso sónico en dirección del nadir, emite varios pulsos formando una especie de abanico que, al avanzar el buque, genera una cobertura batimétrica correspondiente a un área, mientras que como se mencionó anteriormente, el sistema monohaz permite conocer una línea de profundidades (Figuras 3, 4 y 5). En ambos casos, el equipo suele estar instalado en una embarcación, firme a la estructura de la nave como el casco, así como existen otros portátiles, que se pueden instalar y desinstalar de manera más sencilla en embarcaciones menores. En el caso del ecosonda multihaz, el conocimiento de la velocidad del sonido cobra mayor relevancia, ya que al ser los pulsos sónicos emitidos con diferentes ángulos, los ecos laterales recorrerán más distancia que los del nadir, amplificándose un error que se pudiese cometer al considerar un valor de velocidad del sonido erróneo. Por ejemplo, si se considera una velocidad del sonido característica⁶ de la zona sur de nuestro país, 1.470 m/s y suponiendo que un pulso sónico tarde 1s en ir y volver, aplicando la fórmula para obtener el valor z (profundidad), el resultado sería una profundidad de 735 m, mientras que, si consideramos para el mismo intervalo de tiempo una velocidad del sonido típica de la zona centro norte de Chile de 1.510 m/s, el resultado sería de 755 m, teniendo 20 m de diferencia en el nadir, incrementándose dicha variación hacia los haces laterales. Lo anterior es considerando la propagación del sonido en el agua de manera lineal, sin tomar en consideración los efectos de la ley de Snell⁷ y otros fenómenos que afectan la propagación de la onda.

Figura 3: Cobertura del fondo marino obtenida con un ecosonda monohaz

Figura 4: Cobertura del fondo marino obtenida con un ecosonda multihaz

Figura 5: Diferencia entre la densidad de información obtenida con batimetría monohaz versus multihaz

Dicho lo anterior, queda explícita la relevancia de una buena obtención y aplicación de los valores de la velocidad del sonido al momento de efectuar un levantamiento batimétrico, pudiendo variar considerablemente por diferentes factores, como la densidad y temperatura del agua, la incidencia del sol sobre el cuerpo de agua o el aporte de agua dulce desde algún río, descarga submarina o lluvias, motivo por el cual se debe medir constantemente para ser aplicado durante la adquisición de los datos. Existen diversos métodos para la obtención de este valor, siendo el más común, para los propósitos de la batimetría, a través de un SVP (Sound Velocity Profiler⁸), el que permitirá conocer la velocidad del sonido a lo largo de la columna de agua.

En la figura 6 se puede apreciar cómo el comportamiento de la velocidad del sonido varía en una misma localidad en profundidad, así como también entre distintas áreas geográficas, pudiendo notar diferencias substanciales en la velocidad de propagación en la superficie, así como en su comportamiento a lo largo de la columna de agua, lo que afectará directamente el comportamiento de los pulsos emitidos por los ecosondas y, por lo tanto, los valores de profundidad obtenidos a partir de las mediciones batimétricas. Se debe notar que los gráficos poseen distintos umbrales de profundidad, siendo para cada caso la máxima profundidad a la que se efectuó la medición de velocidad del sonido.

Cabe destacar que existen otros métodos válidos que permiten obtener datos batimétricos, tales como LIDAR, derivación batimétrica a partir de imágenes espectrales, sonar de barrido lateral interferométrico, sonar de apertura sintético, entre otras tecnologías que se encuentran en desarrollo, no obstante las técnicas descritas, a partir de ecosondas monohaz y multihaz, son las que actualmente utiliza el Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada.

Figura 6: Gráficos de los datos de velocidad del sonido versus profundidad, obtenidos en Iquique, Concón, Bahía Anna Pink y Seno Otway durante levantamientos batimétricos (en el eje de las abscisas, o eje X, se representa la velocidad del sonido en metros por segundo y en el eje de las ordenadas, o eje Y, la profundidad en metros)

Representación de la batimetría en las cartas náuticas

Habiendo entendido cómo se obtienen los valores de profundidad de manera correcta a través de sonares y los parámetros principales que componen los datos batimétricos, será más sencillo entender la representación de estos en una carta náutica con el propósito de obtener el mejor rendimiento posible a la información batimétrica mostrada en la cartografía.

Considerando lo que se aprecia en la figura 5, es posible identificar que no es factible representar toda la información batimétrica disponible en una carta náutica, ya que el espacio es reducido y cada valor de profundidad debe verse claramente, permitiendo al navegante identificar elementos de importancia (si se intentara representar todos los valores de profundidad el resultado sería una gran mancha de color ilegible), por lo que existen diferentes herramientas que permiten simplificar la información batimétrica con el objetivo de hacerla útil y no una molestia. La primera herramienta son los veriles,⁹ con lo que se evita representar repetidamente un valor de profundidad, además de generar áreas o rangos de profundidades, por ejemplo en un área en que la información batimétrica provenga de un levantamiento con ecosonda multihaz, si una embarcación se encuentra entre un veril de 20 y 50 m, sabrá que no encontrará profundidades superiores a los 50 ni inferiores a los 20 m, sin la necesidad de haber valores (números) discretos de profundidad. La siguiente herramienta corresponde a una simplificación, haciendo una supresión de sondas, en la que se establece un radio representativo del valor, que dependerá del rango de profundidad en el que se encuentre, dejando solamente valores representativos separados por la distancia establecida, teniendo en cuenta que entre un valor y otro consecutivo, no habrá una profundidad menor que las más baja de las dos. Estos procedimientos se ejecutan con toda la batimetría de un sector, independiente de la metodología de obtención, teniendo siempre presente las diferencias entre los métodos. Así, la información continua proveniente de diferentes fuentes, se despliega en una carta náutica como información discreta, pero representativa del área, privilegiando siempre la seguridad a la navegación. Lo anterior se ilustra en las figuras 7, 8 y 9, en la que se representa la carta SHOA N° 7.322 Bahía Chincui, 1ª ed. 2019, con diferentes densidades de información batimétrica, permitiendo apreciar que en caso que se pretendiera representar toda la información batimétrica existente, no sería posible leer los valores de profundidad y, por lo tanto, no cumplirían su función.

Figura 7: Carta Náutica SHOA N° 7.322, en la que se ha superpuesto la superficie batimétrica completa, tanto monohaz como multihaz, en la que cada pixel de la superficie (en la escala de colores, siendo los tonos rojos los valores más someros y los azules los más profundos) representa un dato batimétrico

Figura 8: Carta Náutica SHOA N° 7.322, en la que se ha superpuesto la minuta de sondaje batimétrica, tanto monohaz como multihaz, con una separación de sondas cada 2 mm, existiendo tan poca distancia entre un dato y otro que no es posible discriminar las profundidades (cada color corresponde a un rango de profundidades)

Figura 9: Carta Náutica SHOA N° 7.322, con la densidad de sondas final, en la que es posible discriminar las sondas representadas, habiendo utilizado veriles y supresiones

Sin embargo, no es suficiente conocer la cobertura batimétrica para entender la información que entrega una carta náutica, siendo relevante el origen de la información, que para la mayoría de los casos será multihaz o monohaz, pudiendo encontrar en algunos sectores batimetría obtenida con escandallo, denuncios u otras fuentes de información, las que si bien son menos precisas, son mejor que el desconocimiento absoluto de información. Con base en lo anterior, si se compara la cobertura batimétrica de un sector levantado con tecnología monohaz versus multihaz, es importante reconocer que, como se muestra en la figura 5, con la batimetría multihaz se conocerá prácticamente el 100% de los rasgos en el fondo marino (lo que corresponde a un valor teórico, pero que para efectos prácticos de seguridad a la navegación es factible afirmar¹⁰), mientras que con monohaz obtendré cobertura solamente por el track de navegación de la embarcación que efectuó el levantamiento, desconociendo lo que hay entre dos líneas de sondaje. Si bien es difícil identificar a qué tipo de levantamiento corresponde al observar los valores de profundidad, las cartas náuticas chilenas poseen un Diagrama de Origen de Datos (DOD) impresa en ellas (la cartografía publicada a contar del año 2005 posee el DOD), el que permite identificar claramente cuál es la fuente de origen de datos batimétricos de una determinada área, con clasificaciones predeterminadas que se encuentran establecidas en la Publicación SHOA Carta N° 1 “Símbolos, Abreviaturas y Términos Usados en las Cartas Náuticas”, 8va edición, año 2013, habiendo clasificaciones para sondajes multihaz, monohaz, sondaje exploratorio y área sin sondaje entre otros.

Figura 10: Diagrama de Origen de Datos de la Carta SHOA N°7322 “Bahía Chincui”, 1ª ed., 2019

Con todo esto, la información batimétrica que se representa hoy en día en las cartas náuticas producidas por el Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada (SHOA), es mucho más que solamente valores de profundidad de un área, teniendo estándares de calidad internacionales en cuanto a la calidad y precisión del dato, así como también a la representación de estos, obedeciendo a patrones que privilegiarán siempre la seguridad a la navegación, informando al usuario en todo momento a qué corresponde la información que se le está presentando, de modo que este pueda utilizarla de la mejor forma posible y obtener la máxima eficiencia del producto cartográfico.

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BIBLIOGRAFÍA:

1. Carta SHOA N°7322 “Bahía Chincui”, 1ª Ed., 2019.
2. https://www.vistaalmar.es/ciencia-tecnologia/ingenieria-innovacion/1176-ique-es-la-batimetria.html, consultado el 28 de enero de 2020.
3. International Hydrographic Bureau. 1996. Diccionario Hidrográfico, Publicación Especial nE 32. Mónaco.
4. International Hydrographic Bureau. 2006, Manual de Hidrografía, Publicación C-13, Mónaco.
5. Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada, 2019, Tablas de marea de la costa de Chile, Valparaíso, Chile.
6. Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada, 2013, Símbolos, Abreviaturas y términos Usados en las Cartas Náuticas, Carta N°1, 8va edición, Valparaíso, Chile
7. Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada, 1999, Instrucciones Oceanográficas N°2, Métodos no armónicos para el cálculo de los valores de marea, 2ª edición, Valparaíso, Chile.