INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN Título Hidrografía retrospectiva del Sistema Lagunar Huave mediante percepción remota. Presenta Monserrat López Yllescas Directores de tesis Dr. Salvador Isidro Belmonte Jiménez M. en C. Ma. de los Ángeles Ladrón de Guevara Comité Tutorial
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Delimitación del problema.....................................................................................................................................6
Material y métodos..............................................................................................................................................12
Trabajo de campo......................................................................................................................................12
Trabajo de gabinete...................................................................................................................................14
Marco conceptual…………………………………………………………………………………………………...
La mayor parte de los cuerpos sólidos no trasmiten radiación térmica, de modo que para
muchos de los problemas aplicados la transmisividad se puede tomar como cero; sin embargo,
cuando la radiación choca con una superficie se pueden observar dos tipos de fenómenos: uno se
da cuando el ángulo de incidencia es igual al de reflexión, denominándose reflexión especular, y otro
cuando el ángulo de incidencia se distribuye de forma uniforme en todas las direcciones después de
la reflexión, denominándose reflexión difusa (Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 2002; Shames,
1995; Levenspies, 1993).
Figura . Reflexiones: a. especular (1=2) y b. difusa.
Sin embargo, ninguna superficie real es especular o difusa a través de la gamma entera de
longitud de onda de radiación térmica y generalmente una superficie rugosa presenta con mayor 14
facilidad un comportamiento difuso que una superficie perfectamente lisa (Daily y Harleman, 1975;
Holman, 1999; Bird et al., 1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001).
Esta radiación térmica ocurre en un intervalo del espectro electromagnético de la emisión de
energía, donde cada quantum de energía radiante tiene una longitud de onda () y una frecuencia
asociada (). La radiación emitida puede deberse a variaciones en los estados electrónico,
vibracional y rotacional de los átomos o moléculas, y del total del espectro electromagnético sólo una
pequeña parte corresponde al calor (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al., 1992;
Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001; Anónimo, 2008).
Tabla. Formas de las ondas del espectro electromagnético
Caracterización Longitud de onda ()Rayos cósmicos <0.3 pmRayos gamma 0.3-100 pmRayos X 0.01-30 nm*Luz ultravioleta 3-400 nm*Luz visible 0.4-0.7m*Radiación del infrarrojo cercano 0.7-30 mRadiación del infrarrojo lejano 30-1000 mOndas en milímetros 1-10 mmMicroondas 10-300 mmOndas cortas de radio & TV 300 mm -100 mOndas largas de radio 100 m -30 km*Radiación térmica de 0.1-1000 m
Los distintos tipos de radiación mostrados en la Tabla. Se distinguen entre sí solamente por el
intervalo de longitudes de onda que comprenden; sin embargo, en el vacío todas las formas de
energía radiante se mueven con la velocidad de la luz, la relación entre la frecuencia y la longitud de
onda está dada por la ecuación (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al., 1992; Lienhard
IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001):
¿ c❑
Para algunas cuestiones es conveniente considerar la radiación electromagnética desde el punto de
vista corpuscular, para estos casos a una onda electromagnética de frecuencia se le asocia un
fotón o quanto, que es una partícula de carga cero y masa cero, cuya energía () viene dada por:
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¿h
Siendo h la constante de Plank (6.624x10-27ergs), entonces de acuerdo a lo anterior una
disminución de la longitud de onda de la radiación electromagnética da lugar a un aumento de la
energía de los fotones correspondientes también llamada emisión, por lo tanto, la energía radiante
emitida por objetos calientes tenderá hacia longitudes de onda más cortas, fotones de mayor
energía, a medida que aumenta la temperatura (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al.,
1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001).
Entonces la relación entre la radiación emitida o reflejada, absorbida y transmitida puede
escribirse para la energía transportada por cada longitud de onda en la distribución de longitudes de
onda que toman calor de cualquier fuente a cualquier temperatura (Daily y Harleman, 1975; Holman,
1999; Bird et al., 1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006): 1=❑❑+❑❑+❑❑
Hipótesis
Al comparar la batimetría obtenida del Sistema Lagunar Huave se observará una disminución
espacio-temporal en su profundidad.
Objetivo
Caracterizar la hidrografía del Sistema Lagunar Huave espacio-temporalmente utilizando percepción
remota.
Objetivos específicos
Obtener un perfil batimétrico del Sistema Lagunar Huave con medidas in situ.
Procesar imágenes satelitales tipo Landsat para conocer los niveles medibles de la energía
reflejada desde el fondo del Sistema Lagunar Huave relacionada con la batimetría.
Obtener un modelo exponencial de auto-correlación espacial de batimetría del Sistema
Lagunar Huave.
Determinar variaciones espacio-temporales de la hidrografía y batimetría del sistema
lagunar.
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Materiales y métodos
Para conocer la batimetría del Sistema Lagunar Huave se llevará a cabo un levantamiento
batimétrico, y para hacer la comparación espacio-temporal de la misma se utilizará percepción
remota. Por lo cual el trabajo se llevará a cabo en dos fases:
Trabajo de campo
I. Muestreo batimétrico
Para la obtener del perfil batimétrico del Sistema Lagunar Huave se llevará a cabo un muestreo
sistemático simple en el cual se obtendrán medidas in situ de la profundidad del fondo de cada
laguna, el levantamiento hidrográfico básico se obtendrá a fin de poder hacer la comparación de
imágenes satelitales y utilizando cartas topográficas del INEGI. Se propondrá un método de líneas
rectas, paralelas y perpendiculares, tomando en cuenta la morfología de cada laguna dentro del
sistema con ayuda del programa ArGIs 9.3 para obtener un mapa de navegación en el cual se
determinará el número de recorridos y transectos a muestrear.
Así mismo se obtendrá el levantamiento de la línea de costa in situ, y se determinará la
posición de la embarcación, respecto al mapa de navegación previamente elaborado, para proceder
a determinar la cota submarina correspondiente a cada punto y que se referirá a la bajamar
escorada mediante una Ecosonda tomando datos del fondo lagunar cada 5 segundos.
II. Mediciones puntuales de profundidad
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La profundidad de cada punto marcado en el mapa de navegación se obtendrá midiendo la distancia
vertical entre el nivel del agua y la superficie del fondo empleando un estadal de diez metros
graduado cada centímetro y un GPS (Global Positioning System) para la obtención de los datos en
planimetría de la altimetría en el sistema de coordenadas UTM para cada punto (Universal
Tranversal of Mercator).
III. Corrección por nivel de profundidad
Para obtener la cota correcta del punto obtenido se llevará a cabo la corrección por marea. El
estudio de marea se hará en las cercanías de la zona en la que se llevará a cabo el levantamiento
batimétrico para poder reducir los sondeos al dato o cota de referencia mediante dos muestreos, uno
en la temporada de secas y otro en el temporal de lluvias colocando un estadal graduado, cada
centímetro con altura de diez metros, en la parte más interna de cada laguna y se determinarán las
variaciones en la altura de marea.
IV. Muestreo de mareas
Se llevarán a cabo dos muestreos de mareas uno en mareas en sicigia (fase de grandes mareas que
se produce cuando el Sol y la Luna se hallan en línea recta con la Tierra, en luna nueva o luna llena)
y otro en mareas de cuadratura (fase de pequeñas mareas que se produce cuando el Sol y la Luna
forma un ángulo recto con la Tierra, en cuarto creciente o cuarto menguante) mediante un estadal
fijado en la línea de costa como regla de marea. Además de la obtención de la marea se registrará el
nivel medio del mar (cotas de los vértices), el nivel de la bajamar escorada (media-inferior) y la
unidad de altura, utilizando como planos de referencia a comparar los registros del Laboratorio del
Nivel del Mar del CICESE y los registros del Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM.
Por último, se representarán gráficamente sobre un plano los datos procesados y
procedentes de las medidas efectuadas anteriormente expuestas con ayuda del software Surfer 10.
V. Parámetros fisicoquímicos
Con el objeto de conocer disminuir el factor que pueden influenciar las reflectancia de las lagunas
costeras se llevará a cabo la recopilación del visibilidad in situ durante las fechas en que se lleve a
cabo el muestreo batimétrico, y el parámetro irradiacia se obtendrá de acuerdo a la fecha de la toma
de las imágenes. Se obtendrán datos las estaciones meteorológicas Salina Cruz y Reforma del
Servicio Meteorológico Nacional, y de las bases de datos del Centro de Ciencias de la Atmósfera y
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de CONAGUA para un análisis de los parámetros que pueden ser útiles en este estudio tales como:
temperatura superficial, radiación solar, velocidad y dirección del viento, calidad del agua, pH,
salinidad, humedad relativa, precipitación y sólidos disueltos totales.
Trabajo de gabinete
I. Creación de la base de datos de imágenes Landsat disponibles y selección de imágenes
Se dispondrán de imágenes Landsat (MSS, TM, ETM y OLIS) desde 1985 al 2013 a fin de recopilar
toda la información disponible y para su posterior selección, las cuales proceden de los archivos de
imágenes de Global Land Cover Facility (www.landcover.org) y la United States Geological Survey
(www.usgs.gov).
La información que se registrará en la base de datos de imágenes será el nombre del fichero y fecha
de la imagen, órbita y línea de la escena, satélite y sensor, procedencia, si está en formato original o
georreferenciada, tipo de proyección, datum, número de bandas, tamaño de la escena, formato,
tamaño de píxel, utilización o no de asistencia técnica y observaciones sobre la visibilidad de las
lagunas en la imagen y si se ha realizado o no la corrección radiométrica BOA.
II. Preparación de las imágenes para el análisis posterior (homogeneización de las
imágenes)
En este apartado se conseguirán imágenes satelitales tipo Landsat, se seleccionarán, y se revisará
si son geométrica y radiométricamente comparables. Generalmente, ya se encuentran
georreferenciadas en distintas proyecciones y sistemas de referencia, así como ortorrectificadas. Se
verificará la precisión geométrica de las imágenes mediante una serie de puntos distribuidos de
forma homogénea dentro de la zona de estudio, sobre los que se medirá su precisión cartográfica
utilizando cartas topográficas del INEGI, datos puntuales obtenidos en el levantamiento batimétrico,
los datos proporcionados por Cromwell (1984) con la ayuda del programa IDRISI Selva.
III. Extracción de la lámina de agua por percepción remota
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En la estimación de la profundidad la única información relevante la constituye el cuerpo de agua,
por lo cual es necesario enmascarar el resto de la imagen. De esta manera, los análisis
subsecuentes se aplicarán únicamente al medio acuático. Los cuerpos de agua absorben o
transmiten la mayor parte de la radiación electromagnética que reciben, dentro del rango visible,
siendo mayor la absortividad cuanto mayor es la longitud de onda. La mayor reflectividad para el
agua clara se produce por tanto en la banda azul, reduciéndose paulatinamente a medida que nos
desplazamos hacia mayores longitudes de onda: infrarrojo cercano e infrarrojo medio, donde la
reflectividad del agua es prácticamente nula. No obstante en aguas poco profundad el valor de
reflectividad es mayor, ya que a ello contribuye la reflectividad del fondo (Brenner, 1997).
Para la identificación de la lámina de agua en las lagunas probarán dos índices el Índice Hídrico
de Diferencia Normalizada (Brenner, 1997; Tragsatec, 2011), que es calculado en base a los niveles
digitales de las bandas 2 (verde (V), 520-600 nm) y 4 (infrarrojo medio (IRM), 1550-1750 nm)
mediante la aplicación de la ecuación IA25= (V-IRM)/(V+IRM). Los valores de éste índice varían entre
-1 y +1, dónde los valores superiores a cero corresponden al agua. Y el Índice Hídrico Normalizado
el cual se calcula a partir de las bandas 4 (infrarrojo cercano (IRC), 760-900 nm) y 5 (infrarrojo
medio, 1550-1750 nm). Este índice también oscila entre -1 y +1, pero aquí los valores más altos se
correlacionan con la presencia de agua. La fórmula es como sigue IA45=(IRC-IRM)/(IRC+IRM)
(Brenner, 1997; Castejón-López y González-Rojas, 2010; Tragsatec, 2011).
IV. Cálculo de la profundidad para las lagunas con imágenes Landsat
El procedimiento para estimar la profundidad se inicia con el ajuste de profundidad de los valores de
radiancia del agua (Brenner, 1997; Degioanni et al., 2002; Tragsatec, 2011). Esta función, que es
exponencial, se lineariza según la siguiente ecuación: Da,k=In(Ld,k-La,k), donde Da,k es la radiancia
ajustada por profundidad para la banda k, Ld,k es la radiancia detectada por el sensor en la banda k y
La,k es la radiancia correspondiente a sitios de agua profunda detectada por el sensor en la banda k.
esta transformación resalta los efectos del fondo, los cuales pueden ser visualizados mediante la
correlación entre bandas. Suponiendo a La,k constante y contando con datos de profundidad
conocidas, se pueden calcular los coeficientes de atenuación por profundidad (pk) y el efecto del
fondo (fk) mediante el desarrollo de modelos de regresión lineal entre los valores de radiancia
ajustados para cada banda (Da,k) y las medidad de profundidad (z), según la siguiente ecuación
(Degioanni et al., 2002):
z=−pk Da , k+f k
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Con los valores de pk y fk se estima la profundidad utilizando todas las bandas en conjunto o de
manera individual, aplicando la siguiente ecuación (Degioanni et al., 2002):
z=13∑k=n
3
¿(D¿¿a , k )−¿( f ¿¿k )
pk
¿¿
Donde z es la profundidad estimada en metros, Da,k es el valor de radiancia ajustada por
profundidad registrada por el sensor en la banda k, pk es el coeficiente de atenuación por
profundidad de la radiancia en la banda k y fk es el efecto del fondo sobre la radiancia de la banda k.
El volumen embalsado por laguna se calculará con el método del área media mediante la ecuación
(Degioanni et al., 2002):
S j+1=S j+(h j+1−h j)( A j+ A j+1)
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Donde, Sj+1 es el volumen almacenado correspondiente a la cota de profundidad j+1, Sj es el
volumen almacenado correspondiente a la cota de profundidad j, h es la distancia vertical entre las
cotas j y j+1, y A el área de base para las cotas de profundidad j y j+1. El volumen total resulta de la
suma de volúmenes (Sj+1) entre áreas de base para diferentes cotas de profundidad (Degioanni et
al., 2002).
El procedimiento anterior se llevará a cabo en el programa IDRISI Selva.
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Marco conceptual
Absorción: ocurre cuando la adición de energía radiante a un sistema atómico o molecular da lugar
a que el sistema pase a un estado más elevado de energía. Éste último proceso es el que tiene lugar
cuando la energía radiante incide sobre una superficie sólida, provocando su calentamiento (Bird et
al., 2002).
Energía electromagnética: es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio que se
puede atribuir a la presencia de un campo electromagnético, y que se expresará en función de las
intensidades de campo magnético y campo eléctrico; en un punto del espacio la densidad de energía
electromagnética depende de la suma de dos términos proporcionales al cuadrado de las
intensidades de campo.
Energía radiante: es la energía que poseen las ondas electromagnéticas (ej.luz visible, ondas de
radio, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos), la característica principal de esta energía es que se
propaga en el vacío sin necesidad de soporte material alguno. Se transmite por unidades llamadas
fotones los cuales actúan también como partículas (manual física general).
Energía térmica: Energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía
geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil, mediante energía eléctrica por
efecto Joule, por rozamiento, por proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos
mecánicos o químicos (Bird et al., 2002).
Entropía: Propiedad extensiva del equilibrio que describe la desorganización o incertidumbre en un
sistema; siempre debe aumentar o permanecer constante en un sistema aislado (Howell, 1990).
Emisión: fenómeno de emisión de energía radiante o fotones, cuando un sistema atómico o
molecular pasa desde un estado elevado de energía a otro más bajo (Bird et al., 2002)
Fluido: Sustancia que cambia su forma continuamente siempre que esté sometida a un esfuerzo
cortante sin importar que tan pequeño sea (Irving)
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Cronograma de ActividadesAño 2013 2014 2014 2015
Semestre SI SII SIII SIV
TESIS Redacción de Protocolo de Tesis •
Revisión de Bibliografía • • • •
Muestreo en campo •
Procesamiento de datos • •
Análisis de la información obtenida • •
Elaboración del escrito de Tesis • • •
Elaboración presentación • • • •
CRÉDITOS 4 materias (26 créditos) •
5 materias (28 créditos) •
Seminario/ (2 créditos) •
Seminario/Materia* (10 créditos) •
*Estancia/Movilidad académica: Centro de Investigación en Geografía y Geomática “Ing. Jorge L. Tamayo”, A.C. •
TITULACIÓN Registro de protocolo de tesis •
Revisiones • • • •
Tramite para defensa de tesis •
Examen de grado •Semestre Primero
Seminario de investigación IFenómenos de Trasporte en la Transformación de Recursos Naturales
Percepción RemotaModelación Matemática y Computacional de Medios Continuos
Tercer Semestre
Materias
*Opcional.
Seminario III
SegundoSeminario de investigación II
Economía de los Recursos NaturalesGeofísica Aplicada
Introducción a la HidrogeologíaProcesamiento de Señales y Sistemas Lineales
Cuarto Semestre Seminario IV Algebra Lineal
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Referencias
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