El uso de satélites radar en aplicaciones marítimas: derrames de hidrocarburos

 

 

Me gusta soñar con la idea de que la teledetección es una forma antigua de lenguaje. Al fin y al cabo, la energía es la manera que tiene el universo de comunicarse y las palabras se pueden transformar en información que los humanos entendemos y usamos. Las ondas electromagnéticas han estado aquí desde que nació el universo y ahora somos capaces de diseñar sensores que capturan este lenguaje. Hace algunas décadas decidimos poner instrumentos en orbita apuntando hacia la tierra, para ayudarnos a entender lo que pasa en nuestro planeta, dando lugar a lo que hoy día llamamos Observación de la Tierra. Una imagen de satélite es el resultado de la interacción de ondas electromagnéticas con superficies naturales y artificiales. En el caso del Radar de Apertura Sintética (SAR), hablamos de un sensor activo que envía pulsos -en el rango de las microondas- hacia nuestro planeta y lee la cantidad de energía que es devuelta al sensor. Las superficies rugosas reflejan la energía en muchas direcciones, parte de la cual es registrada por el sensor, mientras que las superficies lisas tienden a actuar como un espejo, haciendo rebotar el pulso en una dirección alejada del sensor. Llamamos a este fenómeno retro-dispersión radar y normalmente viene representado en las imágenes en una escala de grises, donde el negro significa bajo nivel de energía devuelta al sensor y blanco alto nivel de energía devuelta al sensor. Cuando observamos zonas marítimas con sensores SAR, tenemos que ser conscientes de que este efecto es modulado por numerosos procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren en la superficie del océano.

[Internal waves in the strait of Gibraltar]

 

“De alguna manera, el sensor y el océano “hablan” entre si. Debemos aprender este lenguaje para entender que nos esta intentando indicar una imagen SAR”

Cuando tratamos de detectar derrames de hidrocarburos en el mar, nos aprovechamos del hecho de que las películas oleosas atenúan las ondas capilares superficiales. Las ondas capilares son pequeñas olas formadas por el viento con un tamaño del orden de pocos centímetros.  La atenuación de estas pequeñas ondas provoca un efecto “espejo” en la superficie marina, por tanto una región de baja retro-dispersión radar. Las manchas de petróleo suelen verse como una región de color gris oscuro o negro. Esta forma de visualización puede provocar 2 errores de percepción para observadores de la imagen: el primero, la asociación subconsciente de este color negro con el color negro al que estamos familiarizados en grandes derrames y accidentes. Desfortunadamente, películas de muy poco espesor pueden provocar una visualización similar, por lo que la oscuridad de los píxeles no otorga información acerca del espesor de la película o su cantidad. Los hidrocarburos tienden a esparcirse mucho cuando son derramados en el mar y solo las capas de gran espesor muestran este color negro cuando son observadas al natural. La segunda percepción engañosa proviene de interpretar que todos los pixeles oscuros de la imagen corresponden a una mancha de aceite mineral. Como se ha mencionado, numerosos procesos tienen la capacidad de modular la rugosidad superficial del mar, algunos de ellos creando patrones con apariencia similar a un derrame. El más común de ellos está asociado con la dimensión biológica de los océanos. Afortunadamente para nosotros, las aguas oceánicas están pobladas por plancton, lo que hace posible la vida en la tierra. Estas pequeñas criaturas intercambian sustancias químicas con su entorno, algunas de las cuales son aceites naturales que tienden a agregarse en la superficie en condiciones de calma. Estas películas naturales son muy comunes y son excelentes trazadoras de otros fenómenos físicos como los frentes oceánicos, los vórtices, los afloramientos de aguas profundas o las ondas internas. Por tanto, el análisis de imágenes SAR debe ser realizado con cuidado, información auxiliar y años de experiencia para entregar un resultado de calidad. La imagen a continuación muestra una imagen SAR tomada 3 meses antes del accidente del buque Wakashio en Islas Mauricio -izqda- y otra tomada la semana que el buque comenzó a derramar combustible al mar -dcha-, revelando como un bajo nivel de retro-dispersión no puede ser el único elemento tenido en cuenta para un análisis de calidad.

 

“A menudo, las peliculas naturales y los derrames de hidrocarburos coexisten en la misma imagen de satélite, lo que hace crucial que la interpretación sea realizada por un observador experto”

El próximo paso natural será convertir este proceso humano de interpretación en un proceso digital y automático, optimizando su escalabilidad. Las reglas del New Space imponen un modelo claro: reducción de costos, comercialización, innovación disruptiva, agilidad y flexibilidad. Siguiendo el ejemplo de otros mercados como la salud, las soluciones basadas en Inteligencia Artificial serán la norma en interpretación de imágenes. No obstante, necesitaremos radiólogos para enseñar a las máquinas como se identifica una determinada enfermedad en una imagen de Rayos-X. Los patrones del cerebro humano se transforman en patrones de un cerebro artificial, haciendo que el proceso sea ágil, preciso y escalable, gracias a los algoritmos de aprendizaje profundo (deep learning). Del mismo modo, la detección automática de derrames en imágenes SAR necesitará de expertos en oceanografía y teledetección con probada experiencia en la disciplina. Llamamos a esto Inteligencia Artificial basada en expertos y aunque etiquetar imágenes de cáncer de piel puede resultar mucho mas complejo que etiquetar imágenes de perros, gatos o coches, abre una oportunidad a la innovación disruptiva en la disciplina, brindando conveniencia, accesibilidad y rentabilidad donde la complejidad y el costo elevado se han convertido en el status quo.

Juan Peña Ibañéz
CEO Orbital EOS, Master en Teledetección y Analísis de Datos, Licenciado Oceanografía
info@orbitaleos.com