Técnicas Basadas en Sistemas de Vídeo Para La Determinación de Variables Hidrodinámicas en Ríos

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TÉCNICAS BASADAS EN SISTEMAS DE VÍDEO PARA LA DETERMINACIÓN DE VARIABLES HIDRODINÁMICAS EN RÍOS: MEDICIÓN E INSTRUMENTACIÓN Andrade Pedro, Delgado Javier, Mena Gabriela, Vásconez Johnny Espol. Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra,km 30.5 Vía perimetral, Guayaquil-Ecuador. Historia del Artículo RESUMEN Recibido: 30 de Julio del 2014 Debido a la necesidad de recopilar información hidráulica, con el fin de realizar adecuadas gestiones sobre los recursos hídricos; han surgido metodologías innovadoras basadas en sistemas de video y procesamiento digital de imágenes, los cuales poseen grandes ventajas frente a los métodos tradicionales además de permitir cuantificar sin contacto con el flujo, variables hidrodinámicas tales como velocidades de flujo y caudales. Este artículo se enfocara en técnica LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry); presentando en forma general sus componentes, características, toma de datos y procesamiento de las imágenes, para la determinación de la velocidad de flujo en un rio. Palabras Clave: LSPIV Orto-rectificación Sistema de video Procesamiento digital de imágenes INTRODUCCIÓN Obtener información y conocimiento sobre el comportamiento del agua es esencial para aplicaciones hidráulicas. Entre las aplicaciones más importantes podemos mencionar: balances de agua global, predicción de caudales, operación de embalses, calidad del agua, diseño de estructuras hidráulicas, manejo de aguas subterráneas, navegación fluvial, etc. Sin embargo, la realidad es que usualmente dicha información es escasa tanto en términos de tiempo y espacio.

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TÉCNICAS BASADAS EN SISTEMAS DE VÍDEO PARA LA DETERMINACIÓN DE

VARIABLES HIDRODINÁMICAS EN RÍOS: MEDICIÓN E INSTRUMENTACIÓN

Andrade Pedro, Delgado Javier, Mena Gabriela, Vásconez Johnny

Espol. Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra,km 30.5 Vía perimetral, Guayaquil-Ecuador.

Historia del Artículo

RESUMEN

Recibido: 30 de Julio del 2014

Debido a la necesidad de recopilar información

hidráulica, con el fin de realizar adecuadas gestiones

sobre los recursos hídricos; han surgido metodologías

innovadoras basadas en sistemas de video y

procesamiento digital de imágenes, los cuales poseen

grandes ventajas frente a los métodos tradicionales

además de permitir cuantificar sin contacto con el flujo,

variables hidrodinámicas tales como velocidades de

flujo y caudales.

Este artículo se enfocara en técnica LSPIV (Large

Scale Particle Image Velocimetry); presentando en

forma general sus componentes, características, toma

de datos y procesamiento de las imágenes, para la

determinación de la velocidad de flujo en un rio.

Palabras Clave: LSPIV Orto-rectificación Sistema de video Procesamiento digital de imágenes

INTRODUCCIÓN

Obtener información y conocimiento sobre

el comportamiento del agua es esencial para

aplicaciones hidráulicas. Entre las

aplicaciones más importantes podemos

mencionar: balances de agua global,

predicción de caudales, operación de

embalses, calidad del agua, diseño de

estructuras hidráulicas, manejo de aguas

subterráneas, navegación fluvial, etc.

Sin embargo, la realidad es que usualmente

dicha información es escasa tanto en

términos de tiempo y espacio.

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Con el fin de suplir esta falta de información,

en las últimas 5 décadas se ha recopilado

información (USGS,2007) con la ayuda de

métodos tradicionales, por ejemplo:

Estaciones limnimétricas

Aforos mediante correntímetros

Tecnología acústica

Dichos métodos en ocasiones resultan muy

costosos debido al equipo, mantenimiento y

la operación del mismo; incluso puede llegar

a ser imposible obtener mediciones bajo

condiciones extremas de flujo que pueden

dañar el dispositivo, así como también poner

en peligro la vida del operario.

En los últimos años, nuevos métodos

basados en sistemas de videos se han

desarrollado, permitiendo obtener

características de flujo en tiempo real y sin

contacto con el mismo (Muste et al, 2008);

logrando de esta forma una mayor serie de

registros, tanto en condiciones normales

como extremas.

El primer instrumento para cuantificar el flujo

a partir de técnicas basadas en video es

conocido como PIV (Particle image

Velocimetry), aplicado en una variedad de

flujos de laboratorio (Adrian, 1991; Raffel et

al., 1998). A pesar de la popularidad del

método en condiciones de laboratorio; la

técnica de velocidad basada en imágenes

rara vez se usaba para ser aplicada a

escalas espaciales de corrientes naturales.

La primera medición de velocidades en ríos

basada en imágenes fue hecha en Japón a

mediados de los 90s (Fujita y Komura, 1994;

Aya et al., 1995; Fujita et al., 1997). Desde

entonces la técnica ha tenido un desarrollo

continuo con aplicaciones en diversos

campos de la hidráulica (Muste et al., 2004),

es así como se introduce el desarrollo de la

técnica LSPIV (PIV a gran escala), donde su

aplicación es en superficies mucho más

grandes.

Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo

principal estudiar la aplicación de dicha

técnica de video para la toma,

procesamiento y generación de información

hidrodinámica en ríos.

REVISIÓN DE LITERATURA

Técnica PIV (Particle Image Velocimetry)

La cinética de Imágenes de Partículas o PIV

(Particle Image Velocimetry) es un método

óptico, que gracias al avance de la

tecnología en campos como la electrónica,

óptica, video e imagen laser y

procesamiento de datos, permite analizar

los aspectos y características de un fluido en

movimiento; determinando sus velocidades

instantáneas en campos tanto

bidimensionales o tridimensionales

(Gutiérrez, 2012)

Se aplica en laboratorio y se basa en el

procesamiento de imágenes, cuyo

procedimiento es insertar partículas

trazadoras en un flujo en movimiento

adquiriendo la velocidad del mismo. El

principio es iluminar dichas partículas por

medio de un láser, que forma una lámina o

plano de luz que atraviesa el fluido la cual es

registrada por un sensor CCd o película

fotográfica como se muestra en la Figura 1.

(Jodeau et al., 2008)

Figura 1. Esquema básico dela técnica PVI

(Particle Image Velocimetry) (Gutiérrez, 2012).

Este laser es pulsado en dos instante t y t’

teniendo así un intervalo de tiempo ∆t, para

de esta manera registrar dos imágenes de la

posición de cada partícula, conociendo así

el desplazamiento y la velocidad de dicha

partícula (Osorio, 2010).

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De esta manera se aplica el principio básico

de la velocidad instantánea de un fluido,

como la medida del desplazamiento de las

partículas trazadoras iluminadas por el

plano de luz, sobre un intervalo de tiempo

conocido; lo cual se expresa de una manera

simple como (Leonidez, 2011):

�⃗� (𝑋, 𝑡) = ∆𝑋⃗⃗⃗⃗ ⃗ (𝑋, 𝑡)

∆𝑡

Los aspectos más importantes de la técnica

PIV son los siguientes:

Partículas trazadoras

Sistema de iluminación

Sistemas de riesgos

Procesos de análisis de imágenes

Post-procesado de imágenes

Las siguientes figuras muestran unos

esquemas de los pasos o fases a seguir:

Figura 2. Diagrama del proceso de obtención de

las velocidades en PIV (Leonidez, 2011)

Figura 3. Esquema de procesamiento de la

técnica PIV (Gutiérrez, 2012).

La información que nos proporciona este

método la podemos utilizar como guía para

diversas aplicaciones de la ingeniería

hidráulica, como por ejemplo la dispersión

de contaminantes en ríos o costas,

problemas asociados con cuencas

hidrográficas (erosión, sedimentación,

inundaciones, degradación del medio

ambiente), etc. En flujos superficiales es útil

para definir gastos, la influencia de

estructuras hidráulicas o construcciones en

general hechas en ríos como vertederos,

obras de toma, etc.

LSPIV (Large Scale Particle Image

Velocimetry)

Se deriva de la técnica PIV, pero para un

análisis en una escala más grande; como

por ejemplo en canales abiertos ya sean

estos naturales o artificiales, ríos, etc. Como

vimos la técnica PIV se aplica solo en

laboratorio, aunque sus principios son

utilizados en la técnica LSPIV que nos

permite analizar datos en el campo.

Tiene su origen en el año 1994 cuando dos

investigadores Fujita y Komura quisieron

hacer las primeras mediciones de

cinemática grafica en entornos fluviales de

Japon. A partir de 1995 en adelante el IIHR-

Hydroscience & Engineering (anterior

Instituto de investigaciones Hidraulicas de

Iowa) y la universidad de Kobe han aplicado

con éxito la técnica LSPIV, tanto en

laboratorio como en el campo. Dichas

experimentaciones fueron hechas por los

doctores Mariam Muste y Fujita. Con los

años áreas de 100 hasta 5000 m2 han sido

registradas de manera no intrusiva con la

técnica LSPIV (Osorio et al., 2007)

Los componentes de la técnica LSPIV son

muy similares a los de la técnica PIV ya que

deriva de ella, pero se le añade un 5to paso

dando como resultado (Cano, 2010):

1. Visualización del flujo

2. Iluminación

3. Grabación

4. Procesamiento de imágenes

5. Orto-Rectificación de la imagen

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METODOLOGÍA

MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD:

COMPONENTES DEL SISTEMA

Toma de datos.

Los sistemas de videos para la medición de

variables hidrodinámicas se basan en la

identificación visual de características y

procesos de interés en las imágenes que

serán captadas por las cámaras utilizadas y

mediante sus coordenadas reales. Estas

técnicas tienen como pilar fundamental que

las tareas están automatizadas, lo que

permite que se tenga a la disposición una

base de datos compuestas por imágenes

para cada día y hora por una determinada

cámara. (LeCoz et al., 2010)

Para el caso de los ríos, la respuesta de una

cuenca ante un evento extremo como por

ejemplo aumento de caudales por fuertes

precipitaciones en la cuenca, depende de

muchas variables como: el tipo de

vegetación, infiltración, tipo de suelo etc. Por

lo tanto la ubicación del sistema de video o

la metodología de toma de datos deberán

estar relacionadas con parámetros

representativos de la cuenca, lo que permita

un adecuado análisis de le los procesos

hidrodinámicos que ocurren en la zona que

se encuentra en estudio. (Caceres et al.,

2012)

Para el proceso de toma de datos es

necesario haber definido correctamente con

anterioridad todas las variables posibles que

van hacer medidas con el fin de no alterar el

sistema de toma de datos una vez que ya se

encuentre instalado y operando. Entre las

posibles variables a medir tenemos las

siguientes: (Osorio, 2010)

Nivel ( interfaz agua-aire)

Bajos (interfaz agua-tierra)

Márgenes

Velocidades

Estelas

Rugosidad

Por lo tanto, se debe usar una metodología

indicada para poder medir las variables

anteriormente indicadas, a partir de una

imagen o de un grupo de imágenes, a una

escala espacio- temporal adecuada; lo que

convierte el problema de medir estas

variables, en un problema de tratamiento

digital de imágenes, que busca en si

detectar objetos, contornos y flujo en

movimiento. (Meselhe et al., 2004)

La resolución espacial o escala espacial se

refiere al tamaño mínimo que debe poseer

un objeto para ser identificado en la imagen,

y es de mucha importancia ya que esta

definirá la cantidad y la posición de las

cámaras. Por lo tanto, la resolución espacial

depende de los pixeles que posee la cámara

y la distancia a la que se encuentra de la

región de interés, así a mayor resolución

espacial mayor será la capacidad de la

cámara para detectar objetos más

pequeños. (Osorio et al., 2007)

La resolución temporal hace referencia al

tiempo que transcurre entre dos

observaciones continua por una misma

cámara. A menor tiempo transcurrido,

mayor será la resolución temporal.

Consideraciones adicionales sobre toma

de datos

La frecuencia con la que se tomaran datos

para el caso de ríos, dependerá de las

características topológicas del cauce en

estudio y de la respuesta de este ante un

evento extremo como fuertes

precipitaciones; es así que para ríos en los

cuales una fuerte precipitación tenga un

efecto instantáneo sobre este; deberán

tomarse datos con mayor frecuencia, de

manera que sea posible medir los cambios

del cauce en el tiempo y sus velocidades

adecuadamente. (Diez et al 1999)

En el sistema es importante considerar lo

siguiente:

Fuente de luz.- Para obtener una alta

calidad en los datos tomados, la fuente de

luz es el componente más crucial. Para un

sistema montado en la parte exterior, la

fuente de luz puede ser la luz natural; pero

si se trata de un modelo experimental en el

interior de un laboratorio entonces se

requiere una fuerte iluminación. Debido a

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estas consideraciones se utilizan lámparas

de halógeno y lámpara de vapor de sodio,

que nos darán como resultado una

iluminación uniforme de la zona y se evitara

la reflexión de la luz en la superficie. (Nitika

Sharma, 2014).

La técnica LSPIV de campo al ser aplicable

en flujos a gran escala, solo puede utilizar la

iluminación natural y con ello presenta una

gran desventaja, ya que no puede ser

utilizada en la noche. (Gutiérrez, 2012)

Figura 4. Modelos de lámparas de halógeno

utilizadas para la iluminación en la técnica de

PSPIV de laboratorio. (Jorge Cincel Gutiérrez,

2012)

Trazadores.- Otros de los factores

importante para la medición es la

determinación de los trazadores. Los

trazadores deben ser pequeños, lo

suficiente para rastrear con precisión el flujo;

pero a la vez lo suficientemente grande para

esparcir suficiente luz para la captura de la

imagen. (Nitika Sharma,2014).

En la técnica LSPIV los trazadores

deberán cumplir tres condiciones:

Ser capaces de seguir el

movimiento superficial del fluido,

Reflejar la suficiente luz para ser

capturadas por la cámara

Ser biodegradables.

A la hora de insertar los trazadores al fluido,

lo correcto es utilizar trazadores que sigan el

movimiento del fluido sin modificarlo; sin

embargo es complicado cumplir con esta

condición por lo que en la práctica se usan

aquellos trazadores que simplemente sigan

el flujo sin perturbarlo demasiado.

(Gutiérrez, 2012)

Las partículas de los trazadores deberán

tener una densidad ligeramente menor a la

del agua, de manera que estén parcialmente

sumergidas en el fluido para poder ser

captadas por la cámara. En el caso de tener

una densidad mucho menor, estas flotaran y

estarán interactuando con el aire y la capa

superior del fluido; por lo contrario si la

densidad de estas partículas son mayores a

la del fluido estas se sumergirán demasiado

y no serán captadas en las imágenes.

(Jodeau et al., 2008)

La elección de los trazadores y la cantidad

que se use en el fluido es de mucha

importancia, ya que una cantidad muy

grande de partículas provocaría una

modificación del flujo. Por el contrario, una

cantidad muy pequeña de estas partículas

provocaría que no se torne homogénea la

distribución de estas partículas en el fluido y

no se obtendrá la suficiente información en

toda el área de estudio; y por lo tanto los

resultados se verán afectados.

A continuación en la Figura 5, se muestra

distintos tipos de trazadores que pueden ser

usados en la técnica LSPIV.

Figura 5. a) Esferas de poliestreno, b) tiras de

papel, c) biobolas. (Gutiérrez, 2012)

Captura y almacenamiento de imágenes.-

Se requiere la captura de imágenes de las

partículas mientras estas se desplazan en el

fluido. Estas partículas pueden resultar ser

muy pequeñas, debido a esto el LSPIV

requiere que la cámara utilizada para la

captura de imagen tenga una gran

resolución; además para analizar fluidos

muy rápidos esta debe de será capaz de

realizar las tomas en instantes de tiempos

muy cortos, es decir en frecuencias muy

altas. Por lo general se utilizan cámaras tipo

CCD. Las imágenes obtenidas describen las

posiciones sucesivas de las pequeñas

partículas durante su recorrido. (Cáceres et

al., 2012)

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El CCD está formado por millones de

sensores fotosensibles acomodados en una

cuadrícula. En un sensor de imagen actual

tipo CCD, las imágenes constan de un

número discreto de píxeles cada uno con su

valor de intensidad de luminosa. Tal

intensidad, para una imagen de 8 bits, como

las que normalmente se utilizan, puede

variar entre el valor mínimo igual a 0 y el

valor máximo, que para codificación de 8

bits es igual a 255 (Nauri, 2008)

El intervalo de tiempo de captura de las

imágenes depende principalmente de la

velocidad a la que se encuentre el fluido, si

la velocidad del fluido es muy rápido y el

intervalo de tiempo de captura de imagen es

muy largo es muy probable que las

imágenes consecutivas no contengan

partículas en común del fluido. Si el fluido es

demasiado lento y la captura es realizada en

intervalos muy cortos las partículas en dos

imágenes consecutivas no presentan un

desplazamiento, en ambos casos resultará

imposible calcular correctamente la

velocidad del fluido. (Dobson et al., 2014)

PROCESAMIENTO DE LAS

IMAGENES

Como ya habíamos mencionado con

anterioridad, la técnica LSPIV, es un

desarrollo de la técnica PIV, con la

diferencia de que esta cubre grandes áreas,

a través de imágenes oblicuas del flujo en

superficie. El procesamiento de las

imágenes a través del sistema LSPIV se

puede resumir en el siguiente diagrama:

Orto rectificación de las imágenes.

Usualmente para obtener imágenes de la

superficie de un río estas son tomadas

desde un puente o desde la orilla del mismo,

usando un ángulo oblicuo en relación con el

plano de la superficie del río. Por lo cual, es

de suma importancia que las imágenes sean

rectificadas por un esquema de

transformación de imagen apropiado, a fin

de obtener datos precisos del flujo en

movimiento (Mikhail, Ackermann, 1976).

Generalmente una relación fotogramétrica

convencional se aplica para producir orto-

imágenes usando coordenadas conocidas

de puntos de control sobre el terreno (GCPs)

en el sistema de coordenadas real (X, Y,Z)

y en el sistema de coordenadas de la

imagen (x, y), como se muestra en la Figura.

La selección de estos puntos de control

depende a menudo de lo que es accesible

en el campo (por ejemplo, árboles, postes

de tendido eléctrico, las esquinas en las

construcciones, un techo, una roca fija, etc).

(Osorio,2010)

Figura 6. Relación entre la cámara y el sistema

coordenado del terreno. (a) Coordenadas reales

(X,Y,Z) y (b) Coordenadas sobre la imagen (x,y).

(Muste 2008):

La relación entre las imágenes 2D, captadas

por la cámara (coordenadas x,y) y las

imágenes reales 3D (coordenadas X,Y y Z)

viene dada por las siguientes ecuaciones

(Nitika Sharma, 2014):

Obtencion de video

Ortorectificación y Calibración

Patrón de coincidencia

Obtención de la velocidad (pixel)

Obtención de la velocidad (m/s)

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Donde A1 a A4, B1 a B4 y C1 a C4, son

coeficientes que pueden ser determinados

mediante el método de los mínimos

cuadrados usando las coordenadas en 3D

(X, Y y Z).

Es importante mencionar que se necesita un

mínimo de 6 GCPs para poder realizar la

transformación, así como también tener en

cuenta que la distorsión debido a los lentes

deben ser corregidos antes de usar las

ecuaciones (Muste et al., 2008)

Figura 7. Ejemplo de una imagen orto-rectificada

(Muste et al.,2011)

Procesamiento

Una vez que las imágenes han sido orto-

rectificadas estas son procesadas para

determinar la velocidad del fluido. La

velocidad del fluido puede ser calculada

mediante técnicas de velocimetría por

imágenes de partículas, las cuales se basan

en la siguiente relación:

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑘 (𝐷

𝑡)

Donde:

k= Constante. Relación entre píxeles en la

imagen y unidades de longitud

D= desplazamiento

t= tiempo

Para calcular la velocidad es necesario

determinar el desplazamiento que tuvo el

fluido en un intervalo de tiempo. El intervalo

es un dato conocido pues es parte de la

configuración inicial del experimento y el

factor de escala K es la constante escalar

que da la relación entre píxeles en la imagen

y unidades de longitud en el experimento

(Muste et al., 2011)

Por lo tanto, solo es necesario determinar el

desplazamiento del fluido en el plano x,y

para calcular la velocidad del fluido en estas

dos direcciones.

La esencia del método consiste en aplicar

un patrón de coincidencia o similitud en la

distribución de intensidad de una serie de

imágenes. El índice de similitud de los

patrones encerrados en una pequeña área

llamada “Área de Interrogación” (IA),

ajustada en la primera imagen, se calcula

para una ventana del mismo tamaño a lo

largo de toda el área de la imagen de

interés, llamada “Área de búsqueda” (SA)

seleccionada en la segunda imagen

(Gutierrez, 2012)

Con el fin de conocer los desplazamientos

más probables de los grupos de partículas,

el método de evaluación que se aplica es el

coeficiente de correlación (cross-correlation

coefficient).En el procesamiento de

imágenes la correlación es utilizada para

encontrar la posición de mayor semejanza

entre dos imágenes. (Osorio et al., 2007)

Para la evaluación, las imágenes son

divididas en pequeñas IA´s. Una zona de

interrogación es una región de una imagen

f, es decir es una sub-imagen de f.

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Figura 8. Imagen de partículas de PIV con la

amplificación de una parte de la imagen.

(Gutierrez,2012)

Se asume que todas las partículas, que

están dentro de una de estas zonas, se

mueven de manera uniforme. El algoritmo

consiste en procesar dos zonas de

interrogación correspondientes del mismo

tamaño y con las mismas coordenadas

dentro de la imagen.

Una zona es de la primera imagen, y la otra

de la segunda imagen como se muestra en

la Figura 9.

Figura 9. Dos imágenes divididas en zonas de

interrogación.(Gutierrez,2012)

Las zonas de interrogación deben ser

procesadas con el fin de encontrar el

desplazamiento promedio de las partículas

en las imágenes.

Entre las ventanas con el índice de similitud

más alto se asume entonces el

desplazamiento más probable del flujo entre

dos imágenes consecutivas. Una vez que la

distancia entre los centros de las pequeñas

ventanas son obtenidos, la velocidad puede

ser calculada dividiendo entre el tiempo de

captura de las dos imágenes consecutivas.

El proceso de búsqueda es aplicado

sucesivamente entre todas las IA’s en la

imagen. (Jodeau et al.,2008)

Figura 10. Conceptualización del algoritmo

LSPIV (los patrones en la imagen son formados

usualmente por pequeñas partículas de la

misma naturaleza, es decir, espuma, hojas, o

trazadores artificiales agregados a la superficie

para las mediciones). (Muste et al., 2008)

En (Muste et al., 2004) se presentan algunos

resultados de laboratorio obtenidos con el

modelo LSPIV. Las mediciones con esta

técnica son campos instantáneos de

vectores. Cada IA incluida en la superficie

libre de la imagen original tiene un vector

asociado. La técnica es la única disponible

en el medio para proveer la velocidad

instantánea sobre un plano 2D. Los campos

de vectores LSPIV obtenidos hacen posible

determinar las características espaciales y

temporales del flujo como la velocidad

media, líneas de corriente, y verticidad así

como otras magnitudes derivadas de la

velocidad.

Cabe recalcar que la velocidad superficial

obtenida con LSPIV en conjunto con la

batimetría puede proveer la medida de

caudales en ríos.

Figura 11. Datos obtenidos de la medición

LSPIV (Muste et al.,2011)

Page 9: Técnicas Basadas en Sistemas de Vídeo Para La Determinación de Variables Hidrodinámicas en Ríos

CONCLUSIONES:

Las técnicas PIV y LSPIV al ser no intrusivas

no afectan de manera directa el entorno que

se está analizando, por lo tanto facilita el

estudio y toma de datos, aunque se sigue

realizando estudios y experimentando con

ella. Su utilización ha demostrado optimizar

el tiempo y dar resultados (velocidad en ríos)

muy reales, por lo que su aplicación ha sido

exitosa, además de ser una herramienta de

gran utilidad para el Ingeniero Civil.

Gracias a esta y otras técnicas de video es

posible medir variables hidrodinámicas,

como la velocidad y caudal de un flujo sin

tener contacto con dicho flujo; lo que se

transforma en una ventaja a la hora de la

toma de datos, ya que podremos obtener la

información que creamos oportuna y con la

frecuencia que se requiera, tanto en

condiciones normales como extremas.

Entre otras de sus ventajas encontramos

que las técnicas basadas en sistemas de

video resulta ser menos costosa en

comparación a métodos tradicionales,

debido al equipo, mantenimiento y la

operación del mismo.

Mediante el análisis y la experimentación

que se han realizado en varios ríos por

diferentes investigadores, se ha podido

observar lo siguiente:

Mientras mayor sea la calidad de

resolución de la imagen en la

cámara se obtendrá valores de

velocidades en el fluido más

cercanos a los reales

La metodología a aplicar para el

estudio de un proceso

hidrodinámico dependerá

específicamente de los parámetros

hidrodinámicos de la zona de

estudio, definiendo previamente

todas las posibles variables a ser

medidas para no alterar el sistema

de toma de datos una vez que ya se

encuentre instalado y operando.

RECOMENDACIONES:

Las condiciones y parámetros al aplicar la

técnica LSPIV son muy variadas, desde la

siembra e iluminación de las partículas

trazadoras hasta la mala calibración del

sistema, nos pueden dar como resultado

vectores erróneos. Uno de los problemas

que se presenta en las mediciones con la

técnica de LSPIV es precisamente las

sombras y los reflejos que se producen en la

superficie del flujo a ser medido. Pero

investigaciones anteriores realizadas

demuestran que esto podría ser eliminado

utilizando un lente polarizado en la cámara

al momento de hacer la captura de las

imágenes.

La cantidad y tamaño de las partículas son

importantes para la aplicación de la técnica

LSPIV, además de los factores que podrían

incidir en la obtención de los datos, como

pueden ser vientos fuertes sobre la

superficie del fluido. Por este motivo las

condiciones climáticas deberían ser

tomadas en cuenta, además de ciertas

consideraciones adicionales que se

mencionan a continuación:

Se recomienda utilizar cámaras que

tengan un nivel de alta resolución

para las técnicas PIV o LSPIV, ya

que esto beneficiará

significativamente al ensayo dando

un resultado más real o exacto.

Para el proceso de iluminación

principalmente cuando la técnica se

aplica en laboratorio, es

recomendable utilizar lámparas que

no produzcan reflejos; para esto es

posible la utilización de lámparas de

halógeno. Para el caso de la técnica

usada en campo es posible como se

mencionó anteriormente utilizar una

lente polarizada para la cámara.

Page 10: Técnicas Basadas en Sistemas de Vídeo Para La Determinación de Variables Hidrodinámicas en Ríos

BIBLIOGRAFÍA

Nitika Sharma, S. B. (2014). Video

Processing Based Water Surface Velocity

Measurement Using Spatial Cross

Correlation Technique. International Journal

of Emerging Trends & Technology in

Computer Science (IJETTCS), 3(2), ISSN

2278-6856.

Muste, M., I. Fujita, and A. Hauet (2008),

Large-scale particle image velocimetry for

measurements in riverine environments,

Water Resour. Res., 44, W00D19,

doi:10.1029/2008WR006950.

Muste, M., Ho, H. C., & Kim, D. (2011).

Considerations on direct stream flow

measurements using video imagery:

Outlook and research needs. Journal of

Hydro-environment Research, 5(4), 289-

300, doi:10.1016/j.jher.2010.11.002.

Jodeau, M., Hauet, A., Paquier, A., Le Coz,

J., & Dramais, G. (2008). Application and

evaluation of LS-PIV technique for the

monitoring of river surface velocities in high

flow conditions. Flow Measurement and

Instrumentation, 19(2), 117-127,

doi:10.1016/j.flowmeasinst.2007.11.004.

Le Coz, J., Hauet, A., Pierrefeu, G.,

Dramais, G., & Camenen, B. (2010).

Performance of image-based velocimetry

(LSPIV) applied to flash-flood discharge

measurements in Mediterranean rivers.

Journal of Hydrology, 394(1), 42-52,

doi:10.1016/j.jhydrol.2010.05.049.

Osorio Cano, Juan David, et al.

Metodologías y técnicas basadas en

sistemas de video para la medición de

variables hidrodinámicas. 2010. Tesis

Doctoral. Universidad Nacional de

Colombia.

Gutiérrez Cinsel Jorge Enrique. Evaluación

y aplicación de la técnica de lspiv para

estimar la velocidad superficial en obras

hidráulicas. 2012. Tesis Doctoral

Osorio Cano, J. D., Osorio Arias, A. F., &

Toro Botero, F. M. (2010). Aplicación de

técnicas basadas en sistemas de video para

la medición de variables hidrodinámicas.

Díez, M., Sierra, J. P., Redondo, J. M.,

Mösso, C., & Bezerra, M. O. (1999). Estudio

hidrodinámico de la zona costera mediante

el análisis digital de imágenes. Ingeniería del

Agua, 6(3), 283-292, ISSN 11342196.

Cáceres Euse, A., & Osorio Arias, A. F.

(2012). Metodología para el cálculo de

variables hidrodinámicas en canales de

oleaje usando técnicas de video.

Osorio Arias, A. F., Pérez, J. C., Ortiz

Alarcón, C. A., & Medina, R. (2007).

Técnicas basadas en imágenes de video

para cuantificar variables ambientales en

zonas costeras. Avances en recursos

hidráulicos, (16), 51-64

Meselhe, E. A., Peeva, T., & Muste, M.

(2004). Large scale particle image

velocimetry for low velocity and shallow

water flows. Journal of Hydraulic

Engineering, 130(9), 937-940, doi:

10.1080/00221689809498626.

Dobson, D. W., Todd Holland, K., &

Calantoni, J. (2014). Fast, Large-Scale,

Particle Image Velocimetry-Based

Estimations of River Surface

Velocity.Computers & Geosciences, doi:

10.1016/j.cageo.2014.05.007.

Sameh A. kantoush, Anton J. Schleiss,

Tetsuya Sumi, Mitsuhiro Murasaki, “ LSPIV

Implementation for Environmental Flow in

Laboratory and Field Cases”, Journal of

Hydro-environment Reasearch, 2011.

Scott A. Olson, J. M. (2007). U.S. Geological

Survey Streamgaging. Recuperado el 2014,

de National Streamflow Information

Program:http://pubs.usgs.gov/fs/2005/3131/

FS2005-3131.pdf