Desarrollo e implementación en gran escala de técnicas de velocimetría por imágenes para caracterizar flujos de agua con superficie libre

Abstract

Las técnicas de velocimetría por imágenes han sido ampliamente utilizada en hidráulica durante más de 30 años en experimentos de laboratorio. Esta tesis presenta el desarrollo y la implementación eficiente en gran escala de las técnicas de velocimetría por imágenes disponibles en el estado del arte para caracterizar flujos de agua con superficie libre durante condiciones hidrológicas extremas (crecidas y estiaje). En esta tesis se denominan a estas técnicas Velocimetría por Imágenes de Partículas a Gran Escala (LSPIV) y Velocimetría por Seguimiento de Partículas a Gran Escala (LSPTV). La primera trabaja en un marco de referencia Euleriano, es decir que se calcula el desplazamiento medio de un “patrón” o “dibujo” dentro de ventanas de interrogaciones de una imagen a la siguiente; La segunda trabaja en un marco de referencia Lagrangiano y procesa la posición y rastreo de los centroides de cada partícula visible. Las técnicas de velocimetría por imágenes aplicadas en laboratorio y las técnicas LSPIV/LSPTV difieren en las complejidades asociadas a mediciones de campo a gran escala, tales como iluminación variable, y la accesibilidad limitada a vistas de cámara ortogonales. Las vistas de cámara ortogonales requieren una rectificación geométrica precisa de las imágenes o resultados de velocidad para superar las apreciables distorsiones producidas por el ángulo de visión de la cámara. En primer lugar en esta tesis se desarrollan las herramientas computacionales necesarias para la implementación a gran escala de LSPIV y LSPTV. Se presentan aplicaciones de las herramientas desarrolladas en ríos de diferentes tamaños en condiciones de extremos hidrológicos (crecidas y estiaje). En cada aplicación se valida la metodología desarrollada en esta tesis con resultados obtenidos con instrumentos usados comúnmente en hidrometría. Sintetizando la experiencia adquirida se presenta una guía metodológica para implementar LSPIV y LSPTV la cual fue elaborada en conjunto con la oficina de Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) y la oficina de Servicio de Canadá (WSC). Además, se presentan tres usos innovadores de la metodología con el uso de Vehículo Aéreo No Tripulado (VANT) en un río, y con cámaras fijas en la rápida de descarga de un vertedero y para la cuantificación de la estabilidad de una persona en crecidas urbanas. Finalmente, el análisis se extiende a la realización de un proyecto de ciencia ciudadana que consiste en el análisis de material digital proviniendo de colaboración abierta distribuida. Se presentan las diferentes experiencias de 3 grupos de investigación en Argentina, Francia y Nueva Zelanda con este tipo de proyecto colaborativo para la caracterización posteriori de eventos hidrológicos. Los resultados obtenidos en el presente trabajo brindan un aporte frente a un requerimiento de la comunidad científica de investigación adicional para llegar a una mejor comprensión de los ríos en condiciones extremas.