Aplicación de algoritmos Structure from Motion (SfM) para el análisis histórico de cambios en la geomorfología fluvial

Application of Structure from Motion (SfM) algorithms for the historical analysis of changes in fluvial geomorphology

Llena, M.^(1,2) ; Vericat, D.^(1,2,3) ; Martínez-Casasnovas, J.A.^(2,4)

(1) Grupo de Investigación de Dinámica Fluvial.
(2) Dpto. Medio Ambiente y Ciencias del Suelo, Universidad de Lleida, Av. Alcalde Rovira Roure 191, E-25198 Lleida, Catalunya, España.
(3) Centro Tecnológico Forestal de Cataluña, 25280 Solsona, Catalunya, España.
(4) Grupo de Investigación en AgróTICa y Agricultura de Precisión, Centro Agrotecnio, Universidad de Lleida.

Resumen:

En el presente artículo se presenta el flujo de trabajo para la obtención de información espacial utilizada para el análisis de cambios geomorfológicos fluviales en el tramo alto del río Cinca (Pirineo Aragonés) durante el periodo comprendido entre el año 1927 y el año 2015. Los productos finales tras la aplicación de la metodología SfM-MVS son ortomosaicos, con un error medio cuadrático (RMSE) entre 0,5 y 1 m, y nubes de puntos con un RMSE entre 1 y 2 m. Los resultados indican que el tramo de estudio del Alto Cinca ha sufrido una fuerte reducción de la anchura activa del cauce (52%) con un elevado proceso de incisión (e.g. >5 m en algunos puntos). Además, se observa una clara simplificación en el patrón del cauce (reducción del índice de multiplicidad de canales y paso de patrón multicanal a unicanal). Estos procesos están directamente influenciados por los impactos antrópicos asociados a las extracciones de áridos y a la construcción de escolleras (escala de tramo), y por los efectos sobre la producción y trasferencia de sedimentos (escala de cuenca) debido a los cambios en los usos del suelo a partir de la década de 1950 del siglo XX. La metodología que se presenta en este trabajo es de gran utilidad para el diagnóstico del estado morfosedimentario de sistemas fluviales. En el caso particular del Alto Cinca, los resultados son de gran interés para la mejora de la comprensión de las relaciones causa-efecto en la dinámica morfo-sedimentaria observada para el período 1927-2015. Esta mejora puede ayudar a modificar los planes de gestión de cuenca mediante una visión más integral de los procesos contemporáneos.

Abstract:

This work presents the workflow used to obtain spatial information to analyze geomorphological changes in the upper reach of the Cinca River (Southern Pyrenees) during the 1927-2015 period. The final products after application of the SfM-MVS methodology are orthomosaics with a root mean square error (RMSE) of 0.5-1 m, and point clouds with an RMSE of 1-2 m. The results of the study indicate that the study reach has suffered a clear reduction of the active channel width (i.e. 52%) with a high incision processes associated (e.g. >5m in some points), and a simplification in the channel pattern (i.e. reduction of the braiding index and changes from a multi-channel pattern to a single-channel one). These processes are directly influenced by the anthropogenic impacts associated with in-channel gravel mining and the associated impacts related to channel embankment (reach scale, localized impacts), and also influenced by the impacts on the production and transfer of sediment (catchment scale) due to land use changes since the 50s of the 20 th century. The methodology presented in this paper is very useful for the diagnosis of the morphosedimentary state of river systems. In the particular case of the Alto Cinca River, the results are of great interest for the improvement of the understanding of the cause-effect relationships in the morphosedimentary dynamics observed for the period 1927-2015. This improvement can help modify basin management plans through a more comprehensive view of contemporary processes.