Medida del grado de saturación a partir de imágenes

Abstract

La medición del grado de saturación mediante imágenes es una técnica novedosa, no invasiva y no destructiva que ofrece ventajas frente a otros métodos más convencionales basados en la instalación de sensores. El principio en el que se basa esta tecnología es el oscurecimiento que se observa en la superficie del suelo a medida que el grado de saturación aumenta. De acuerdo a la información disponible en la literatura científica, este fenómeno tiene lugar de forma mucho más evidente y conveniente cuando la luz incidente es de longitud de onda corta del rango infrarrojo del espectro electromagnético (SWIR). Este trabajo parte de un estudio previo en el que se evalúa la viabilidad de medir el grado de saturación mediante imágenes en el rango SWIR en una arena fina (arena de la playa de Castelldefels). No obstante, su idoneidad en suelos con otras granulometrías y propiedades se desconoce. Esto es, precisamente, lo que se investiga en este Trabajo de Final de Máster en el que se trabaja con la arena de Castelldefels y el limo de Barcelona. La metodología empleada consistió en preparar muestras con diferentes proporciones de arena y limo a igual índice de poros y a diferentes grados de saturación para posteriormente ser fotografiadas bajo unas condiciones concretas. Las fotografías son procesadas mediante un código MATLAB el cual proporciona la intensidad de pixel promedio de la región de la imagen correspondiente a la superficie de la muestra, que es una medida de su oscuridad. Este parámetro se relaciona con el grado de saturación proporcionando la curva de calibración para cada material. Este ejercicio se realiza tanto en el rango SWIR, como en el visual. Los resultados muestran que, en el caso de la arena, la correlación entre la intensidad de pixel y el grado de saturación es muy clara y unívoca, lo que posibilita la aplicación de la técnica a ese material. No es de esta forma en el caso de las muestras de limo, para el que el color no varía de forma monótona sino que se observa que en ciertos grados altos del grado de saturación la muestra recupera un color más claro. Finalmente, el trabajo presenta observaciones adicionales en cuanto a cómo el rango del espectro de la luz y el contenido de arena y limo afectan a la relación entre la oscuridad del suelo y el grado de saturación.

The measurement of the degree of saturation by images is a novel, non-invasive and non-destructive technique that offers advantages over more conventional methods based on the installation of sensors. The principle behind this technology lies in the darkening on the soil surface observed as the degree of saturation increases. According to available information on the scientific literature, this phenomenon is significantly more evident and convenient when the incident light is in the shortwave infrared (SWIR) range of the electromagnetic spectrum. This work builds upon a previous study that evaluated the feasibility of measuring the degree of saturation using SWIR-range images in a fine sand (sand from Castelldefels beach). However, its suitability for soils with different grain sizes and properties remains unknown. This is, precisely, what is investigated in this Master's Thesis, which focuses on Castelldefels sand and Barcelona silt. The methodology involved preparing samples with different proportions of sand and silt, maintaining the same void ratio and varying degrees of saturation. These samples were then photographed under specific conditions. The images were processed using a MATLAB code that calculates the average pixel intensity of the region corresponding to the sample surface, which serves as a measure of its darkness. This parameter is then related to the degree of saturation, providing a calibration curve for each material. This procedure was carried out in both the SWIR and visible ranges. The results show that, in the case of sand, the correlation between pixel intensity and degree of saturation is clear and unambiguous, which supports the applicability of the technique to this material. This is not the case for the silt samples, where the colour does not vary in a monotonous manner; instead, at high degrees of saturation, the sample appears to regain a lighter color. Finally, the study presents additional insightful observations regarding how the light spectrum range and the sand and silt content affect the relationship between soil darkness and degree of saturation.

La mesura del grau de saturació mitjançant imatges és una tècnica innovadora, no invasiva i no destructiva que ofereix avantatges respecte a altres mètodes més convencionals basats en la instal·lació de sensors. El principi en què es basa aquesta tecnologia és l’enfosquiment que s’observa a la superfície del sòl a mesura que augmenta el grau de saturació. D’acord amb la informació disponible a la literatura científica, aquest fenomen té lloc de manera molt més evident i convenient quan la llum incident és de longitud d’ona curta dins del rang infraroig de l’espectre electromagnètic (SWIR). Aquest treball parteix d’un estudi previ en què s’avalua la viabilitat de mesurar el grau de saturació mitjançant imatges en el rang SWIR en una sorra fina (sorra de la platja de Castelldefels). Tanmateix, es desconeix la seva idoneïtat en sòls amb altres granulometries i propietats. Això és, precisament, el que s’investiga en aquest Treball de Final de Màster, en el qual es treballa amb la sorra de Castelldefels i el llim de Barcelona. La metodologia emprada va consistir en preparar mostres amb diferents proporcions de sorra i llim amb el mateix índex de porus i amb diferents graus de saturació, per ser posteriorment fotografiades sota unes condicions concretes. Les fotografies són processades mitjançant un codi MATLAB que proporciona la intensitat mitjana de píxel de la regió de la imatge corresponent a la superfície de la mostra, la qual cosa és una mesura de la seva foscor. Aquest paràmetre es relaciona amb el grau de saturació i proporciona la corba de calibratge per a cada material. Aquest exercici es realitza tant en el rang SWIR com en el visible. Els resultats mostren que, en el cas de la sorra, la correlació entre la intensitat de píxel i el grau de saturació és molt clara i unívoca, cosa que possibilita l’aplicació de la tècnica a aquest material. No és així en el cas de les mostres de llim, on el color no varia de manera monòtona, sinó que s’observa que, en certs graus alts de saturació, la mostra recupera un color més clar. Finalment, el treball presenta observacions addicionals pel que fa a com el rang de l’espectre de la llum i el contingut de sorra i llim afecten la relació entre la foscor del sòl i el grau de saturació.

Objectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i Infraestructura

Objectius de Desenvolupament Sostenible::12 - Producció i Consum Responsables

Objectius de Desenvolupament Sostenible::13 - Acció per al Clima