See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/318815254 Aplicación de la técnica InSAR en la detección de movimientos en masa en el municipio de Independencia (Bolivia) Conference Paper · June 2017 CITATIONS READS 0 668 4 authors, including: Josep Raventós i Fornós Marcos Arroyo TRE Altamira Universitat Politècnica de Catalunya 18 PUBLICATIONS 1 CITATION 135 PUBLICATIONS 750 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Abel Cruz Facultad de Ciencias y Tecnologia 1 PUBLICATION 0 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Georamp: http://www.geohazard.ac.uk/ View project Rendimiento, desgaste y abrasividad en excavacion mecanizada de tuneles en terrenos heterogeneos View project All content following this page was uploaded by Marcos Arroyo on 27 September 2017. The user has requested enhancement of the downloaded file. Aplicación de la técnica de interferometría de radar de síntesis de apertura (InSAR) en la detección de movimientos en masa en el municipio de Independencia APLICACIÓN DE LA TÉCNICA DE INTERFEROMETRÍA DE RADAR DE APERTURA SINTÉTICA (INSAR) EN LA DETECCIÓN DE MOVIMIENTOS EN MASA EN EL MUNICIPIO DE INDEPENDENCIA Josep Raventós1, Marcos Arroyo2, Wilson Heredia3, Abel Cruz3 Tre Altamira, Barcelona; 2Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona 1 3 Laboratorio de Geotecnia, Universidad Mayor de San Simón, Bolivia RESUMEN El uso de imágenes de la superficie de la tierra obtenidas mediante sensores tipo SAR (Synthetic Aperture Radar) embarcados en satélites que orbitan sobre el planeta tierra conjuntamente con su procesado usando técnicas InSAR (Interferometría SAR) permite obtener desplazamientos de la superficie del terreno (o de objetos ubicados sobre ésta, así como infraestructuras, edificios, muros, etc.) con un rango de movimiento que va desde el milímetro hasta el metro y con una precisión milimétrica. El presente artículo muestra la aplicación de la técnica InSAR en el monitoreo de desplazamientos ocurridos en una ladera inestable ubicada en el municipio de Independencia del departamento de Cochabamba en Bolivia usando imágenes del sensor radar tales como SENTINEL que se lanzó a finales de 2014 y que desde entonces viene registrando imágenes de la zona. Se han desarrollado un conjunto de análisis interferométricos en la zona de estudio, obteniéndose resultados coherentes conforme se ha podido evidenciar en la zona de estudio. Palabras clave: Interferometria, InSAR, Radar, Satélite, Inestabilidad, ladera, Municipio de Independencia, Bolivia, Sentinel, Precisión. la capital de la provincia Ayopaya del departamento de Cochabamba y está situada en la cordillera Mazo Cruz, una cresta de la cordillera Oriental, entre el Río Negro y el Río Ayopaya. La región se caracteriza por presentar un relieve abrupto y valles profundos (montañas y serranías), con aspecto masivo y formas alargadas con pendientes escarpadas a lo largo de los valles principales, con cimas agudas a redondeadas y formas irregulares que alcanzan alturas de 3747 msnm, asimismo, los valles se encuentran a 2450 msnm. Por su parte el poblado del municipio de Independencia se encuentra entre 2595 y 2765 msnm con una pendiente promedio de 20 % y pendientes máximas que oscilan entre 32 a 41 % (GAMI, 2012). Estos aspectos determinan que el clima en el municipio de Independencia este en gran medida controlado por su relieve y variación latitudinal, situándose de esa manera en la región tropical, es así que la influencia de la cadena montañosa y de valles truncados ocasiona que las condiciones climáticas sean variables. La característica principal del clima de los trópicos de borde de montaña, como es el caso de este municipio, es de naturaleza hídrica con períodos secos y húmedos en distintas épocas del año, siendo así que la temperatura oscila entre 2 a 26,5 °C. La precipitación media anual es de 789 mm, asimismo en época seca (abril a octubre) la precipitación alcanza un promedio de 189 mm y en la época húmeda (noviembre a marzo) es de 600 mm. 1 ANTECEDENTES En Bolivia se han suscitado deslizamientos de gran magnitud afectando tanto a zonas urbanas como zonas rurales del país, estos desastres han causado la pérdida de muchas vidas humanas y la pérdida de varios millones de dólares en infraestructuras públicas y privadas (Salamanca et al., 2011). Por otra parte, en las últimas décadas en Bolivia se tiene un incremento sustancial en la extensión de asentamientos urbanos y vías de transporte en áreas susceptibles a deslizamientos, este desarrollo de la infraestructura en el país resultara en un incremento del riesgo de amenazas de deslizamientos y desastres naturales, tal como se han venido desarrollando según el registro de eventos de deslizamientos mostrada en la Figura 1. Figura 1. Eventos de deslizamientos en Bolivia El caso más impactante en los últimos años fue el deslizamiento complejo en la zona de Pampahasi en febrero de 2011 en la ciudad de La Paz (Aguilar, 2013; Roberts et al. 2014, Hermanns et al. 2012). Los números de este deslizamiento son bastante cuantiosos con respecto a pérdidas materiales, gracias a Dios no se sufrieron pérdidas de vidas humanas (Cruz Roja Boliviana, 2011). La geografía accidentada y la compleja hidrogeología regional que presenta la cordillera de los Andes en la parte occidental de Bolivia, la cual presenta altas tasas de erosión (Blodgett e Isacks, 2007), junto con los asentamientos presentes en estas zonas con su consecuente efecto antrópico propician un escenario adecuado para que se presenten zonas propensas a deslizamientos, este es el caso de la ladera sobre la cual está asentada el municipio de Independencia en el departamento de Cochabamba (Figura 2). Este municipio es Figura 2. Vista panorámica del municipio de Independencia 528 Geológicamente el municipio de Independencia se encuentra asentado sobre sedimentos pertenecientes a la era cenozoica, sistema cuaternario, con depósitos de terrazas y sedimentos coluvio-aluviales. Estos a su vez se encuentran descansando sobre sedimentos de edad ordovícica pertenecientes a la formación Anzaldo (limolitas, lutitas y areniscas gris verdosas a marrón claro) y en su parte Nor-Este se encuentran sobre sedimentos pertenecientes a la formación Capinota (lutitas gris oscuras y niveles de areniscas marrón claras). Tectónicamente se encuentra formando un bloque afectado por varias fallas inversas con dirección Nor-Oeste. décadas en este municipio. Se discute la correspondencia entre el patrón de movimientos que revela el análisis InSAR y la observación directa de daños en la zona de estudio. El trabajo hace también particular énfasis en la aplicación del InSAR como herramienta para la planificación de una campaña de investigación “in situ” por medios más tradicionales como sondeos e inclinómetros. 3 FUNDAMENTOS DEL DINSAR 2 SITUACIÓN ACTUAL DE INDEPENDENCIA DInSAR es una técnica de teledetección para la medición de la deformación de la superficie del terreno que explota la información geométrica contenida en la fase de al menos dos imágenes complejas interferométricas SAR adquiridas sobre la misma área. Este artículo se centra únicamente en el uso de imágenes SAR satelitales. La información principal del DInSAR es la llamada fase interferométrica, obtenida mediante la diferencia de fase de dos imágenes SAR, y relacionada con la topografía de la escena observada y la deformación del terreno que se produjo entre la adquisición de las dos imágenes. En la actualidad este municipio presenta problemas de movimientos en masa, los cuales se hacen evidentes en las paredes de las estructuras que presentan grietas y rajaduras, tal como se puede apreciar en las siguientes figuras. Si se dispone de un modelo numérico del terreno (MNT) de la escena, la componente topográfica de la fase puede ser simulada y restada de la fase interferométrica, obteniendo la parte de la fase DInSAR que está principalmente relacionada con la deformación del terreno. Si se analiza en detalle esta fase DINSAR puede observarse que hay otras componentes a tener en cuenta: ➢ El ruido de fase. Los sensores SAR realizan un muestreo regular 2D del terreno. Únicamente los píxeles que se caracterizan por un bajo nivel de ruido de fase interferométrica se puede utilizar para la medición de la deformación. Con el fin de descartar los píxeles ruidosos, se pueden utilizar tanto la coherencia interferométrica como el criterio de amplitud de dispersión (Ferretti et al., 2001). Figura 3. Grietas en una estructura, Zona central ➢ La contribución atmosférica. Al igual que la fase de GPS, la fase DInSAR contiene una componente debida a la propagación de la señal radar a través de la atmósfera durante la adquisición de las imágenes. Los métodos de DInSAR Avanzados (A-DInSAR) tratan de estimar esta componente para cada imagen SAR, ver Ferretti et al. (2001) y Lanari et al. (2004). ➢ El error topográfico. La componente de fase relacionada con el error topográfico representa una fuente de error para el control de deformaciones. Su magnitud depende de la calidad del MNT usado y de la línea de base normal del interferograma (componente del vector que conecta las dos posiciones del satélite durante las adquisiciones de las imágenes, medida en la dirección perpendicular a la línea de visión del sensor). El uso de múltiples interferogramas ayuda en la estimación del error topográfico. Figura 4. Colapso de muros en la Estación de Buses, Zona Este El municipio de Independencia no cuenta con un registro histórico documentado acerca de la evolución de los movimientos ocurridos. Sin embargo, se conoce por testimonio de los pobladores, que los movimientos datan desde aproximadamente 3 décadas atrás, no obstante, se ha evidenciado que en los últimos años se han producido movimientos en masa de mayor magnitud, generando daños de consideración a las estructuras de este municipio. La mayoría de técnicas DInSAR basan su estimación de la deformación en el desenrollado de la fase interferométrica. A partir de las imágenes SAR la fase de cada pixel sólo se conoce módulo 2 (fase enrollada). La estimación de la deformación requiere la reconstrucción de todo el valor de fase a partir de la fase enrollada (fase desenrollada). Esta operación consiste en la estimación de las ambigüedades de fase y representa el paso más crítico de todo el procedimiento DInSAR. En particular, si se trabaja con un solo interferograma, una correcta reconstrucción de la Es por tanto que se ha desarrollado un estudio de evaluación y de susceptibilidad de movimientos en masa aplicando la técnica InSAR de tal manera de estimar las deformaciones superficiales y delimitar las áreas más susceptibles a movimientos en masa que se han venido desarrollando por 529 ambigüedad de fase sólo puede lograrse si el gradiente de la fase DInSAR entre los píxeles adyacentes es menor que . Teniendo en cuenta que corresponde a una deformación en la Línea de Visión del Satélite (LOS) de /4, donde es la longitud de onda del radar (para imágenes de banda-C =5.66 cm, mientras que para banda-X =3.1 cm), esto supone claramente un límite en la pendiente máxima del campo de deformación observado. Cabe destacar que el límite solamente se refiere al gradiente de deformación: la deformación máxima observable dependerá del patrón del campo de deformación dada. Para hacer frente a esta limitación puede reducirse el intervalo de tiempo entre las adquisiciones de imágenes SAR. aumentan significativamente la densidad de puntos de medición en entornos no urbanos. De esta manera se amplía la cantidad de medidas obtenidas dando la posibilidad de investigar el movimiento y de controlar muchas zonas no urbanizadas incluyendo regiones montañosas. El algoritmo SqueeSAR también produce mejoras en la calidad de las series temporales de desplazamiento. Las áreas homogéneas que producen DS comprenden normalmente varios píxeles. La serie temporal única asignada a cada DS se calcula promediando la serie temporal de todos los píxeles dentro de los DS, lo que reduce efectivamente el ruido en los datos. El número de puntos de PS y DS suele aumentar con el tiempo a medida que se capturan más imágenes, aunque, según la aplicación, se puede compensar en parte con los cambios producidos en el terreno durante el periodo de adquisición ya que esto hace disminuir el número de medidas con respuesta radar estable. Por otro lado, para los fenómenos de deformación lenta, el principal interés es la deformación mínima detectable. En estos casos, pueden elegirse largos intervalos de observación, durante los que se pueden adquirir múltiples imágenes SAR, obteniendo así un conjunto redundante de observaciones DInSAR. Esto permite reducir la influencia de los efectos atmosféricos y del ruido, y conseguir estimaciones más precisas y fiables de la deformación. En la literatura encontramos varias técnicas A-DInSAR (Advanced DInSAR) para estimar la deformación de la tierra mediante conjuntos redundantes de observaciones DInSAR. Entre ellas se incluyen la técnica de Permanent Scatterers (Ferretti et al, 2000) y la técnica de Small Baseline Subset (Berardino et al., 2002; Lanari et al., 2004). Otros enfoques interesantes se describen en Werner et al. (2003), Mora et al. (2003), y Hooper et al. (2004). En el mejor de los casos, la precisión de la velocidad estimada de deformación puede ser inferior a 1 mm/año, por ejemplo, ver Colesanti et al. (2003). 5 LOS DESLIZAMIENTOS EN MUNICIPIO DE INDEPENDENCIA (BOLIVIA) La zona de estudio se centra en la población de Independencia, y tiene una superficie de unos 50km 2. En ella se han obtenido 6255 puntos de medición, lo que supone una densidad media de 125 puntos por kilómetro cuadrado. Desde la primera descripción de la técnica, que se basa en datos SEASAT SAR (Gabriel et al., 1989), el DInSAR ha sido utilizado con éxito en una variedad de campos de aplicación, como los deslizamientos (Tamburini et al., 2013), la sismología (Massonnet et al., 1993), la vulcanología (Amelung et al., 2000), la glaciología (Goldstein et al., 1993), los hundimientos del suelo (Galloway et al., 1998), etc. Más detalles sobre los fundamentos DInSAR se pueden encontrar en Rosen et al. (2000), Hanssen (2001) y Ferretti (2014). Figura 5. Vista de los puntos de medición en la Zona de estudio Se detectan movimientos en el interior del municipio, en la zona delimitada por el lado Norte de la Ruta 25 y por el prolongamiento de esta alienación hacía el Este y en el trazado de la ruta que confluye con la 25 en los aledaños de la población y que tiene un trazado N-S. 4 ESTIMACIÓN DE MOVIMIENTOS MILIMÉTRICOS CON SQUEESAR Durante años, el análisis InSAR de conjuntos de imágenes se logró mediante el seguimiento de la posición de los reflectores radar muy coherente llamados Permanent Scatterers (PS) que estaban presentes en todo el conjunto de datos. Esta aplicación PS-InSAR (Ferretti et al., 2000) lograba una precisión milimétrica mediante la eliminación de la contribución de ruido de la atmósfera y funcionaba bien en zonas urbanas construidas. La principal limitación era la baja densidad de medidas en áreas con poca o ninguna infraestructura. Para lograr resultados útiles en zonas no urbanas, como minas, reservorios o deslizamientos, se optó por la identificación de medidas conocidas como Distributed Scatterers (DS). El punto de medición DS corresponde a las áreas que tienen respuesta similar a la señal radar. El tamaño de la zona depende del tamaño del píxel y del número de píxeles adyacentes que muestra la misma respuesta a la señal SAR. Figura 6. Ubicación de los movimientos, Zona de estudio Básicamente la tendencia es no lineal con una aceleración de los movimientos entre noviembre y marzo de los años estudiados. En la zona 1 (zona norte de la población) se muestran movimientos acumulados de aproximadamente Las técnicas avanzadas de procesado, como SqueeSAR (Ferretti et al., 2011), que utilizan tanto PS como DS 530 20mm. Uno de los puntos, el de mayor movimiento de unos 45mm acumulados, muestra una tendencia menos lineal con algunas aceleraciones de los movimientos entre noviembre y marzo de ambos años estudiados. movimientos generalmente entre los 20-25mm acumulados en el periodo y con una zona de mayor movimiento que llega a los 45mm en acumulado. Más al Este de esta zona se concentra la mayor zona de movimiento que parecería movilizar una zona de aproximadamente 1,5km entre la ruta 25 y el Río Palca. Figura 7. Acumulación de desplazamientos, Zona 1 Figura 10. Ubicación de la Zona 3 Figura 11. Acumulación de desplazamientos, Zona 3 Figura 8. Acumulación de desplazamientos, Zona 1 En esta zona los movimientos son bastante más significativos con acumulados de entre 130 y 160mm y con una tendencia más lineal. En la zona del cementerio (zona 2), la tendencia del movimiento es idéntica, con acumulados de algo más de 20mm en el período estudiado. Por geometría de la adquisición y el talud, estos puntos aparecen de color azul, indicativo que esta zona del terreno se está acercando al sensor a pesar que se está produciendo un movimiento de talud igualmente. . 6 CONCLUSION La técnica de interferómetria aplicada ha mostrado concordancia con los movimientos presentados en las tres zonas estudiadas, Zona 1 (municipio de Independencia), Zona 2 (parte este, cementerio y terminal de buses) y finalmente la Zona 3. 7 RECOMENDACIONES Tras aplicación de los análisis inteferometricos en la estimación de movimientos de las zonas estudiadas se hace necesario monitorear los movimientos que se están desarrollando en el municipio mediante técnicas de monitoreo convencionales. Figura 9. Vista del sector Este de la zona de estudio, zona 2 AGRADECIMIENTOS En la zona 3, en la confluencia de la ruta 25 al Este de la población, se produce otra zona de movimiento significativo, con tendencias a acelerarse durante el período noviembre - marzo de los años estudiados y con Los autores agradecen el apoyo de la Unión Europea, a través de su programa Horizon 2020, Marie Sklodowska-Curie 531 Acuerdo de Financiación No 645665. Asimismo la Universidad Mayor de San Simón agradece el apoyo de Tre Altamira en el presente estudio realizado. Paz, Bolivia. In: Proceedings of 2nd North American symposium on landslides, 3–6 June 2012, vol 1. Banff, Canada, pp 341–347. Hooper, A., Zebker, H., Segall, P., Kampes, B. (2004). “A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains using InSAR Persistent Scatterers”. Geophysical Research Letters, 31, L23611, doi:10.1029/2004GL021737. REFERENCIAS Aguilar, O.Q. (2013). 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