InSAR y movimientos en masa en Independencia, Bolivia

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Aplicación de la técnica InSAR en la detección de movimientos en masa en el
municipio de Independencia (Bolivia)
Conference Paper · June 2017
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Josep Raventós i Fornós
Marcos Arroyo
TRE Altamira
Universitat Politècnica de Catalunya
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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.
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