Investigación aplicada en la Ingeniería

Aplicaciones de la interferometría radar de satélite en ingeniería civil

La interferometría radar de satélite (InSAR) constituye una técnica remota empleada para determinar la magnitud de los desplazamientos de la superficie del terreno. Se basa en el cálculo de las diferencias de fase entre dos imágenes SAR para obtener información de los movimientos con precisión milimétrica. Permite identificar y cartografiar zonas activas que presentan movimientos, caracterizarlas, monitorizarlas a lo largo del tiempo y modelizar los procesos subyacentes, así como identificar y evaluar daños en infraestructuras. En el presente artículo se describe de forma sucinta el fundamento de la técnica y se muestran diversos ejemplos de aplicación en ingeniería civil.

Palabras clave: técnica remota, radar de satélite, InSAR, ingeniería civil, monitorización, desplazamientos.

Satellite radar interferometry (InSAR) is a remote sensing technique used to measure the magnitude of the displacements of ground surface. It is based on the determination of the phase differences between two SAR images to obtain the movement with an accuracy of millimetres. It allows to identify and map, characterize and monitor over time active areas affected by movements, and to model the underlying processes, as well as to identify and evaluate infrastructures damage. In this work a very brief description of the basis of the technique is included and various examples of application to civil engineering are shown.

Keywords: remote sensing technique, InSAR, civil engineering, monitoring, displacement.

Roberto Tomás Jover

Catedrático de universidad.

Área de Ingeniería del Terreno. Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Alicante.

©ThisisEngineering RAEng

Las infraestructuras puedan verse afectadas a lo largo de su vida útil por procesos de diversa naturaleza y magnitud que se manifiestan a través de desplazamientos (p. ej., asientos). Por ello, resulta necesario comprobar que funcionan según lo previsto, no presentando deformaciones excesivas que puedan poner en peligro su estabilidad, generar pérdidas de funcionalidad o situaciones críticas de seguridad.

Los desplazamientos se miden habitualmente mediante técnicas topográficas (p. ej., colimaciones o nivelaciones) o instrumentación in situ (p. ej., inclinómetros). Sin embargo, estas técnicas de auscultación pueden interferir con las actividades normales de la obra o con el uso de las infraestructuras o incluso generar situaciones de riesgo (p. ej., toma de datos en carreteras en explotación).

Las interferometría radar de apertura sintética (InSAR) es una técnica remota que constituye una buena alternativa para medir con gran precisión y resolución los desplazamientos que afectan a las infraestructuras. La InSAR proporciona tanto mapas de distribución de desplazamientos como series temporales que muestran la evolución en el tiempo de los desplazamientos de la superficie del terreno y de las estructuras asentadas sobre el mismo.

En este trabajo se lleva a cabo un breve repaso del potencial de la InSAR en el ámbito de la ingeniería civil a través de numerosos ejemplos de aplicación. Asimismo, se discuten las ventajas y desventajas principales de esta técnica.

Fundamento de la técnica InSAR

Los satélites SAR orbitan alrededor de la Tierra a través de órbitas polares emitiendo señales radar. La señal reflejada en la superficie de la Tierra es recibida de nuevo por el satélite, obteniendo así imágenes SAR de las mismas zonas a lo largo del tiempo. El procesado de estas imágenes mediante la técnica InSAR permite calcular la evolución de los desplazamientos de la superficie de la Tierra. En el presente apartado se lleva a cabo una descripción muy sucinta del fundamento de la técnica InSAR.

La InSAR convencional compara la fase (Ø) de dos imágenes SAR adquiridas sobre la misma escena en fechas distintas (Figura 1). 

Figura 1.

El desplazamiento de cada píxel de las imágenes se calcula a partir de los interferogramas, que consisten en mapas que representan la diferencia de fase (ΔØ) durante el intervalo considerado. Por tanto, los desplazamientos (ΔR) a lo largo de la línea de vista del satélite se calculan a partir de ΔØ, tal y como se ilustra en la Figura 1.

La InSAR multitemporal comenzó a utilizarse a principios de este siglo (Ferretti et al., 2001) como una mejora de la InSAR convencional. Esta técnica utiliza un gran número de imágenes SAR para realizar una mejor estimación de los desplazamientos y minimizar el error asociado a las pérdidas de la señal introducidas por los artefactos atmosféricos. Para ello, se combinan todas las imágenes SAR disponibles para obtener los correspondientes interferogramas. A continuación, se seleccionan aquellos píxeles en los que se va a estimar el desplazamiento a través de la coherencia o la amplitud de cada píxel en todo el conjunto de interferogramas. Una vez seleccionados los píxeles (denominados reflectores permanentes o persistent scatterers en inglés, PS) se determinan los desplazamientos a través de procedimientos más o menos complejos.

Para más información sobre los procedimientos de procesado interferométrico se recomiendan al lector, por ejemplo, los trabajos publicados por Hanssen (2001), Crosetto et al. (2016) y Pepe y Calo (2017).

Aplicaciones en ingeniería civil

El uso de la técnica DInSAR en la ingeniería civil se ha extendido a lo largo de los últimos años. En los siguientes apartados se muestran diversas aplicaciones.

  • Identificación y mapeo automático de anomalías

Las infraestructuras pueden verse afectadas por procesos de deformación a lo largo de su vida útil (p. ej., asientos o inestabilidades). Habitualmente, estos procesos se manifiestan una vez que han alcanzado cierta envergadura a través de daños superficiales que se identifican mediante inspecciones visuales. Sin embargo, el empleo sistemático de la InSAR permite identificar y cartografiar de forma automática las áreas afectadas por los desplazamientos desde sus primeras fases de desarrollo (Figura 2) a través de herramientas de análisis programadas para tal fin (Barra et al., 2017; Navarro, 2019; Navarro et al., 2020; Tomás et al., 2019). Esta metodología puede ser fácilmente integrada dentro de los procesos de planeamiento urbanístico y mantenimiento de infraestructuras para identificar situaciones anómalas (Figura 3), conocer su extensión y evolución a lo largo del tiempo y establecer planes de inspección y prioridades de actuación.

  • Auscultación y caracterización

La técnica InSAR también permite monitorizar la evolución de los desplazamientos a lo largo del tiempo para cada PS. Esta información resulta extremadamente relevante en el control de: (a) procesos de consolidación de suelos (p. ej., control de precargas o de asientos de estructuras) (Figura 4) (Bonì et al., 2015; Ezquerro et al., 2014; Hu et al., 2019; Tomas et al., 2011; Tomas et al., 2010; Tomás et al., 2005); (b) monitorización de movimientos de ladera o taludes (Del Soldato et al., 2018; Tomás et al., 2014); (c) asientos superficiales producidos por la construcción de túneles o galerías subterráneas (Herrera et al., 2007; Sillerico et al., 2015); y (d) diseño de sistemas de alarma temprana que permitan actuar con suficiente antelación al estado de rotura para evitar pérdidas humanas y minimizar los daños materiales mediante el análisis de los movimientos precursores (Dai et al., 2020).

Además, los datos InSAR combinados con otra información complementaria (p. ej., sondeos, series temporales de lluvia, temperatura o niveles piezométricos) permiten caracterizar los procesos que producen los desplazamientos medidos, así como establecer y cuantificar su relación con los factores condicionantes y desencadenantes, lo que contribuirá a una mejor gestión, corrección y planificación del riesgo asociado al fenómeno monitorizado.

  • Evaluación de daños

Los datos InSAR también pueden ser utilizados dentro del proceso de identificación y evaluación de daños de infraestructuras tanto a pequeña escala (p. ej., una línea de ferrocarril) como en detalle (p. ej., un puente) (Figura 5). Los desplazamientos medidos en amplias zonas permiten llevar a cabo evaluaciones preliminares de estados límite de servicio (p. ej., distorsiones angulares y asientos) para identificar partes de las infraestructuras en los que estos hayan sido superados (Bru et al., 2013; Herrera et al., 2012; Infante et al., 2019; Pastor et al., 2019; Peduto et al., 2016; Sanabria et al., 2014; Tomás et al., 2012).

Asimismo, los datos InSAR combinados con un inventario detallado de daños permite elaborar curvas de fragilidad (Del Soldato et al., 2019; Ezquerro et al., 2020; Peduto et al., 2016) que, a su vez, pueden ser empleadas para elaborar mapas de probabilidad de daño, que resultan de gran utilidad en la ordenación del territorio para la disminución de daños o víctimas.

Figura 2. Velocidades de desplazamiento del puerto de Valencia obtenidas a partir del procesado de 54 imágenes del satélite CosmoSkyMed (banda X) adquiridas entre el 14/05/2011 y el 08/08/2012.
Figura 3. Mapa de desplazamientos (obtenidos a partir de órbitas ascendentes y descendentes) y de áreas activas de desplazamiento (77 en total) identificadas a partir de los datos InSAR en un tramo de la línea de ferrocarril Lamezia Terme-Rosarno (SW de Italia).
Figura 4. Mapa de desplazamientos InSAR acumulados medidos en el embalse de La Pedrera (Alicante) entre julio de 2008 y junio de 2010 mediante imágenes del satélite TerraSAR-X.
Figura 5. (a) Mapa de velocidad de desplazamientos de una estructura en el puerto de Valencia mediante InSAR usando imágenes del satélite CosmoSkyMed (banda X) adquiridas entre el 14/05/2011 y el 08/08/2012; (b) y (c) Detalle de las deformaciones producidas por los asientos; (d) Perfil longitudinal de desplazamientos a lo largo del eje de la carretera.

Cabe indicar que, dado que existen archivos históricos de imágenes InSAR desde 1992, se pueden llevar a cabo análisis retrospectivos que pueden resultar de interés para analizar situaciones anteriores a los daños observados en la actualidad.

  • Modelización

Los datos InSAR resultan de gran utilidad para la validación de modelos analíticos y numéricos. Asimismo, han sido ampliamente empleados para su calibración, permitiendo incluso calcular parámetros del terreno (Bonì et al.et al. 2020; Francioni et al. 2021; Herrera et al. 2009; Tomás et al. 2010). Algunos programas de cálculo permiten superponer los datos InSAR a los modelos para llevar a cabo calibraciones avanzadas y refinamientos de los parámetros de entrada de los modelos.

Discusión: presente y futuro de la InSAR

La InSAR se ha convertido en una herramienta de gran utilidad para la medida de los desplazamientos de la superficie del terreno y de las estructuras asentadas sobre el mismo en amplias zonas del territorio. Se ha empleado profusamente en el estudio de riesgos geológicos y cada vez es más utilizada para la auscultación de infraestructuras. La figura 6 muestra un resumen de las aplicaciones de la InSAR en diferentes tipos de infraestructuras.

Esta técnica puede resultar de gran utilidad en las diferentes fases de las obras civiles. Durante las fases de planificación (es decir, estudios de planeamiento o estudios previos de soluciones), la InSAR permite identificar posibles zonas conflictivas (p. ej., áreas afectadas por deslizamientos de ladera a lo largo del corredor de una autovía), permitiendo así evitar estas zonas o adoptar medidas correctoras para paliar posibles afecciones a la obra. Durante las fases de construcción la técnica no permite monitorizar el ámbito de la obra debido a la decorrelación producida por las modificaciones de la superficie del terreno, aunque sí las áreas o elementos contiguos que pudieran verse afectados por la actividad constructiva. 

Figura 6.

Finalmente, durante el periodo de explotación, los datos InSAR permiten llevar a cabo la auscultación de la infraestructura y de sus áreas adyacentes, pudiendo ser incorporados en el proceso de conservación de las infraestructuras para la identificación y control de áreas de deformación (p. ej., asientos posconstructivos o inestabilidades de taludes).

Las principales ventajas de la InSAR en el ámbito de la ingeniería civil son:

  • Permite obtener miles de puntos (es decir, PS) con información espacio-temporal de los desplazamientos en amplias zonas del territorio, como por ejemplo una ciudad, el vaso y las presas de embalses o largos tramos de carretera (p. ej., las imágenes de Envisat cubren áreas de 100×100 km).
  • Proporciona una frecuencia de muestreo superior a la de las técnicas geodésicas clásicas, lo que permite asegurar la calidad de las tendencias de desplazamiento tanto temporales como espaciales y actualizar continuamente los datos. El tiempo de revisita depende del sensor empleado. Por ejemplo, los satélites ERS-1, ERS-2 y ENVISAT (banda C) presentaban un periodo de revisita de 23 días; CosmoSkyMed, PAZ y Terra-SAR-X (banda X), de 11 días; y Sentinel-1 (banda C), de 6 días.
  • Presenta una precisión muy elevada, situándose en torno a 0,5 mm/año para las velocidades y 5 mm para la deformación (Prati et al. 2010).
  • La resolución depende del tipo de sensor empleado. Cuanto mayor es su longitud de onda, menor es la resolución. Por ejemplo, los satélites de banda L presentan la menor resolución de procesado, los de banda X presentan una mayor resolución y los de banda C proporcionan resoluciones intermedias.
  • Permite llevar a cabo análisis históricos desde 1992 de la mayor parte de la superficie de la Tierra.

Por otro lado, los inconvenientes principales en relación a su aplicación en ingeniería civil son:

  • Imposibilidad de estudiar las zonas sumergidas de puertos, canales o presas, por ejemplo, dado que las ondas radar son incapaces de penetrar en el agua dispersando o reflejando la señal.
  • Los movimientos de componente N-S no pueden ser detectados por la InSAR debido a las órbitas polares descritas por los satélites. Esta es una limitación importante para ciertas infraestructuras en las que los movimientos esperados presentan esta componente de desplazamiento.
  • Decorrelación de la señal por la ocurrencia de cambios significativos en la escena, impidiendo la monitorización durante la ejecución de obras que alteren significativamente la superficie del terreno, permitiendo únicamente medir los desplazamientos cuando estas son finalizadas o se detienen temporalmente. La vegetación y la nieve pueden también producir importantes decorrelaciones. A su vez, los artefactos atmosféricos pueden introducir ciertos errores en las mediciones InSAR aunque el desarrollo de técnicas de corrección cada vez más avanzadas ha reducido considerablemente esta fuente de error.

La técnica InSAR es una herramienta con un enorme potencial dentro del campo de la ingeniería civil

Aunque todos los ejemplos mostrados anteriormente corresponden a procesados realizados con imágenes adquiridas desde satélite, existe la posibilidad de monitorizar desplazamientos de la superficie del terreno usando datos de radar de apertura sintética terrestre (Ground-based SAR, GB-SAR, en inglés). Este es un sistema en el que las imágenes SAR se adquieren desde un sensor situado en tierra que apunta a la infraestructura que se desea monitorizar, mejorando considerablemente la resolución, la precisión y la frecuencia de las medidas. Este sistema ha sido aplicado con éxito en la monitorización de presas (Wang et al. 2020), edificios situados en zonas afectadas por subsidencia minera (Pipia et al. 2007) y movimientos de ladera (Tarchi et al. 2003). Asimismo, en los últimos años se han desarrollado diversas experiencias de interferometría SAR con sistemas montados sobre vehículos aéreos no tripulados.

El incremento de la capacidad de cálculo y la disponibilidad de imágenes SAR de forma regular y gratuita desde el lanzamiento del satélite europeo Sentinel-1 permite llevar a cabo una actualización continua del procesado InSAR; es decir, proporciona una actualización de los mapas y las series temporales de desplazamiento cada vez que el satélite adquiere una nueva imagen de la zona de interés cada pocos días (Bakon et al. 2020; Raspini et al. 2018). Esto permite hacer un seguimiento continuo muy preciso de las infraestructuras afectadas por desplazamientos, facilitando la implementación de sistemas de alarma temprana y la toma de decisiones.

Por último, cabe indicar que, por su carácter espacio-temporal, los datos InSAR pueden ser fácilmente integrados en sistemas de información geográfica (SIG) o en modelos BIM.

 

Comentarios finales

La InSAR es una técnica remota que permite medir los desplazamientos de la superficie de la tierra. Las principales bondades de la InSAR son su gran cobertura espacial (de hasta 10.000 km2) y temporal (se dispone de imágenes desde 1992), la elevada precisión (subcentimétrica) y la gran frecuencia de muestreo (cada pocos días), que la convierten en un sistema de medida de los desplazamientos en el ámbito de la ingeniería civil sin precedentes. Puede ser empleada en todas las fases de la obra (es decir, planificación, construcción y explotación) y en diferentes tipos de infraestructuras (es decir, túneles y obras subterráneas, presas y embalses, infraestructuras lineales, puertos, aeropuertos, planeamiento urbanístico y edificación).

Una de las aplicaciones principales de la InSAR consiste en la identificación y mapeo de anomalías. Sin embargo, el principal uso de la InSAR es la monitorización de desplazamientos a lo largo del tiempo (p. ej., asientos del terreno, movimientos de ladera y taludes, asientos en superficie producidos por el paso de un túnel). También se han llevado a cabo algunas experiencias para la detección de movimientos precursores previos a la rotura o fallo de estructuras mediante InSAR. El análisis conjunto de datos InSAR con información complementaria permite además caracterizar adecuadamente los procesos subyacentes y establecer relaciones con los factores desencadenantes o condicionantes de los desplazamientos. Por otro lado, los movimientos medidos adecuadamente tratados permiten evaluar los ELS de ciertas infraestructuras. Por último, la información InSAR permite estimar parámetros del terreno, así como calibrar y refinar los modelos analíticos y numéricos.

El radar de apertura sintética terrestre y los sensores radar montados sobre vehículos aéreos no tripulados construye una alternativa al radar de satélite a la hora de medir desplazamientos de infraestructuras con gran precisión, resolución o frecuencia. Además, la adquisición continua de imágenes SAR de la superficie de la Tierra abre las puertas a la implementación de estrategias de actualización continua de la información sobre las deformaciones de las infraestructuras.

En definitiva, la técnica InSAR es una herramienta con un enorme potencial dentro del campo de la ingeniería civil, que ofrece multitud de posibilidades y aplicaciones que contribuyen a mejorar el diseño, la construcción, la conservación y la seguridad de las infraestructuras.

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