Tecnología y métodos InSAR

Medimos la deformación del terreno con toda la gama de técnicas de interferometría radar satelital (InSAR). Cada método se adapta a un patrón de movimiento distinto, desde un asentamiento lento de escala milimétrica hasta un desplazamiento rápido de escala métrica, y seleccionamos el enfoque, o la combinación de enfoques, que mejor se ajusta al sitio y a la pregunta planteada.

Los métodos siguientes abarcan la interferometría diferencial convencional, el seguimiento de desplazamientos (de píxeles) por speckle para grandes movimientos, las series temporales de deformación construidas con PSI, SBAS y el MSBAS multidimensional, y los datos radar satelitales que los alimentan a todos, desde el archivo histórico de principios de la década de 1990 hasta los actuales Sentinel-1 y los sensores comerciales de alta resolución. Estos métodos sustentan nuestros servicios de monitoreo de deformación del terreno -desde la deformación de yacimientos e inyección hasta la cartografía de taludes y subsidencia-, se han aplicado a escala nacional para construir amplios mosaicos de deformación a partir de grandes archivos de Sentinel-1, e informan un error estándar para cada tasa medida.

El InSAR diferencial (DInSAR) compara la fase de dos imágenes radar adquiridas en fechas distintas para cartografiar el movimiento del terreno ocurrido entre ellas. Un solo interferograma puede revelar un patrón de deformación en toda una escena con sensibilidad centimétrica a milimétrica. Es la base de todos los demás métodos aquí descritos y resulta idóneo para cartografiar eventos puntuales como un terremoto, una subsidencia repentina o un levantamiento volcánico.

El DInSAR mide el movimiento a lo largo de la línea de vista del satélite y depende del desenrollado de fase, fiable solo para deformaciones pequeñas a moderadas. Donde la superficie permanece coherente entre pasadas, ofrece la mayor precisión de todas estas técnicas.

Cuando el movimiento es demasiado grande o demasiado rápido para desenrollar la fase de forma fiable, en su lugar rastreamos el desplazamiento de los rasgos de la imagen entre adquisiciones. El seguimiento de desplazamientos de píxeles mide el movimiento tanto en distancia como en azimut y puede seguir desplazamientos de metros, por ejemplo deslizamientos rápidos, glaciares o el terreno sobre una mina activa, donde la interferometría convencional pierde coherencia.

Como el seguimiento de desplazamientos por speckle no requiere desenrollado de fase, capta movimientos que el DInSAR no puede medir, incluido el movimiento a lo largo de la dirección de vuelo (azimut) del satélite. Su precisión es menor que la del DInSAR y depende de la resolución espacial de los datos radar, por lo que ambos suelen usarse juntos.

Una serie temporal de deformación convierte una pila de mediciones radar individuales en un historial continuo de cómo se ha movido cada punto del terreno. En lugar de un único par antes-después, se invierten juntas decenas a cientos de adquisiciones para estimar la tasa de deformación entre fechas sucesivas, que luego se acumula en un registro de desplazamiento acumulado para cada píxel. El resultado no es solo cuánto se ha movido el terreno, sino cómo ha evolucionado el movimiento, dónde se acelera, se ralentiza o se invierte.

Como los datos radar reales solo son parcialmente coherentes, la inversión se regulariza y una comprobación de calidad por píxel (rango) elimina los puntos donde existen muy pocas mediciones fiables, de modo que la serie temporal informa del movimiento solo donde es fiable. El muestreo temporal puede ajustarse, por ejemplo a tasas anuales o estacionales, para ampliar la cobertura espacial, acortar el procesamiento o hacer más claras las señales estacionales. PSI, SBAS y MSBAS son todos métodos de series temporales basados en este principio.

La PSI sigue una red de puntos estables y de fuerte reflexión, como edificios, afloramientos rocosos e infraestructuras, a lo largo de una larga pila de imágenes radar. Al aislar estos dispersores persistentes alcanza una precisión muy alta sobre objetivos individuales y resulta idónea para vigilar estructuras, subsidencia urbana e infraestructuras durante muchos años.

La SBAS construye una serie temporal de deformación a partir de muchos interferogramas formados entre pares de imágenes con poca separación en tiempo y posición. Esto preserva la coherencia sobre terrenos naturales, no urbanos, y produce mapas de movimiento espacialmente continuos, lo que la hace idónea para la subsidencia de gran extensión, los deslizamientos y la deformación regional lenta.

El MSBAS combina mediciones de deformación de dos o más trayectorias satelitales, normalmente órbitas ascendentes y descendentes, y puede usar conjuntamente interferogramas DInSAR y datos de desplazamiento por speckle (en distancia y azimut). Como cada trayectoria y cada dirección de medición ve el terreno de forma distinta, su inversión conjunta recupera la dirección real del movimiento en lugar del movimiento a lo largo de una sola línea de vista. Según cuántas geometrías de observación y qué tipo de datos de entrada estén disponibles, el MSBAS produce series temporales de deformación de una, dos, tres o cuatro dimensiones, opcionalmente restringidas por la topografía de la superficie.

Combina conjuntos de datos que se solapan y comparten una geometría de observación similar en una única serie temporal unidimensional densamente muestreada a lo largo de la línea de vista radar. Esto aumenta la frecuencia con que se mide el terreno y extiende el registro más atrás en el tiempo.

Combina datos ascendentes y descendentes para separar el movimiento en componentes vertical y horizontal este-oeste. Supone un movimiento norte-sur insignificante, una buena aproximación para muchos casos de subsidencia y levantamiento, y es la forma más usada para la deformación por aguas subterráneas, minería y volcanismo.

Cuando se añaden mediciones de desplazamiento en azimut a los datos ascendentes y descendentes, el MSBAS resuelve el campo de desplazamiento tridimensional completo, norte, este y vertical, sin suponer que ninguna dirección sea cero. Esto da una imagen completa y no restringida de cómo se mueve realmente la superficie.

Una solución tridimensional restringida por la topografía, que supone que la superficie se mueve paralela al terreno, usando un modelo digital de elevación para relacionar las componentes. Recupera el movimiento 3D completo a partir de menos geometrías de observación y resulta idónea para deslizamientos lentos y profundos y para el flujo de glaciares, donde el material se desplaza a lo largo de la superficie del terreno.

Una solución restringida relacionada en la que se supone que el movimiento horizontal sigue la dirección de orientación de la ladera, tomada del modelo de elevación. Como la forma paralela a la superficie, resuelve el desplazamiento tridimensional de deslizamientos profundos a partir de datos limitados, restringiendo la dirección del flujo con la pendiente local.

Resuelve el norte, el este y dos subcomponentes verticales distintas, separando dos procesos verticales superpuestos, por ejemplo una tendencia a largo plazo y una señal estacional o transitoria, y extiende el resultado en el tiempo. Este registro cuatridimensional muestra cómo evoluciona cada parte del campo de desplazamiento completo durante el periodo de monitoreo.

Cada resultado depende de los datos radar que lo respaldan. Trabajamos con todo el archivo de satélites civiles de radar de apertura sintética (SAR), combinando un amplio registro histórico con los sensores más recientes de alta frecuencia y alta resolución.

El SAR espacial apto para interferometría se remonta a principios de la década de 1990, con ERS-1 y ERS-2, Envisat, JERS-1 y ALOS PALSAR. Este archivo nos permite reconstruir el movimiento del terreno ocurrido años o décadas antes de iniciar un proyecto y establecer una línea base histórica para sitios que nunca tuvieron instrumentos, lo que a menudo es la única forma de entender cómo se ha comportado a largo plazo una ladera, un acuífero o una mina.

La mayoría del monitoreo actual usa Sentinel-1, la misión europea Copernicus en banda C, que toma imágenes de amplias zonas cada pocos días y es de acceso abierto y gratuito - la herramienta de referencia para el monitoreo de gran escala. Para el detalle fino usamos la banda X de TerraSAR-X (Alemania) y de COSMO-SkyMed (Italia), que resuelven estructuras individuales de hasta cerca de un metro, y recurrimos a la banda L de ALOS-2 (Japón), eligiendo banda C, banda X o banda L y las geometrías ascendentes y descendentes que cada sitio necesita. La banda L, de mayor longitud de onda, como la de ALOS-2, conserva la coherencia sobre la vegetación donde las longitudes de onda más cortas se decorrelacionan, lo que resulta decisivo sobre bosque y terreno septentrional.

Existe un compromiso entre cobertura, resolución y costo. Sentinel-1 es gratuito, de amplia cobertura y resolución media; los sensores comerciales de alta resolución como TerraSAR-X revelan detalles finos en estructuras individuales, pero son caros y cubren áreas más pequeñas. Nuestra estrategia estándar es comenzar con los datos gratuitos de Sentinel-1 para examinar todo el sitio, construir la línea base histórica y localizar dónde se mueve el terreno, y luego encargar datos comerciales de mayor resolución solo donde se justifique un mayor detalle o precisión.

El procesamiento de estas grandes pilas de imágenes radar es intensivo en cómputo: se invierten cientos de imágenes píxel a píxel, por lo que nuestro software está paralelizado para ejecutarse en clústeres de cómputo de múltiples nodos. Esto es lo que hace práctico el monitoreo plurianual y de gran extensión de un sitio entero.

En la práctica, a menudo combinamos varias de estas técnicas: una serie temporal PSI o SBAS para la tendencia a largo plazo, el seguimiento de desplazamientos donde el movimiento es grande y el MSBAS para resolver la dirección fusionando varios satélites. La combinación adecuada depende de la velocidad y la escala del movimiento, la cobertura del terreno y el uso que se dará a los resultados. Nuestros métodos de procesamiento se basan en investigación revisada por pares publicada en revistas internacionales de teledetección.

¿Qué es el InSAR?

El InSAR (radar interferométrico de apertura sintética) mide el movimiento del terreno desde el espacio comparando la fase de imágenes radar satelitales repetidas, cartografiando la deformación en amplias zonas con precisión milimétrica a centimétrica sin ningún instrumento en el terreno.

¿Cuál es la diferencia entre el DInSAR y el seguimiento de desplazamientos?

El DInSAR mide movimientos pequeños a moderados con gran precisión comparando la fase radar, pero requiere desenrollado de fase. El seguimiento de desplazamientos de píxeles (speckle) mide movimientos mucho mayores y rápidos, de metros, siguiendo los rasgos de la imagen sin desenrollado, a menor precisión. El MSBAS puede combinar ambos.

¿Cuál es la diferencia entre PSI y SBAS?

La PSI sigue una red de puntos estables y de fuerte reflexión con muy alta precisión y funciona mejor en zonas urbanizadas, mientras que la SBAS produce mapas espacialmente continuos y preserva la coherencia sobre terrenos naturales. Muchos proyectos usan ambas.

¿Qué aporta el MSBAS frente al InSAR estándar?

Una sola imagen radar mide el movimiento únicamente a lo largo de la línea de vista del satélite. El MSBAS combina varias geometrías de observación para recuperar el movimiento vertical, este-oeste y norte-sur, y puede extenderlo en el tiempo como un registro cuatridimensional.

¿Qué satélites utilizan?

Usamos principalmente Sentinel-1, que es gratuito y cubre amplias zonas cada pocos días, junto con sensores comerciales de alta resolución como TerraSAR-X cuando se necesita detalle fino. También recurrimos al archivo SAR histórico que se remonta a la década de 1990 (ERS, Envisat, JERS, ALOS) para reconstruir el movimiento pasado.

¿Pueden medir la deformación ocurrida en el pasado?

Sí. El archivo radar satelital se remonta a principios de la década de 1990, por lo que a menudo podemos reconstruir años o décadas de movimiento pasado del terreno en un sitio, incluso donde nunca se instalaron instrumentos.