GEO-TECNOLOGÍA INSAR:MONITOREO PRECISO DE DEFORMACIONES SUPERFICIALES EN ESTRUCTURAS Y TERRENOS

El radar interferométrico de apertura sintética, o InSAR, también es una alternativa que se considera con mayor frecuencia al evaluar las opciones de monitoreo de la deformación de la superficie. InSAR normalmente utiliza señales de radar de satélites en órbita para obtener imágenes de la superficie de la Tierra, aunque la técnica también se puede realizar con instrumentos aéreos o terrestres. Las imágenes recopiladas desde el mismo punto de la órbita, pero en momentos diferentes, se comparan para detectar la deformación de la superficie. InSAR basado en el espacio no requiere instalación ni operación de equipos, no se ve obstaculizado por el clima y puede proporcionar datos de cobertura de superficie del 100 por ciento en un área muy grande sin la necesidad de acceder al sitio.

Durante décadas, el InSAR de menor resolución se ha utilizado con éxito para monitorear la deformación regional debido a la actividad volcánica, los terremotos, la extracción de aguas subterráneas y los deslizamientos de tierra. Más recientemente, los avances en InSAR de mayor resolución han permitido monitorear las deformaciones de la superficie en estructuras de obras civiles como presas, puentes y edificios con precisión milimétrica y alta resolución. La tecnología se utilizó con éxito en la presa de Mosul entre 2016 y 2019 para identificar características kársticas del subsuelo mediante la detección de asentamientos superficiales sutiles. La Figura 1 muestra datos InSAR procesados visualizados en GIS. Se realizaron extensas evaluaciones de la verdad del terreno y se verificó la correlación del desplazamiento de la superficie identificado con las características kársticas a través de perforaciones en el subsuelo, como se ilustra en la Figura 2.

Hay muchos factores que se deben considerar a la hora de implementar esta prometedora tecnología porque no todos los satélites ni todo el procesamiento y visualización de datos son iguales. El personal con experiencia en la aplicación InSAR debe evaluar todos los factores antes de seleccionar empresas de procesamiento de datos, satélites InSAR y modos de recopilación de datos. Los principales factores que se deben considerar incluyen la resolución de los datos, la estrategia de recopilación de datos, la selección de intervalos de monitoreo, la ubicación de los monumentos y la topografía donde están ubicados, y los procedimientos seleccionados para la adquisición, procesamiento y visualización de datos.

Muchos métodos de recopilación de datos topográficos, incluidos GPS y EDM, implican tomar mediciones en puntos topográficos individuales. La cobertura espacial de estas mediciones depende del número de puntos de estudio monitoreados. Debido a que cada medición solo monitorea el desplazamiento en un área localizada, existe la posibilidad de que las deformaciones no se detecten si los puntos de monitoreo no están ubicados en el área de desplazamiento. La Figura 3 ilustra cómo se pueden pasar por alto las deformaciones locales mediante un monitoreo de puntos de levantamiento ampliamente espaciados. Este desafío puede hacer que los métodos de monitoreo como LiDAR e InSAR sean más atractivos porque proporcionan una densidad de datos mucho mayor.

Los LiDAR aerotransportados ofrecen una cobertura de superficie cercana al 100 por ciento con una resolución de datos de unos pocos metros y una precisión de aproximadamente 15 cm. Sin embargo, el alcance de la cobertura, la resolución real y la precisión dependen de los métodos de recopilación y la aplicación. Las opciones de fotogrametría LiDAR y de drones aerotransportados y con drones pueden proporcionar una recopilación rápida de datos, pero el clima, los horarios de vuelo y los costos de los equipos pueden limitar la recopilación de datos. Cuando LiDAR no sea posible debido a la cobertura de nubes, la tomografía InSAR podría ser el enfoque preferido.

Existen múltiples satélites de varias agencias espaciales que ofrecen diferentes capacidades de resolución espacial, longitudes de onda de radar, niveles de precisión y costos. De las plataformas operativas o de próximo lanzamiento, las opciones de longitud de onda son banda X (3,1 cm), banda C (5,5 cm), banda S (12 cm) y banda L (24 cm), con mayor resolución espacial. generalmente disponibles para los instrumentos de longitud de onda más corta. Por ejemplo, los satélites Sentinel-1 proporcionan datos gratuitos en banda C con una resolución espacial más baja (20 m) y datos de menor precisión que los instrumentos de banda X. Los datos de Sentinel-1 están disponibles abiertamente a través de plataformas en línea como Alaska Satellite Facility (alaska.edu).

Otros satélites, como TerraSAR-X, PAZ y COSMO SkyMed, emplean radares de longitud de onda más corta (banda X) que proporcionan una resolución espacial más alta (modo Stripmap de 3 m) y una mayor precisión. Sin embargo, la mayor resolución y precisión conllevan un mayor costo para adquirir los datos y un área de cobertura total más pequeña de cada imagen, como se muestra en la Tabla 1. El modo "Staring Spotlight" de mayor resolución es el más apropiado para monitorear la mayoría de las obras de ingeniería civil. proyectos, y el costo de los datos de alta resolución es relativamente pequeño en comparación con los costos laborales para el procesamiento y la presentación de informes. Sin embargo, en los casos en los que el área de interés es relativamente pequeña y la deformación resultante no tiene una gran pérdida de vidas ni consecuencias económicas, LiDAR, o incluso los métodos topográficos tradicionales, pueden ser opciones más rentables. Nuevamente, las compensaciones entre InSAR y otros métodos de monitoreo deben ser evaluadas e informadas por personal con experiencia en la aplicación práctica de InSAR en proyectos civiles.

Todos los programas de monitoreo deben diseñarse con una estrategia de recopilación de datos que recopile suficientes datos a intervalos suficientes para detectar cambios con suficiente tiempo de advertencia para tomar cualquier acción necesaria de manera oportuna, particularmente cuando hay implicaciones para la seguridad de la vida.

Los requisitos de recopilación de datos demasiado frecuentes pueden hacer que los métodos convencionales requieran mucha mano de obra y sean costosos. Emplear métodos automatizados puede ser más rentable, especialmente cuando hay una alta densidad de puntos de monitoreo o donde el proyecto es remoto o en un área de difícil acceso.

Los satélites InSAR pueden escanear constantemente casi toda la superficie de la Tierra. Los satélites Sentinel-1 completan un conjunto completo de órbitas para obtener imágenes de la Tierra aproximadamente cada 12 días. Teniendo en cuenta las imágenes tanto en órbitas ascendentes como descendentes, esto significa que la mayoría de los puntos de la Tierra pueden obtenerse imágenes cada seis días o menos. La combinación de datos de satélites compatibles también puede aumentar la frecuencia de recopilación. Cuando existe la necesidad de un monitoreo más frecuente, como áreas de alto riesgo con deformación rápida, se encuentran disponibles métodos como el InSAR terrestre automatizado y el LiDAR para proporcionar fácilmente un monitoreo casi continuo.

A menudo es valioso comprender la deformación histórica y, cuando no existía previamente un programa de monitoreo, InSAR puede proporcionar una capacidad única. Dependiendo de cuándo se puso en órbita un satélite en particular, es posible que haya conjuntos de datos archivados disponibles para analizar la deformación histórica incremental y acumulativa. Algunos conjuntos de datos InSAR se almacenan desde 2007, pero esta información más antigua tiende a no ser particularmente valiosa para los análisis de monitoreo de infraestructura porque tiene una resolución relativamente baja, superior a 1 m.

La resolución de datos de un metro o menos es la más apropiada para el monitoreo de infraestructura y ha estado disponible desde 2015. Sin embargo, no todos los datos históricos se descargaron de los satélites ni se guardaron para uso futuro. La mayoría de los proveedores realizan enlaces descendentes y guardan datos que cubren las principales áreas metropolitanas de todo el mundo. Por lo tanto, cuanto más cerca esté un proyecto de una ciudad importante, es más probable que aún estén disponibles datos históricos de InSAR de alta resolución. Para obtener una resolución de menos de 1 m, se debe indicar al satélite que recopile datos específicamente en un sitio en particular, por lo que estos datos de muy alta resolución generalmente no estarán disponibles para análisis históricos.

Para proyectos que requieren un monitoreo a largo plazo de puntos aislados con bajas frecuencias de monitoreo, como semestral o anualmente, los levantamientos convencionales pueden ser apropiados. En el otro extremo, cuando existe la necesidad de recopilar datos a corto plazo y de muy alta frecuencia, de horas a días, los métodos automatizados terrestres o basados en drones pueden resultar la mejor opción. Entre estos límites, InSAR tiende a ser el enfoque más apropiado para monitorear frecuencias de días a semanas con pequeños movimientos, y se requiere una cobertura de superficie del 100 por ciento.

La ubicación de un proyecto puede tener un gran impacto sobre si InSAR es la opción de monitoreo adecuada. En ubicaciones remotas o zonas de difícil acceso, InSAR puede ser una opción bastante atractiva. Además, se pueden obtener imágenes de radar en casi todas las condiciones climáticas, incluidas áreas que a menudo están cubiertas de niebla, nubes y polvo que pueden interferir con otras opciones de recopilación de datos. Sin embargo, estas ventajas no tienen sentido si el ángulo del satélite y la superficie del terreno no permiten recopilar la imagen necesaria. Los satélites recopilan datos a medida que se mueven de norte a sur (órbita descendente) y de sur a norte (órbita ascendente) mientras orbitan la Tierra.

Algunos satélites escanean hacia la izquierda de su órbita y otros escanean hacia la derecha de su órbita. Debido a estas geometrías de recolección, un proyecto en las montañas podría estar en la sombra del radar de una montaña, o la pendiente aguas arriba de una presa podría ser visible, pero no la pendiente aguas abajo. Además, la planificación del proyecto debe considerar que InSAR proporciona deformaciones relativas a lo largo de la línea de visión del satélite, que no es perpendicular al suelo (Figura 4). La deformación medida incluye un componente de movimiento tanto vertical como horizontal de la superficie. La tecnología puede proporcionar un verdadero movimiento vertical/horizontal, pero con un nivel de esfuerzo y costo mucho mayor.

Existen varias agencias de satélites que recopilan continuamente una amplia variedad de imágenes de radar con diversas resoluciones y longitudes de onda de radar. Con la excepción de los satélites TerraSAR-X y PAZ, los datos de un satélite no se pueden combinar con los datos de otro satélite diferente. Debido a que siempre se deben considerar los datos de mayor resolución posible para el monitoreo detallado de proyectos de obras civiles, generalmente no se deben utilizar datos gratuitos de baja resolución. Tenga en cuenta que todos los datos, independientemente de su resolución y precisión, deben procesarse y requieren el mismo nivel de esfuerzo del personal para su procesamiento. Como era de esperar, los requisitos de mayor resolución y precisión aumentan el costo de los datos. Sin embargo, las empresas experimentadas que procesan grandes volúmenes de datos InSAR de alta resolución reciben importantes descuentos de los proveedores de datos satelitales.

Como resultado, el costo de los datos en sí es bajo y representa una pequeña fracción de los costos de procesamiento, lo que hace que la inversión en datos con la resolución más alta posible y la recopilación de datos más frecuente valga la pena. Los acuerdos contractuales para el uso de datos satelitales normalmente no incluyen la transferencia de los datos sin procesar al cliente; más bien, el uso de datos sin procesar es por un tiempo limitado desde que se obtienen, por lo que los datos finales procesados y visualizados son los que se proporcionan al cliente. Si bien es posible obtener datos sin procesar, tiene un costo mucho mayor y no es útil sin la capacidad de procesarlos.

Con la creciente demanda de InSAR y datos de mayor resolución, está aumentando el número de empresas que comercializan capacidades de procesamiento y visualización de InSAR. Los estudios de la literatura y la experiencia directa indican que diferentes algoritmos pueden conducir a la determinación de diferentes desplazamientos, lo que potencialmente conduce a diferentes conclusiones. También se ha descubierto que diferentes grupos de investigación que procesan los mismos datos producen resultados diferentes. La mayoría de las empresas utilizan software propietario para el procesamiento y visualización de datos, y los detalles de cómo procesan los datos no están disponibles para sus clientes.

Algunas empresas dicen que “pueden” procesar y visualizar datos InSAR de alta resolución para proyectos de obras públicas; sin embargo, aún no han tenido experiencia significativa en el desempeño de estas funciones en situaciones del mundo real. Otras empresas han procesado datos de baja resolución para estudios regionales, pero no han procesado datos de alta resolución con el fin de monitorear proyectos de infraestructura crítica o no han verificado sus resultados a través de medios secundarios o verificación de campo.

La Figura 5 ilustra una verificación de InSAR con un punto de monitoreo de asentamiento de encuesta. Según la experiencia de los autores, incluso las empresas más calificadas que realizan procesamiento y visualización de datos generalmente no tienen la experiencia para interpretar los datos. Para proyectos de obras civiles, es importante contar con un ingeniero geotécnico, geólogo o ingeniero estructural con experiencia en InSAR que trabaje en la evaluación de datos en asociación con el personal que realiza el procesamiento y la visualización para traducir los datos al comportamiento del subsuelo y/o modos de falla. Ha habido al menos una situación reciente en la que los datos de InSAR fueron mal utilizados o malinterpretados, lo que dio lugar a la conclusión incorrecta de que InSAR no pudo observar la aceleración de los movimientos del suelo meses antes de la falla de una presa.

La preocupación más importante con la aplicación de InSAR puede ser la aplicación bien intencionada pero inapropiada de una tecnología excepcional probada. Otra nota de precaución es verificar que el personal clave propuesto para sus necesidades de monitoreo sea el personal de la organización con la experiencia adecuada. Y antes de contratar una empresa, valide el desempeño y las calificaciones anteriores de la empresa, específicamente con respecto a los datos y procesos del proyecto en cuestión, especialmente cuando el programa de monitoreo es para un proyecto que tiene un riesgo significativo para la seguridad de la vida y/o financiero. Para garantizar que el usuario final reciba los productos que necesita, a tiempo y por un costo razonable, la planificación y ejecución de los programas de monitoreo debe involucrar a personal con experiencia en la tecnología InSAR, así como en la aplicación práctica e interpretación de la tecnología. La Figura 5 representa el producto final de una evaluación bien planificada, contratada, analizada y representada de datos de alta resolución en un proyecto con un riesgo muy alto para la seguridad de la vida. Es un ejemplo de los detalles que es posible obtener y completar en su totalidad utilizando InSAR.

Además de las fuentes de datos InSAR ya descritas, la NASA, en colaboración con la Organización de Investigación Espacial de la India, lanzará el nuevo satélite de banda L y banda S del radar de apertura sintética NASA-ISRO en 2024. El satélite tendrá 3-10- Resolución m, repetición de órbita de 12 días y todos los datos estarán disponibles en línea de forma gratuita para cualquier usuario. Los radares de longitud de onda más larga podrán medir desplazamientos mayores que los instrumentos de banda X y estarán menos sujetos al ruido y otros artefactos de la atmósfera, la humedad del suelo y la vegetación.

Esta tecnología será una herramienta valiosa para el seguimiento general. La NASA también tiene la intención de tener disponible capacitación en procesamiento de datos antes del lanzamiento del satélite, proporcionar herramientas de procesamiento de código abierto para analizar los datos y proporcionar algunos datos InSAR preprocesados limitados que permitirán detectar fácilmente las deformaciones sin costo y con un esfuerzo relativamente bajo. Este nuevo recurso tiene el potencial de revolucionar el uso de InSAR para proyectos de obras civiles. Información adicional sobre el programa NISAR está disponible en nisar.jpl.nasa. gobierno.

InSAR ha entrado en el ámbito de la ingeniería civil como un método viable de seguimiento de deformaciones. En comparación con otros métodos disponibles de monitoreo de deformaciones, el InSAR basado en satélites proporciona conjuntos de datos rentables y de resolución relativamente alta con un nivel moderado de frecuencia de recopilación de datos y alta precisión.

Sin embargo, el término "InSAR" abarca una amplia variedad de satélites y resoluciones asociadas, áreas de imágenes y frecuencias de recolección que deben reconocerse al aventurarse en el campo InSAR

Los objetivos de monitoreo del desempeño del proyecto deben entenderse y planificarse bien antes de seleccionar un método de monitoreo, y es fundamental contar con un socio experimentado al diseñar e implementar un programa InSAR e interpretar los resultados de InSAR. No hay duda de que InSAR es una herramienta probada para muchas aplicaciones, incluida la infraestructura de obras civiles y el monitoreo del terreno, pero no satisface las necesidades de todos los programas de monitoreo. Antes de implementar el monitoreo InSAR, las consideraciones de suma importancia incluyen la resolución requerida, la frecuencia de recolección de datos, el período de monitoreo, la ubicación del monitoreo y la adquisición de datos y, por supuesto, el procesamiento y la visualización. De hecho, InSAR es realmente el futuro del monitoreo de deformaciones.