Medición de deformaciones del terreno con satélite radar para el monitoreo de infraestructuras

La medición de deformaciones del suelo en estructuras e infraestructuras es un tema esencial en la ingeniería civil. Una técnica cada vez más utilizada para medir inestabilidades es la interferometría radar, la cual permite la medición precisa de deformaciones del suelo a lo largo del tiempo y resulta útil para detectar posibles fallas o problemas de estabilidad en puentes, edificios, taludes y otras estructuras. En este artículo se explica cómo funciona la interferometría radar aplicada al monitoreo de infraestructuras y algunas de sus aplicaciones prácticas en el campo de la ingeniería civil.

La técnica de medición de deformaciones del suelo mediante procesamiento de imágenes de satélite de radar, conocida como interferometría radar o InSAR por su nombre en inglés (interferometric synthetic aperture radar) es una técnica que utiliza satélites equipados con sistemas de radar para obtener información sobre el movimiento de la superficie terrestre.

La técnica InSAR tiene varias ventajas sobre otras técnicas de observación de la Tierra, como la fotografía aérea o los satélites ópticos. En primer lugar, el radar es capaz de penetrar en las nubes y la lluvia, lo que significa que puede obtener datos en cualquier momento del día y en cualquier condición meteorológica. Además, la tecnología satelital de radar puede proporcionar información en 3D, lo que es esencial para la modelización y el análisis de la superficie terrestre.

Hoy en día, InSAR se utiliza ampliamente en todo el mundo para el monitoreo de las deformaciones del terreno, y se han desarrollado numerosos programas y herramientas para su análisis y visualización. Los datos InSAR se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde la evaluación del riesgo de deslizamientos hasta la monitorización de la subsidencia causada por la extracción de recursos naturales, lo que demuestra el valor de esta tecnología para el control de la estabilidad del suelo, la prevención y la toma de decisiones.

Origen y evolución de la tecnología de satélite radar

La tecnología de satélite radar (también conocida como SAR) utiliza ondas de radar para crear imágenes de la superficie terrestre. Los satélites de radar pueden ser utilizados para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo la observación del clima y la atmósfera, la medición de deformaciones del suelo, el seguimiento de la deforestación y la desertificación, la detección de cambios en la superficie terrestre, la cartografía, la topografía, la gestión de desastres naturales y la vigilancia marítima, principalmente. La tecnología de satélite radar ha avanzado significativamente en las últimas décadas, para permitir la adquisición de imágenes de alta resolución y la aplicación de técnicas más avanzadas como la interferometría radar y la polarimetría radar. Los avances en la tecnología de satélite radar han permitido una mejor comprensión de la superficie terrestre y han abierto nuevas posibilidades para la observación y el monitoreo de nuestro planeta.

En este sentido, existen varias técnicas de procesamiento de las imágenes satélite radar, que son utilizadas en función de los objetivos específicos de cada estudio o análisis. La tecnología satelital de radar puede utilizar diferentes tipos de señales de radar, como la polarimetría, la interferometría, la coherencia y la sintética. Cada

Medición de deformaciones del terreno con satélite radar para el monitoreo de infraestructuras una de estas señales proporciona información diferente sobre la superficie terrestre y puede utilizarse para distintas aplicaciones. La polarimetría, por ejemplo, utiliza señales de radar polarizadas para medir la reflectividad de diferentes tipos de superficies, lo que puede utilizarse para la clasificación de la vegetación y la identificación de zonas inundadas.

La interferometría SAR es una técnica que se utiliza para medir las deformaciones de la superficie terrestre mediante la comparación de imágenes radar tomadas en distintos periodos y se aplica en diversos campos de la ingeniería civil y la geotecnia, especialmente en el ámbito de las infraestructuras, la minería, la extracción de hidrocarburos o los estudios de sismicidad.

El satélite emite una señal que rebota en el suelo y vuelve al sensor. Se calcula cuánto tiempo tarda la señal en ir y volver al sensor.

El satélite vuelve a emitir una señal sobre el mismo objeto y se calcula cuánto tiempo tarda en volver al sensor en comparación con la emisión anterior.

La tecnología InSAR se originó en la década de 1970, cuando en el campo de la ingeniería de telecomunicaciones se comenzaron a utilizar los sistemas de radar de apertura sintética para la observación de la Tierra. La técnica inicialmente se desarrolló para aplicaciones militares, como la vigilancia de la superficie terrestre para detectar objetos en movimiento, pero pronto se reveló su potencial para la observación de la Tierra con fines civiles. A finales de los ochenta y principios de los noventa, los científicos comenzaron a utilizar la técnica InSAR para medir la elevación de la superficie terrestre, y se descubrió que era una técnica muy precisa y útil para el monitoreo de la deformación del terreno de forma continua. En la década de 1990 se lanzaron varios satélites para la observación de la Tierra equipados con sistemas de radar capaces de realizar mediciones InSAR, como el ERS-1 y el ERS-2 de la Agencia Espacial Europea y el JERS-1 de la Agencia Espacial de Japón.

En la década de 2000, la técnica InSAR se convirtió en una herramienta importante para el monitoreo de deformaciones y la identificación de los peligros asociados a la actividad tectónica, volcánica y de subsidencia, así como la monitorización de infraestructuras críticas como presas, puentes y edificios.

Actualmente existen diversas constelaciones satelitales radar que operan en todo el mundo y toman datos de forma sistemática. Los satélites radar, al tener una cobertura global, permiten medir en cualquier parte del mundo de forma remota y con una recurrencia de adquisición de datos que oscila entre los 4 y los 12 días.

Funcionamiento de la tecnología e implicaciones en el monitoreo de infraestructuras

La técnica InSAR es una técnica que utiliza satélites equipados con sistemas de radar para obtener información sobre la superficie terrestre. El sistema satelital radar funciona emitiendo pulsos de radar u ondas electromagnéticas desde un satélite en dirección a la superficie terrestre. Estos pulsos de radar rebotan en la superficie y son detectados por el satélite. El tiempo que tarda en regresar el pulso se utiliza para calcular la distancia entre el satélite y la superficie de la Tierra. A partir de la información recogida, se pueden generar mapas de alta resolución y precisión sobre la dinámica y el comportamiento de la superficie terrestre (véase figura 1).

Los satélites radar tienen una órbita polar y se componen generalmente de dos modos o geometrías de adquisición distintas: ascendente y descendente. Los sensores radar toman datos con una inclinación de entre 20 y 30 grados respecto al eje cenital. Cuando el satélite va de sur a norte se le llama modo ascendente, y al revés, cuando va de norte a sur se le conoce como modo descendente. Cada modo, por lo tanto, adquiere los datos con una perspectiva enfocada desde el Este o desde el Oeste. Mediante la combinación de ambos modos de adquisición es posible obtener información de una zona concreta desde dos perspectivas diferentes, eliminando zonas sin medidas por falta de sensibilidad de las ondas del satélite. Esto tiene especial relevancia en zonas con una geografía abrupta donde se pretenda monitorizar taludes o laderas con distintas perspectivas. Además, la combinación de ambos modos permite descomponer el movimiento en el eje horizontal Este-Oeste, siendo capaz de detectar la dirección de desplazamiento de un punto concreto (véase figura 2).

Los resultados obtenidos mediante InSAR se representan como mapa de puntos o nube de puntos de deformación. Cada punto se corresponde con la media de deformación de un pixel. El tamaño del pixel puede variar en función del tipo de satélite que se esté utilizando; existen satélites con resoluciones de 3 × 3 metros pixel o sensores con resoluciones de 3 × 15 metros pixel.

Por lo tanto, para un área de 1 km2 se pueden obtener cerca de 2,000 puntos medidos.

Al mapa de puntos o nube de puntos de deformación se le atribuye una escala de valores de deformación, representada mediante una paleta de colores, en la que cada color indica un valor o rango concreto de deformación para cada punto medido. Asimismo, cada punto medido contiene su serie histórica de deformación, la cual se representa mediante tendencias de movimiento; para cada fecha se muestra el grado de desplazamiento observado.

En la figura 3 se muestra un ejemplo de mapa de puntos de deformación con una serie temporal de un punto concreto. En el eje de la X se muestra el espacio de tiempo en que se ha llevado a cabo la medición, mientras que el eje de la Y muestra el grado o magnitud de deformación medida para este punto concreto.

La interferometría, por lo tanto, es una técnica de medición de alta precisión que permite monitorizar los movimientos y deformaciones del suelo en una variedad de estructuras, incluyendo puentes, edificios, represas, carreteras o minas, tanto subterráneas como a cielo abierto. La técnica se ha utilizado con éxito para medir la deformación en puentes durante eventos como terremotos, cargas de tráfico y cambios en la temperatura.

También se ha utilizado para monitorear la deformación en edificios, lo que puede ayudar a detectar problemas como el asentamiento del suelo o la falla de materiales de construcción, así como la detección precoz de deslizamientos o colapsos de taludes en carreteras, por ejemplo.

Ventajas de la interferometría

La interferometría radar tiene varias ventajas sobre otras técnicas de medición de deformación, como los extensómetros o los acelerómetros. En primer lugar, la interferometría radar no requiere contacto físico con la superficie, lo que reduce el riesgo de dañar la estructura durante la medición. En segundo lugar, la técnica es no destructiva, lo que significa que no se daña la superficie o la estructura durante la medición, ya que la toma de datos es completamente remota. Las imágenes satelitales radar cubren una superficie de entre 30 y 50 km2, hecho que permite medir grandes extensiones geográficas y a su vez trabajar con distintas escalas, regional y detallada. Finalmente, la interferometría radar permite mediciones con una precisión de entre 3 y 5 mm por punto medido, lo que es esencial para la detección temprana de precursores de movimiento que puedan derivar en potenciales eventos como movimientos de masas, deslizamientos o colapsos de estructuras sensibles como puentes.

Sin embargo, es importante destacar que las mediciones interferométricas son complementarias a las que se pueden hacer con otro tipo de instrumentación que puede tener las mismas características en cuanto a precisión se refiere. No se trata de una técnica sustitutiva, sino de una técnica que complementa y ayuda a obtener una visión más integral sobre el estado de las deformaciones del suelo en una zona concreta. En este sentido, también es importante destacar que no se puede establecer una comparación directa entre distintas técnicas de medición, ya que la forma en la que capta el movimiento cada tipo de instrumentación es distinta. Por lo tanto, el satélite radar puede ayudar a calibrar los resultados obtenidos de acelerómetros o hitos topográficos y ser un elemento de validación del dato.

La resolución de las medidas depende del satélite que se use; las máximas resoluciones son de 1 × 1 m. Pero la precisión de cada punto medido es siempre de entre 3 y 5 mm, independientemente del sensor que se utilice.

Asimismo, la interferometría radar se puede utilizar en combinación con otras técnicas de monitoreo de infraestructuras, como la monitorización de la temperatura y la humedad, para proporcionar una imagen completa del comportamiento de la estructura. Además, la técnica se puede utilizar para monitorear el movimiento y la deformación de la superficie del terreno alrededor de la estructura, lo que puede ser útil para detectar la presencia de fallas geológicas o el asentamiento del suelo, pudiendo delimitar con precisión la cubeta de subsidencia.

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En el caso del monitoreo de carreteras y autopistas, en particular, la técnica InSAR se ha utilizado para medir la deformación y la elevación de la superficie de la carretera, lo que hace posible a los ingenieros detectar y prevenir problemas como el hundimiento, la erosión y otros tipos de daños que pueden afectar la seguridad e integridad de la estructura.

Como se ha explicado, la tecnología InSAR se basa en la capacidad de un radar para medir la distancia y la elevación de un objeto mediante la medición del tiempo que tarda una señal de radar en viajar desde el radar hasta el objeto y regresar. Al medir la diferencia en la elevación de la superficie de la carretera en diferentes momentos, se puede detectar la deformación y el desplazamiento de la carretera. Por lo tanto, los datos InSAR se pueden utilizar para construir mapas de elevación y deformación de la superficie de la carretera, y ayudar a identificar áreas críticas que requieren reparación o mantenimiento con objeto de mejorar la seguridad y reducir los costos de reparación y mantenimiento a largo plazo.

La técnica InSAR también se utiliza para monitorear el movimiento de puentes y otras estructuras sensibles; pueden detectarse signos tempranos de fallas o colapsos gracias a la capacidad del sensor radar para medir con precisión milimétrica la diferencia en la elevación de la superficie donde está asentada la estructura. También es una herramienta útil para monitorear la actividad sísmica y la deformación de la tierra donde se asienta el puente. Esto puede proporcionar una indicación temprana de problemas potenciales que afecten a la estabilidad de la propia estructura, como la erosión y subsidencia del suelo, que podrían desencadenar un proceso de aceleración del movimiento y afectar a la estabilidad durante un fenómeno de actividad sísmica.

Conclusión

La interferometría radar es una técnica valiosa para la medición de deformaciones de la superficie terrestre en infraestructuras y estructuras críticas. La técnica es no invasiva, al ser completamente remota; proporciona datos con una precisión milimétrica, lo que la hace ideal para la detección temprana de precursores de movimiento. La interferometría radar se puede utilizar en combinación con otras técnicas de monitoreo para proporcionar una imagen integral del comportamiento del suelo y mejorar la seguridad de la infraestructura

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