Uso de interferometría SAR (Synthetic Aperture Radar) en la ladera
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Uso de interferometría SAR (Synthetic Aperture Radar) en la ladera
Uso de interferometría SAR (Synthetic Aperture Radar) en la ladera occidental del Cerro Iguazo, comunidad Tumba, parroquia Quimiag, cantón Riobamba, provincia de Chimborazo-Ecuador, para determinar la deformación de la ladera por los movimientos en masa Tesis para acceder al título de: Magíster en Aplicaciones Espaciales de Alerta y Respuesta Temprana a Emergencias Ing. Tannia Margarita Mayorga Torres Director: Agrim. Gabriel Platzeck Instituto de Altos Estudios Espaciales “Mario Gulich” - CONAE, Córdoba, Argentina. Co-director: Ing. Edwin León Instituto Nacional de Investigación, Geológico, Minero, Metalúrgico - INIGEMM, Quito, Ecuador. Córdoba, Julio del 2011 e-mail: [email protected] Resumen Ecuador es un país rico en recursos naturales, multi-cultural, y a la vez sensible a amenazas naturales y antrópicas. Ecuador ha implementado una Infraestructura Nacional de Datos Geoespaciales con la finalidad de que a nivel nacional todas las instituciones gubernamentales, públicas y privadas compartan información espacial. Por su ubicación geográfica tiene ventajas al tener varios climas en una pequeña extensión territorial, pero tiene la desventaja de tener una cobertura de nube casi permanente. Las imágenes satelitales de radar traspasan las nubes. Bajo ésta visión, en la presente investigación se procesan imágenes de radar para detectar movimientos en masa con el uso de la técnica de interferometría diferencial (DInSAR). Este estudio es un inicio de lo que se puede hacer al tener la disponibilidad de recursos satelitales y conocimiento de manejo de software de interferometría. Se logró realizar un histórico de interferogramas en base a la disponibilidad de imágenes. Se aplicaron las técnicas de diferencia de interferogramas y stacking DInSAR para obtener un promedio de desplazamiento que indica elevación y/o hundimiento en la extensión cubierta por la imagen de radar. Palabras Claves: Interferometría diferencial, imágenes de radar, movimientos en masa. i Agradecimientos A la Comisión Nacional de Actividades Espaciales de Argentina (CONAE), al Instituto de Altos Estudios Espaciales “Mario Gulich”, a la Universidad Nacional de Córdoba-Facultad de Matemática, Astronomía y Física (FaMAF), por la beca otorgada para enriquecer mis conocimientos profesionales que los pondré al servicio de mi país. Mi agradecimiento profundo al Agrimensor Gabriel Platzeck, Director del Instituto Gulich y Director de mi tesis, por su seguimiento constante, consejos y apoyo permanente para llevar a cabo mi investigación. De igual manera al Doctor Marcelo Scavuzzo, Director de la Maestría por su buena voluntad para con mi persona en el transcurso de mi estudio. A la Doctora Selva Soledad Rivera, Directora del Instituto CEDIAC-Facultad de IngenieríaUniversidad de Cuyo, por su apoyo para mi entrenamiento. Al Doctor Ingeniero Pablo Euillades, Director de la División de Imágenes Satelitales del Instituto CEDIAC, por su generosidad al compartir sus conocimientos en el campo de interferometría. Al Doctor Leo Euillades, y los Estudiantes de Doctorado, los Agrimensores Natalia Riveros y Sebastián Balbarini por su apoyo y amistad durante mi entrenamiento y estadía en Mendoza. Expreso mi gratitud a mis profesores del Instituto Gulich y de la FaMAF por su guía en mi formación durante la maestría. Al CUSS (CONAE User Segment Service) por su eficiente trabajo en el proceso de adquisición de imágenes de radar para la elaboración de la tesis, y por medio del CUSS a la Agencia Espacial Europea (ESA), al nodo de Alaska de “Japan Aerospace Exploration Agency”, y al Centro de Levantamientos Integrados por Sensores Remotos (CLIRSEN). Agradezco al Instituto Nacional de Investigación, Geológico, Minero, Metalúrgico (INIGEMM), a los Ingenieros Geólogos Aracely Lima y Edwin León al suministrar información de campo del área de estudio de Ecuador. A Vanina y Gastón por su amistad. A mis queridos compañeros que me brindaron su amistad y apoyo dentro y fuera del salón de clase. A los amigos de la “combi” que hicieron ameno el traslado diario. Agradezco infinitamente a mi familia que con su apoyo y cariño a la distancia me apoyaron incondicionalmente en éste nuevo sueño de mejoramiento profesional durante éstos dos años de estudio en Argentina. ii Tabla de contenidos 1. Área de estudio y objetivos ................................................................................................. 1 1.1. 1.2. 1.3. 2. Área de estudio.........................................................................................................................1 Objetivos ..................................................................................................................................6 Estructura de la tesis.................................................................................................................7 Fundamento teórico............................................................................................................. 9 2.1. Principios básicos de Radar de Síntesis de Apertura “Synthetic Aperture Radar - SAR” ......9 2.1.1. Parámetros específicos ...................................................................................................12 2.1.2. Modos de adquisición.....................................................................................................13 2.1.3. Mecanismos de dispersión..............................................................................................15 2.1.4. Efecto “speckle” .............................................................................................................17 2.1.5. Datos estadísticos ...........................................................................................................17 2.1.6. Geometría .......................................................................................................................19 2.2. Plataformas satelitales ............................................................................................................21 2.2.1. Advanced Land Observing Satellite - ALOS .................................................................21 2.2.1.1. Productos PALSAR.............................................................................................25 2.2.2. European Remote Sensing Satellite - ERS .....................................................................27 2.3. Interferometría de Radar de Síntesis de Apertura “SAR Interferometry - InSAR”...............30 2.4. Software .................................................................................................................................37 2.4.1. Delft Object-oriented Radar Interferometric Software, DORIS.....................................38 2.4.2. Repeat Orbit Interferometry PACkage, ROI_PAC ........................................................39 2.5. Movimientos en masa.............................................................................................................41 2.6. Metodología ...........................................................................................................................42 3. Disponibilidad de Productos ............................................................................................. 45 3.1. 3.2. 3.3. 4. ERS - CLIRSEN.....................................................................................................................45 ALOS PALSAR - CONAE ....................................................................................................45 Modelo Digital de Elevación (DEM) .....................................................................................46 Procesamiento de imágenes crudas de radar ..................................................................... 49 4.1. Procesamiento con ERS .........................................................................................................49 4.2. Procesamiento con ALOS PALSAR ......................................................................................53 4.2.1. Estimación del parámetro Línea de Base (baseline).......................................................53 4.2.2. Procesamiento con los pares...........................................................................................55 5. Resultados con ALOS PALSAR....................................................................................... 64 5.1. 5.2. 5.3. 6. Pos-procesamiento..................................................................................................................65 Diferencia de interferogramas ................................................................................................72 Stacking DInSAR ...................................................................................................................78 Conclusiones ..................................................................................................................... 83 iii Lista de figuras Figura 1: Mapa base del área de estudio. A la izquierda el recuadro color negro indica el marco de las adquisiciones ALOS PALSAR. A la derecha el recuadro color rojo indica el área de estudio en la parroquia Quimiag. Fuentes: Google Earth, http://www.mapquest.com...................................................................................................1 Figura 2: Área de estudio vista desde el Sur-Oeste (Camino Guazaso-Quimiag). Fuente: INIGEMM ...........................................................................................................................2 Figura 3: Localización del área de estudio y de las fallas tectónicas (color amarillo), definidas por los Mapas Geológicos hechos por el Centro de Investigación Geológica Británica BGS “British Geological Survey” y por la Corporación Metalúrgica - CODIGEM. Fuente: INIGEMM ..............................................................................................................3 Figura 4: A la izquieda el deslizamiento activo 1 en el área 1, a la derecha el deslizamiento activo 4 en el área 2. Fuente: INIGEMM ............................................................................4 Figura 5: Mosaico de Ortofotos, Septiembre del 2009. Convenio Municipio de Riobamba y el Programa Sistema Nacional de Información y Gestión de Tierras Rurales e Infraestructura Tecnológica - SIG TIERRAS (http://www.sigtierras.gob.ec). Sistema de referencia: WGS 84 - UTM Zona 17 Sur. Fuente: INIGEMM ...........................................5 Figura 6: A la izquierda “Mapa de susceptibilidad a los movimientos en masa”, a la derecha “Mapa de peligros y zonas potenciales de impacto”. Fuente: INIGEMM ..........................6 Figura 7: Radar mono-estático. Fuente: SARMAP (2008).......................................................10 Figura 8: Radar de Apertura Real - RAR. Fuente: SARMAP (2008) ......................................10 Figura 9: Radar de Síntesis de Apertura - SAR. Fuente: SARMAP (2008) ............................11 Figura 10: Chirp, parte real. Fuente: SARMAP (2008)............................................................12 Figura 11: Polarización HV. Fuente: SARMAP (2008) ...........................................................13 Figura 12: Modo "Stripmap". Fuente: SARMAP (2008) .........................................................14 Figura 13: Modo “ScanSAR”. Fuente: SARMAP (2008) .......................................................14 Figura 14: Modo “Spotlight”. Fuente: SARMAP (2008) .........................................................15 Figura 15: Mecanismos de dispersión. Fuente: SARMAP (2008) ...........................................16 Figura 16: Mecanismos de dispersión: doble rebote. Fuente: SARMAP (2008) .....................16 Figura 17: Mecanismos de dispersión: penetración. Fuente: SARMAP (2008).......................16 Figura 18: Efecto speckle. Fuente: SARMAP (2008) ..............................................................17 Figura 19: Parte imaginaria. Fuente: SARMAP (2008)............................................................18 iv Figura 20: Distribuciones exponenciales L-vista, donde L es el número de vistas. Fuente: SARMAP (2008)............................................................................................................... 18 Figura 21: Geometría en Rango. Fuente: SARMAP (2008) .................................................... 20 Figura 22: Ejemplo de geometría en rango. Fuente: SARMAP (2008) ................................... 20 Figura 23: Satélite “Advanced Land Observing Satellite, ALOS”. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al. (2004) ...... 22 Figura 24: Sensor PALSAR. Fuente: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm .............................................. 23 Figura 25: Antena de PALSAR durante una prueba de desarrollo. Fuente: Rosenqvist et al. (2004) ................................................................................................................................ 24 Figura 26: Concepto de observación de PALSAR. Fuentes: Rosenqvist et al. (2004), http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm .............................................. 24 Figura 27: Características de observación de PALSAR. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al. (2004) ...... 25 Figura 28: Satélite “European Remote Sensing Satellite, ERS”. Fuente: http://www.esa.int/esaEO/SEMGWH2VQUD_index_0_m.html ..................................... 28 Figura 29: Geometría de adquisición de ERS. Fuente: Colesanti & Wasowski (2006)........... 29 Figura 30: Geometría simplificada de medidas interferométricas. Fuente: Colesanti & Wasowski (2006)............................................................................................................... 32 Figura 31: Decorrelación geométrica para ERS-1/2 como una función de la línea de base perpendicular y la pendiente local del terreno. Fuente: (Hanssen Ramon F. 2001) ......... 37 Figura 32: Flujo de procesamiento interferométrico de imágenes SAR. Fuente: http://doris.tudelft.nl/software/doris_v4.02.pdf ................................................................ 39 Figura 33: Procesamiento en ROI_PAC. Fuente: http://www.roipac.org ................................ 40 Figura 34: Esquemas de: a) y b) deslizamiento traslacional, llamado resbalamiento y corrimiento; c) deslizamiento traslacional de roca en Cerchiaria di Calabria, Sur de Italia. Fuente: Baumann et al. (2007) .......................................................................................... 42 Figura 35: Esquemas de flujos canalizados y no canalizados. Fuente: Baumann (2007) citan a Varnes (1978).................................................................................................................... 42 Figura 36: Metodología ............................................................................................................ 43 Figura 37: DEM. Fuente: CGIAR-CSI (2011) ......................................................................... 47 Figura 38: DEM desde el software RoiView............................................................................ 47 v Figura 39: Composición colorida de un par interferométrico ERS-1/2 de la misión Tandem, del área de Morondava-Madagascar. Fuente: SARMAP (2008).......................................50 Figura 40: Imágenes ERS enfocadas a 16 vistas con fechas de adquisición Diciembre 17 y Diciembre 18 de 1998........................................................................................................51 Figura 41: Par interferométrico, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look a 4 vistas (fecha1-fecha2_4rlks.cor) ................................................................52 Figura 42: Interferograma relativo IM19981217-IS19981218, en radianes........................................53 Figura 43: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20061223 ........................54 Figura 44: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20070625 ........................54 Figura 45: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20070810 ........................54 Figura 46: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20071226 ........................55 Figura 47: Imágenes enfocadas a 16 vistas...............................................................................56 Figura 48: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look a 4 vistas (fecha1-fecha2_4rlks.cor) ................................................................59 Figura 49: Interferogramas relativos en radianes......................................................................61 Figura 50: Interferogramas relativos en radianes......................................................................62 Figura 51: Interferogramas relativos en radianes......................................................................63 Figura 52: Fase relativa de cada interferograma, en centímetros .............................................66 Figura 53: Fase de cada interferograma con procesamiento de corrección para atenuar la contaminación atmosférica, en centímetros.......................................................................68 Figura 54: Interferograma IM20061223- IS20071226 en radianes ..........................................69 Figura 55: Interferograma IM20061223-IS20080812 en radianes ...........................................70 Figura 56: Interferograma IM20070625-IS20070810 en radianes ...........................................70 Figura 57: Ampliación del área de estudio de la fase de cada interferograma con procesamiento de calibración, en centímetros...................................................................71 Figura 58: Diferencia de interferogramas “IM20061223_IS20071226” y “IM20061223_IS20080812”, con la fase en centímetros ........................................................................................................72 Figura 59: Resultado de la diferencia de interferogramas: ∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812, con la superposición de la digitalización de los deslizamientos por parte del INIGEMM73 Figura 60: Ortofoto del área de estudio con la superposición de la digitalización de los deslizamientos por parte del INIGEMM. Fuente: INIGEMM .........................................74 Figura 61: Interferogramas “IM20061223-IS20071226”, “IM20061223-IS20080812” y diferencia de interferogramas “∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812”..........................................................75 vi Figura 62: Interferogramas en el área del volcán Tungurahua................................................. 77 Figura 63: Stacking................................................................................................................... 79 Figura 64: Resultado del stacking, área de estudio, con la superposición de la digitalización de los deslizamientos por parte del INIGEMM ..................................................................... 80 Figura 65: Stacking................................................................................................................... 81 Figura 66: Stacking en el área del volcán Tungurahua, de los pares IM20061223- IS20071226 y IM20070625- IS20070810 ............................................................................................. 81 vii Lista de tablas Tabla 1: Características de los deslizamientos detectados por el INIGEMM en las áreas 1 y 2. Fuente: INIGEMM ..............................................................................................................4 Tabla 2: Longitudes de onda usados. Fuente: SARMAP (2008)..............................................12 Tabla 3: Principales especificaciones de ALOS. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al.(2004), Earth Observation Research and Application Center (March 2008), http://www.jaxa.jp/index_e.html .......................................................................................22 Tabla 4: Características principales del instrumento PALSAR. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al. (2004) ......25 Tabla 5: Definiciones de productos de datos estandar de PALSAR en el modo de observación fino. Fuente: Earth Observation Research and Application Center (March 2008) ...........26 Tabla 6: Composición de registros de los archivos del volumen imagen en ALOS PALSAR. Fuente: Earth Observation Research and Application Center (March 2008)....................27 Tabla 7: Principales parámetros del modo de imagen SAR de ERS. Fuente: Centre for Remote Imaging (2011) ..................................................................................................................30 Tabla 8: Principales parámetros para el análisis de fiabilidad y exactitud. Fuente: Hanssen (2005).................................................................................................................................36 Tabla 9: Lista principal de satélites de misiones InSAR capaces de mapear deformación, se indica la duración de la misión, intervalo de revisita y longitud de onda (λ). Fuente: Henssen (2005) ..................................................................................................................37 Tabla 10: Tipos de movimiento en masa. Fuente: Baumann et al. (2007) ...............................41 Tabla 11: Adquisiciones de órbita ascendente (Frame 3645) . Fuente: CLIRSEN ..................45 Tabla 12: Misión ALOS PALSAR. Adquisiciones ALOS PALSAR producto 1.0 (RAW). Fuente: CUSS-CONAE .....................................................................................................46 Tabla 13: Misión ALOS PALSAR. Adquisiciones ALOS PALSAR productos 1.1 (SLC) y 1.5 (GEC). Fuente: CUSS-CONAE.........................................................................................46 Tabla 14: Detalle de imagens ERS-2 (Frame 3645), área de estudio Ecuador. Fuente: CLIRSEN-Ecuador ............................................................................................................49 Tabla 15: Imágenes con formato interno raw reconocido por ROI_PAC ................................50 Tabla 16: Imágenes enfocadas ..................................................................................................51 Tabla 17: Imágenes enfocadas a 16 vistas ................................................................................51 viii Tabla 18: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look .......................................................................................................................... 52 Tabla 19: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (a 4 vistas) ....................................................................................................... 52 Tabla 20: Pares interferométricos ERS, interferograma diferencial desenrollado y geocodificado .................................................................................................................... 53 Tabla 21: Valores de línea de base perpendicular entre pares de imágenes............................. 53 Tabla 22: Imágenes con formato interno raw reconocido por ROI_PAC ................................ 55 Tabla 23: Imágenes enfocadas.................................................................................................. 55 Tabla 24: Imágenes enfocadas a 16 vistas................................................................................ 56 Tabla 25: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look .......................................................................................................................... 57 Tabla 26: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (a 4 vistas) ....................................................................................................... 58 Tabla 27: Pares interferométricos, interferograma diferencial desenrrollado y geocodificado60 Tabla 28: Intervalo del valor de la fase relativa de la imagen completa en centímetros, de cada interferograma ................................................................................................................... 65 Tabla 29: Calibración con GPS-QR15 ..................................................................................... 67 Tabla 30: Lectura del pixel en los puntos de monitoreo de extensómetros y deslizamientos identificados. ..................................................................................................................... 75 Tabla 31: Interferogramas utilizandos en el stacking............................................................... 79 Tabla 32: Stacking .................................................................................................................... 80 ix Lista de acrónimos BGS Centro de Investigación Geológica Británica “British Geological Survey” CEOS Comité de Satélites de Observación de la Tierra “Committee on Earth Observation Satellites” CLIRSEN Centro de Levantamientos Integrados por Sensores Remotos CODIGEM Corporación Metalúrgica DIFSAR Interferometría Diferencial de Radar de Síntesis de Apertura “DIFferential Synthetic Aperture Radar Intererometry” DORIS “Delft Object-oriented Radar Interferometric Software” ERS “European Remote Sensing Satellite” ESA Agencia Espacial Europea “European Space Agency” IG-EPN Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional INAMHI Instituto NAcional de Meteorología e HIdrología INIGEMM Instituto Nacional de Investigación, GEológico, Minero, Metalúrgico InSAR Interferometría de Radar de Síntesis de Apertura “INterferometry Synthetic Aperture Radar” LOS Distancia sensor-objetivo / slant range / dirección de línea de vista “Radar Line Of Sight direction” MIDUVI Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda PS “Permanent Scatterers” RAR Radar de Apertura Real “Real Aperture Radar” ROI_PAC Software libre de síntesis SAR e interferometría “Repeat Orbit Interferometry PACkage” SAR Radar de Síntesis de Apertura “Synthetic Aperture Radar” SIG TIERRAS Programa Sistema Nacional de Información y Gestión de Tierras Rurales e Infraestructura Tecnológica SLC “Single Look Complex” Misión Espacial Topográfica de Radar “Shuttle Radar Topography Mission” SRTM USGS x Servicio Geológico de los Estados Unidos “U.S. Geological Survey” Lista de símbolos A BR θ 2π γ ∆s ∆ф ∆I R τ IM IS I Bn B┴,crit L λ α HH HV VH VV ∆sLOS ∆az ∆sr ∆gr c Amplitud Ancho de banda del pulso transmitido “bandwidth” Ángulo de incidencia del sensor radar Ciclo de fase completa Coherencia inteferométrica Deformación del suelo Diferencia de fase Diferencia de interferogramas Distancia sensor-objeto Duración del pulso emitido Imagen master Imagen esclava Intensidad Línea de Base Normal “baseline” Línea de Base Crítica Longitud de la antena Longitud de onda “wavelength” Pendiente local del terreno Polarización Horizontal - Horizontal Polarización Horizontal - Vertical Polarización Vertical - Horizontal Polarización Vertical - Vertical Proyección de la deformación que ocurre a lo largo del sensor-objetivo LOS Resolución en dirección en azimut Resolución en dirección en rango Resolución del rango oblicuo “ground range” Velocidad de la luz xi USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 1. Área de estudio y objetivos Los Informes Técnicos “Procesos geodinámicos en la ladera occidental del cerro Iguazo, comunidad Tumba, parroquia Quimiag (2006)” y “Monitoreo de los deslizamientos de Tumba-San Francisco y cerro Baizán-Shobol (León Edwin 2007)”, desarrollados por el Instituto Nacional de Investigación, Geológico, Minero, Metalúrgico - INIGEMM, quien es la entidad rectora para el monitoreamiento geológico en Ecuador, indican los estudios realizados en la comunidad Tumba-San Francisco de la parroquia Quimiag del cantón Riobamba de la provincia de Chimborazo, para determinar los factores naturales y/o antrópicos que inciden en la generación de movimientos en masa. Para tener una visión del área de investigación, a continuación el ítem 1.1 describe un resumen de éstos Informes Técnicos. Luego, se señalan los objetivos en el ítem 1.2 y la estructura de los capítulos del presente trabajo de investigación en el ítem 1.3. 1.1. Área de estudio El área de estudio (figura 1) está localizada en las estribaciones occidentales de la cordillera Central o Real de los Andes, marcada por relieves montañosos con fuertes pendientes (35°45°) terminando en el cauce del Río Chambo. El área se ubica aproximadamente en las coordenadas de latitud 1°37'15.34 Sur y longitud 78°33'25.07 Oeste (771823.53 m, 9820674.40 m). Figura 1: Mapa base del área de estudio. A la izquierda el recuadro color negro indica el marco de las adquisiciones ALOS PALSAR. A la derecha el recuadro color rojo indica el área de estudio en la parroquia Quimiag. Fuentes: Google Earth, http://www.mapquest.com 1 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Los datos de la estación GUASLAN del Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología INAMHI ubicada a 8 Km al Sur-Este del área de estudio, indican que el clima en esa área es seco sin exceso de agua, de tipo templado frío y los valores de precipitación escasamente cubren las demandas hídricas de los cultivos durante gran parte del año. La temperatura anual media es de 19.5°C. Según el censo de población del 2001, la parroquia Quimiag tiene una población de 5 472 habitantes, donde en el sector Tumba-San Francisco habitan 32 familias. El uso del suelo es exclusivamente para la agricultura, con zonas muy limitadas para la ganadería. Se destacan sembradíos de ciclo corto, el riego es por aspersión. El suelo es de color negro de composición areno-arcillosa. De acuerdo a la geomorfología, el área es dominada por montañas muy elevadas como los cerros Iguazo y Payacorral que sobrepasan los 3000 m.s.n.m., cuyas pendientes hacia el Oeste varían de fuertes a moderadas, generalmente mayor a 25° de inclinación. La figura 2 muestra el área de estudio vista desde el Sur-Oeste (Camino Guazaso-Quimiag). Figura 2: Área de estudio vista desde el Sur-Oeste (Camino Guazaso-Quimiag). Fuente: INIGEMM Según la geología regional, la falla geológica Peltetec (figura 3) en la región de Penipe aparece a lo largo del Río Chambo. El factor sísmico fue considerado en los Informes Técnicos porque el área de estudio está en la zona de influencia del volcán Tungurahua (~21,5 Km al Sur-Oeste). El Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional - IG-EPN, quien es la entidad rectora para el monitoreamiento sísmico y volcánico en Ecuador, durante el periodo Julio-Septiembre del 2006 registró 124 sismos en las cercanías al volcán. Los sismos generan ondas acústicas y vibraciones muy fuertes que pueden desencadenar deslizamientos, 2 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA siempre y cuando el material esté en su límite de equilibrio debido a la pendiente, humedad y composición. Los principales eventos volcánicos del volcán Tungurahua ocurrieron en Julio y Agosto del 2006, el volcán sigue activo actualmente. En el área de estudio existen depósitos de pie de monte constituidos por potentes mantos de materiales rocosos no consolidados. Los procesos geodinámicos externos como los deslizamientos tipo rotacional y flujos de detritos, afectan la zona en un área aproximada de 0.96 Km2. Los flujos están ubicados a continuación de los deslizamientos, extendiéndose entre 180-200 m, y un ancho entre los flancos 10-25 m en la cabecera, y de 5-8 m en el pie. Figura 3: Localización del área de estudio y de las fallas tectónicas (color amarillo), definidas por los Mapas Geológicos hechos por el Centro de Investigación Geológica Británica - BGS “British Geological Survey” y por la Corporación Metalúrgica - CODIGEM. Fuente: INIGEMM Se diferencian dos áreas de estudios, denominadas área 1 y área 2. En el área 1, los moradores del sector indican que en Julio del 2006 ocurrió el deslizamiento rotacional que es el más importante. Se determinó de acuerdo a los datos obtenidos en campo que los valores incidentes fueron la geomorfología-estratigrafía-litología y sísmica. En el área 2, existen 5 deslizamientos rotacionales activos (tabla 1, figura 4), los cuales produjeron flujos de detritos de composición similar al depósito de pie de monte. Se indican 3 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA como factores incidentes en orden de importancia los siguientes: geomorfológicos, estratigráficos/litológicos, hidrogeológicos y uso de suelo. Del análisis de toda el área se desprende que los factores desencadenantes podrían ser sismicidad para el área 1 y agua en el área 2, en combinación con la fuerte pendiente y el material presente. Tabla 1: Características de los deslizamientos detectados por el INIGEMM en las áreas 1 y 2. Fuente: INIGEMM Dimensiones Área 1 2 2 2 2 2 Movimientos en masa Ubicación lat/long (UTM) Cota (msnm) Deslizam. activo 1 (A1D1) Deslizam. activo 2 (A2D2) Deslizam. activo 3 (A2D3) Deslizam. activo 4 (A2D4) Deslizam. activo 5 (A2D5) 773592/ 9819264 773215/ 9820280 773141/ 9819956 773212/ 9819852 773157/ 9819708 3111 Deslizam. activo 6 (A2D6) 773203/ 9819588 Longitud del escarpe (m) Superficie de ruptura circular del escarpe(m) Altura del escarp e (m) 425 10-12 8-10 275 15 15-18 290 25 25-30 408 8 15 40 20 617 Area 1 - deslizamento activo 1 (Julio 2006): Se observa el escarpe secundario y las grietas trasversales. Factores incidentes: geomorfología-estratigrafía-litología y sísmica Longitud desde corona al pie (m) Ancho entre flancos (m) Espesor masa desplazada (m) Volumen desplazado (m3) 280 120 3 100 800 Area 2 - deslizamiento activo 4: Vista de la parte activa e inactiva del escarpe principal del deslizamiento. Factores incidentes: geomorfológicos, estratigráficos/ litológicos, hidrogeológicos y uso del suelo Figura 4: A la izquieda el deslizamiento activo 1 en el área 1, a la derecha el deslizamiento activo 4 en el área 2. Fuente: INIGEMM La dinámica del área de estudio (figura 5) se monitoreó con extensómetros en la parte superior y distribución de puntos de control con GPS diferencial. El monitoreo con los extensómetros denominados Q1, Q2 y Q3 consistió en mediciones diarias desde el 10 de Diciembre del 2006 al 11 de Febrero del 2010, donde se registró lectura de cambio, movimiento efectivo en cm, movimiento diferencial en cm, movimiento acumulativo, velocidad en cm/año y velocidad en mm/día. Mientras que el monitoreo con GPS se realizó en dos campañas, la primera durante 14-16 Junio del 2007, y la segunda durante 18-20 Julio del 4 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 2007, donde los registros muestran la diferencia en latitud, longitud y altura. La ubicación de los puntos de control con GPS tienen denominaciones QB01, QB02, QR01, QR02, QR03,…, QR20. Figura 5: Mosaico de Ortofotos, Septiembre del 2009. Convenio Municipio de Riobamba y el Programa Sistema Nacional de Información y Gestión de Tierras Rurales e Infraestructura Tecnológica - SIG TIERRAS (http://www.sigtierras.gob.ec). Sistema de referencia: WGS 84 - UTM Zona 17 Sur. Fuente: INIGEMM Los datos obtenidos en Tumba-San Francisco indican que se trata de un solo deslizamiento que alcanza una velocidad de 36.5 mm/año. La zona de mayor impacto alcanza el centro comunal Tumba ubicado al pie de los deslizamientos y flujos de detritos. Como resultado del monitoreo, el INIGEMM desarrolló Mapas de Dinámica, de Susceptibilidad y de Peligro (figura 6) y procesos de simulación de flujos utilizando el software DanW. En las faldas del Cerro Iguazo están localizadas 50 casas, de las cuales 33 están en peligro por el desmoronamiento del cerro, y la Escuela Francisco de Orellana donde estudian 19 niños. En el 2006 los geólogos del ex – Ministerio de Minas y Petróleos advirtieron a las autoridades sobre el peligro de que la montaña podría arrasar una parte de la comuna Tumba San 5 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Francisco al oriente de la parroquia Quimiag en Chimborazo. El estudio determinó que un millón de metros cúbicos de materiales (tierra y piedras) ocasionarían problemas muy graves y se recomendó la re-ubicación de la comuna. Sin embargo, a cuatro años del pedido, la población aún permanece en esa zona de riesgo. En el 2008 por los constantes deslaves de la montaña, la comuna comenzó las gestiones de ayuda en los organismos pertinentes para su reubicación. Según la Redacción Sierra Centro del periódico El Comercio (Diciembre 31, 2010), en Noviembre del 2010 a las 22h00 se registró un deslave, inquietando a los habitantes de Tumba. Al momento, la comuna cuenta con dos hectáreas de terreno a 3 kilómetros de Tumba en una planicie, a la espera de que el Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda MIDUVI construya sus nuevas viviendas. Mapa de susceptibilidad a los movimientos en masa Mapa de peligros y zonas potenciales de impacto Figura 6: A la izquierda “Mapa de susceptibilidad a los movimientos en masa”, a la derecha “Mapa de peligros y zonas potenciales de impacto”. Fuente: INIGEMM 1.2. Objetivos General: Usar Interferometría de Radar de Síntesis de Apertura - InSAR “Interferometry Synthetic Aperture Radar” en la ladera occidental del Cerro Iguazo, comunidad Tumba, parroquia Quimiag, cantón Riobamba, provincia de Chimborazo-Ecuador para determinar la deformación de la ladera por los movimientos en masa detectados, y con ésta aplicación intentar dar los primeros pasos en la inserción de ésta tecnología en los organismos en Ecuador (INIGEMM). Específicos: 6 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA • Realizar un registro histórico de interferogramas de movimientos en masa, de acuerdo a la disponibilidad de escenas radar. • Contrastar los resultados obtenidos con la información de campo proporcionada por el INIGEMM 1.3. Estructura de la tesis El presente trabajo de investigación tiene la siguiente estructura: • Capítulo 1: Explica el área de estudio, la temática a abordar sobre la base de Informes Técnicos proporcionados por el INIGEMM, datos de monitoreo del deslizamiento, así como los objetivos de la investigación. • Capítulo 2: Contiene el fundamento teórico sobre radar e interferometría. Además, se señala el software a utilizarse y la metodología que contempla cuatro fases de desarrollo: pre-procesamiento, procesamiento, pos-procesamiento y análisis de datos. • Capítulo 3: Detalla la disponibilidad de productos radar y modelo digital de elevación. • Capítulo 4: Se refiere al procesamiento de datos radar en el software libre de síntesis SAR e interferometría denominado ROI_PAC “Repeat Orbit Interferometry PACkage”, desarrollado por el “Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California”. • Capítulo 5: Muestra los resultados obtenidos con el pos-procesamiento de los productos resultantes de las imágenes de radar ALOS PALSAR del capítulo anterior. • Capítulo 6: Contiene las conclusiones del trabajo de investigación. 7 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 8 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 2. Fundamento teórico A continuación se muestra revisión de literatura para apoyar el desarrollo de la presente investigación, la cual comprende una introducción a los principios básicos de Radar de Síntesis de Apertura - SAR, descripción de las plataformas satelitales de las imágenes de radar procesadas, principios básicos de Interferometría de Radar de Síntesis de Apertura – InSAR, software que se utilizó en el procesamiento de las imágenes de radar y la metodología empleada para alcanzar los objetivos planteados. Mayor información sobre la temática abordada se puede encontrar en los libros de Ramon Hanssen (2001), Bakker et al. (2004), Manual de Entrenamiento InSAR de la Agencia Espacial Europea (ESA TM-19 Febrero 2007), Manual de Radar de Síntesis de Apertura y SARscape (SARMAP 2008), John Richards (2009) y en los artículos científicos citados. 2.1. Principios básicos de Radar de Síntesis de Apertura “Synthetic Aperture Radar - SAR” Como indica Bakker et al. (2004), existen diversos métodos para recolectar datos espaciales, es decir que tienen una referencia geográfica, para usarlos en distintas aplicaciones de acuerdo a sus necesidades. Así tenemos las encuestas, entrevistas, levantamiento de información catastral, muestras a analizarse en laboratorio, interpretación de imágenes satelitales, uso de fotografías aéreas, modelos numéricos, etc. Para abordar el tema de uso de Interferometría de Radar de Síntesis de Apertura - InSAR en la detección de movimientos en masa, se tratarán los métodos de recolección de datos por procesamiento de imágenes satelitales de radar y su validación con levantamiento de campo. El sensor SAR es un sistema activo, donde una antena montada en una plataforma satelital transmite un pulso corto en una dirección precisa “side-looking” a la superficie terrestre (figura 7). La señal reflejada denominada eco retorna a la antena con un tiempo de retardo. Esta definición de radar se denomina Radar Mono-Estático. 9 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 7: Radar mono-estático. Fuente: SARMAP (2008) En Radar de Apertura Real - RAR “Real Aperture Radar” (figura 8), retorna solo la amplitud de cada eco para ser medida y procesada. Por otra parte, los sistemas radares coherentes como Radar de Síntesis de Apertura - SAR “Synthetic Aperture Radar”, graban la amplitud y la fase del eco recibido, donde la amplitud y la fase se usan durante el proceso de focalización para construir la imagen. Según Colesanti & Wasowski (2006) la imagen enfocada SAR es una matriz de valores complejos, donde la Amplitud es un mapa de la reflectividad del suelo del área escaneada y la fase depende de la reflectividad local y de la distancia sensor-objetivo (slant range o dirección de línea de vista - LOS “Line Of Sight direction”). La sensibilidad de la fase respecto a la distancia sensor-objetivo es muy alta ya que la fase es la diferencia de dos formas de camino de la longitud de onda (λ), es decir los caminos sensor-objetivo y objetivosensor. Por ejemplo, una sola forma de diferencia de camino de 0.5 λ se traduce a un ciclo de fase completa (2π). El SAR al guardar la señal electromagnética de eco desde la superficie terrestre, organiza la señal en un mapa de imágenes de dos dimensiones (2D), cuyas dimensiones son la distancia sensor-objetivo (rango) y la plataforma de dirección de vuelo (azimut). Figura 8: Radar de Apertura Real - RAR. Fuente: SARMAP (2008) 10 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA De acuerdo a Hanssen (2001), en las aplicaciones interferométricas la observación principal es la señal de fase relativa de dos dimensiones, que es el módulo 2π de la señal de fase absoluta que es desconocida. El SAR tiene ventajas únicas sobre sensores ópticos ya que es independiente de la iluminación solar, penetra nubes, y en cierta medida pocos centímetros de superficies como suelo, vegetación, nieve, dependiendo de la frecuencia a la que operan. No obstante, en imágenes de radar se debe considerar la complejidad en el procesamiento de los datos y las dificultades en su interpretación. Respecto a la resolución espacial, en el RAR se la determina en primer lugar por el tamaño de la antena, por lo que a mayor antena mejor resolución espacial. Otros factores que intervienen son la duración del pulso (τ) emitido y el ancho del pulso de la antena. En RAR la resolución en rango se define como: resrango = cτ 2 ,donde c es la velocidad de la luz Mientras que la resolución en azimut se define como: resazimut = λR L , donde L es la longitud de la antena, R es la distancia sensor-objeto, λ es la longitud de onda En contraste con los RAR, los SAR por el movimiento de la plataforma que avanza hacia adelante, se sintetiza una gran antena (figura 9) que permite tener una mayor resolución en azimut a pesar del tamaño pequeño de la antena. Figura 9: Radar de Síntesis de Apertura - SAR. Fuente: SARMAP (2008) 11 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA En los SAR, la resolución en rango está limitada por el ancho de banda del pulso transmitido. Mientras más corto sea el pulso, más baja es la energía transmitida y más pobre la resolución radiométrica. Para conservar la resolución radiométrica, los SAR generan un pulso amplio con una modulación de frecuencia lineal “chirp” (figura 10). Figura 10: Chirp, parte real. Fuente: SARMAP (2008) A continuación se indican conceptos básicos de los parámetros específicos, modos de adquisición, mecanismos de dispersión, efecto speckle, datos estadísticos y geometría de los SAR. 2.1.1. Parámetros específicos Los parámetros específicos de los SAR son la λ, la polarización y los ángulos de incidencia (θ) del sensor. Sobre la λ, a más amplia λ mayor penetración de los pulsos emitidos por el sensor en la vegetación y suelo. La tabla 2 muestra las bandas y su λ de varios sensores radar. Tabla 2: Longitudes de onda usados. Fuente: SARMAP (2008) Banda P L S C X K λ (cm) 65 23 10 5 3 1,2 Sensor AIRSAR JERS-1 SAR, ALOS PALSAR Almaz-1 ERS-1/2 SAR, RADARSAT-1/2, ENVISAT ASAR, RISAT-1 TerraSAR-X-1, COSMO-SkyMed Uso militar Sobre la polarización, independientemente de la λ, la señal del radar puede transmitir vectores de campo eléctricos en forma horizontal (H) o vertical (V), y recibir la señal de retorno también en forma horizontal, vertical o ambos (figura 11). Los procesos físicos básicos responsables del retorno “like-polarised” (HH o VV) corresponden a la reflexión de la superficie casi especular. Por ejemplo, para los cuerpos lisos de agua, es decir agua sin movimiento de olas, la imagen aparece color negro. 12 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Por otra parte, el retorno de polarización cruzada HV o VH es débil y se lo asocia con diferentes reflexiones debido a la rugosidad de la superficie. Figura 11: Polarización HV. Fuente: SARMAP (2008) Respecto al ángulo de incidencia (θ), es el ángulo formado entre el pulso de radar y una línea perpendicular a la superficie. La interacción de las micro-ondas con la superficie es compleja, la reflectividad de la señal de retorno es normalmente fuerte en pequeños ángulos de incidencia, y decrece con el incremento de los mismos. 2.1.2. Modos de adquisición Los modos de adquisición de los sensores radar son los siguientes: • Stripmap • ScanSAR • Spotlight En el Modo “Stripmap” (figura 12) la antena por lo general permite al sistema la flexibilidad de seleccionar una franja de imagen al cambiar el ángulo de incidencia. Este modo es el que más se usa, pero tiene la limitación de tener una franja estrecha “narrow swath”. En los casos de ERS-1/2 y JERS-1 la antena es fija. Mientras que otros sistemas SAR como RADARSAT1/2, ENVISAT ASAR, ALOS PALSAR, TerraSAR-X-1, COSMO-SkyMed y RISAT-1 se pueden seleccionar diferentes modos de franja. 13 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 12: Modo "Stripmap". Fuente: SARMAP (2008) El Modo “ScanSAR” (figura 13) no tiene la limitación de la franja estrecha del Modo “Stripmap” y permite alcanzar franjas más amplias de longitud por el uso de un pulso de antena electrónicamente orientable en elevación. Las imágenes de radar son sintetizadas al escanear el ángulo de incidencia y sintetizan imágenes secuencialmente para las diferentes posiciones de los pulsos. El área iluminada por cada pulso particular se denomina sub-franja. El principio de ScanSAR es compartir el tiempo de operación del radar entre dos o más subfranjas separadas para obtener una imagen completa. Figura 13: Modo “ScanSAR”. Fuente: SARMAP (2008) En el Modo “Spotlight” (figura 14) el sensor dirige el pulso de la antena y continuamente ilumina el área de terreno “terrain patch”. 14 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 14: Modo “Spotlight”. Fuente: SARMAP (2008) Además, los modos “Spotlight” y “Stripmap” se distinguen por lo siguiente: • Los modos Spotlight y Stripmap tienen la misma antena, pero Spotlight brinda una resolución más fina en azimut. • El modo Spotlight puede iluminar una misma escena con múltiples ángulos “viewing angles”. • El modo Spotlight ilumina múltiples escenas pequeñas, mientras que el modo Stripmap ilumina una franja larga de terreno. 2.1.3. Mecanismos de dispersión Sobre los mecanismos de dispersión, el sensor radar ilumina una escena por medio de un pulso “beam”, la energía incidente es dispersada (figura 15) de acuerdo a las características de la superficie iluminada. Entonces, la imagen SAR resultante indica la energía reflejada al sensor, donde las áreas oscuras representan baja dispersión es decir poca energía reflejada, mientras que las brillantes representan alta dispersión. La dispersión en un área dada con una λ particular varía de acuerdo a la penetración del pulso radar, al tamaño físico de los objetos iluminados, a sus propiedades dieléctricas, a su contenido de humedad, donde los objetos muy húmedos aparecen brillantes, mientras que los muy secos aparecen oscuros. Una excepción lo representan los cuerpos lisos de agua que actúan como una superficie plana y aparecen en la imagen con color negro. Adicionalmente, la λ, la polarización de los pulsos SAR y los ángulos de observación afectan la señal dispersada. 15 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 15: Mecanismos de dispersión. Fuente: SARMAP (2008) Sobre la Dispersión Doble Rebote “Double Bounce” (figura 16), las superficies con pendiente hacia el sensor tienen una dispersión más fuerte que las superficies con pendiente contraria al sensor, por lo que tienen una tendencia a aparecer más brillantes en una imagen de radar. Las áreas en sombra y que no son iluminadas por el sensor aparecen oscuras. La estructura alineada de calles de ciudad y edificios permite que el pulso de radar incidente rebote en las calles, y nuevamente rebote en los edificios, lo que se denomina doble rebote, retorne al radar con una apariencia muy brillosa (blanca) en la imagen de radar. Mientras que las carreteras y ferrovías, como son superficies planas aparecen oscuras. Figura 16: Mecanismos de dispersión: doble rebote. Fuente: SARMAP (2008) Sobre la penetración del pulso radar (figura 17), dependiendo de la frecuencia y polarización, las ondas pueden penetrar la vegetación e incluso suelo seco, como nieve seca o arena, en ciertas condiciones. Generalmente, a más amplia λ más fuerte es la penetración en los objetos. Figura 17: Mecanismos de dispersión: penetración. Fuente: SARMAP (2008) Sobre las propiedades dieléctricas, en los objetos metálicos y de agua, la constante dieléctrica es alta (80), mientras que en objetos en condiciones secas es relativamente baja alrededor de 3 16 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA a 8. Esto significa que la humedad del suelo o superficies de vegetación pueden producir un incremento notable en la reflexión de la señal radar. En base a las propiedades dieléctricas de los objetos, los sistemas SAR se usan para recuperar el contenido de humedad de suelo principalmente en suelo desnudo debido al gran contraste que existe entre suelo seco y suelo húmedo. 2.1.4. Efecto “speckle” El efecto “speckle” influye la calidad de imágenes SAR y es inducido por los mecanismos de formación de la imagen. El “speckle” se lo relaciona a una característica de ruido producida por sistemas coherentes como el SAR y Laser, pero no es ruido del sistema, es una medida electromagnética explotada en particular en InSAR y tiene una estructura randómica de píxeles causados por la interferencia de ondas electromagnéticas dispersados por los objetos o superficies. Al iluminar la escena, cada objeto contribuye con energía dispersada, y por la fase y cambio de energía todas las dispersiones son resumidas coherentemente (figura 18). Ese resumen puede ser alto o bajo dependiendo de la interferencia constructiva o destructiva. La fluctuación estadística (varianza) o incertidumbre se la asocia con el brillo de cada píxel en la imagen de radar. Cuando se transforma la señal SAR en la imagen, luego del proceso de enfoque, se aplica el procesamiento multi-look o promedio no-coherente. El “speckle” todavía está inherente a la imagen SAR y puede ser reducido al aplicar técnicas de restauración de imagen (filtro speckle). Figura 18: Efecto speckle. Fuente: SARMAP (2008) 2.1.5. Datos estadísticos Los datos SAR están compuestos por una parte real y una parte imaginaria (datos complejos), denominado “in-phase” y canales de cuadrante (figura 19). 17 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 19: Parte imaginaria. Fuente: SARMAP (2008) La fase de un sistema SAR de un solo canal, por ejemplo la banda C con polarización VV, está uniformemente distribuida en el rango -π a +π, y no contiene información, a diferencia de la Amplitud o Intensidad que contiene información. Luego del procesamiento de enfoque de los datos SAR, por lo general se procesa el multilook al promediar el rango y/o azimut de la resolución de la celda, esto se conoce como promedio incoherente. Una imagen L-vista (L-look), donde L es el número de vistas, es la “convolution” de distribuciones exponenciales a un número dado de vistas (figura 20). Figura 20: Distribuciones exponenciales L-vista, donde L es el número de vistas. Fuente: SARMAP (2008) Una característica importante son los momentos, que es la media y la varianza esperada, de la distribución Gama para un área homogénea, así por ejemplo: media = 2 * (desviación estandar)2 varianza = 4 * (desviación estandar)4 / L Y se define al Número Equivalente de Vistas (ENL-Equivalent Number of Looks) como: ENL = mean2 / varianza, donde ENL equivale al número de valores de Intensidad promediados por píxel. 18 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 2.1.6. Geometría Los efectos de distorsión geométrica deben considerarse al usar datos SAR en investigaciones geológicas, especialmente en inestabilidad de pendiente ya que la pendiente local del terreno (α) influye en la imagen de radar. Colesanti & Wasowski (2006) citan a Monti Guarnieri (2002) e indican los efectos de distorsión geométrica causados por el mecanismo del radar que induce una resolución que depende de la pendiente a lo largo del rango oblicuo (ground range). Sobre la Geometría en Rango, la posición de un objeto está en función del tiempo de tránsito del pulso entre el sensor y ese objeto, por lo que su posición es proporcional a la distancia sensor-objeto. La proyección de un objeto específico en LOS es proporcional a la distancia del sensor y causa compresión no lineal de la superficie iluminada. La figura 21 indica la proyección (a’, b’, c’) en rango de los objetos iluminados: a, b y c. Se visualiza que diferencias pequeñas en altitud pueden causar grandes distorsiones, lo que lleva a tener las distorsiones de acortamiento “foreshortening”, “layover” y sombra. El efecto de acortamiento “foreshortening” ocurre cuando α está frente al sensor (0 < α < θ), entonces la imagen se comprime en pocos píxeles y presenta reflectividad brillante. El efecto “layover” ocurre cuando la inclinación excede θ, causando que la parte superior e inferior de la pendiente estén invertidos en la imagen SAR. El efecto sombra “shadowing” causa que el área no esté iluminada completamente por el sensor debido a que la pendiente está contraria al sensor (-(90 - θ) < α < 0), es un caso extremo de acortamiento “foreshortening” donde α es más grande que θ. Por lo tanto, cuando se incrementa la distancia horizontal, la distancia sensor-objeto disminuye. 19 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 21: Geometría en Rango. Fuente: SARMAP (2008) En áreas montañosas las imágenes SAR tienen una distorsión geométrica muy marcada y desde el punto de vista radiométrico, las pendientes con frente al sensor SAR aparecen muy brillantes (figura 22). En topografía más pronunciada o en el caso de ángulos de incidencia muy pequeños como ERS-1/2 el efecto de acortamiento “foreshortening” es peor. El efecto de acortamiento se puede corregir en las calibraciones geométrica y radiométrica con la disponibilidad de un Modelo Digital de Elevación (DEM) de alta resolución espacial. Mientras que los efectos “layover” y sombra no pueden ser corregidos porque esas áreas no tienen información temática. Figura 22: Ejemplo de geometría en rango. Fuente: SARMAP (2008) Por ejemplo, la resolución de ERS es alrededor de ∆az=5 m. en dirección en azimut y ∆sr=9.6 m. dirección en rango (LOS). Dependiendo de la topografía local la resolución del rango oblicuo (∆gr) es: ∆gr ∆sr Sen (θ -α ) α es positivo para pendientes donde su frente mira al sensor radar, y negativo para pendientes opuestas al sensor. Para terrenos planos α=0° a rango medio θ=23°, la resolución del rango 20 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA oblicuo es alrededor de 25 m. La resolución no se debe confundir con el tamaño actual del píxel que es ligeramente fino. Por ejemplo, se tiene 4 m en azimut, 8 m en LOS, y por lo tanto 20 m en rango oblicuo (terreno plano en rango medio) (Colesanti Carlo 2006). Las distorsiones en rango son amplias, causadas principalmente por variaciones en la topografía, mientras que las distorsiones en azimut son más pequeñas pero a su vez más complejas. Sobre la Geometría en Azimut, la frecuencia de la señal reflejada depende de la velocidad relativa entre el sensor y el objetivo. Parte de la señal de objetos que están frente al sensor se registran con una frecuencia mucho más alta que la emitida porque la antena se mueve a través del objetivo. Mientras que la frecuencia de los objetos que están opuestos al sensor es más baja que la frecuencia emitida, esto se conoce como efecto Doppler. 2.2. Plataformas satelitales A continuación se describen las plataformas satelitales ALOS y ERS, cuyas imágenes SAR fueron procesadas para obtener productos interferométricos. 2.2.1. Advanced Land Observing Satellite - ALOS El programa satelital Japonés de observación de la Tierra consiste en dos series de satélites conformados de acuerdo al objetivo de observación. La primera serie de satélites está principalmente diseñada para observaciones atmosféricas y marinas, mientras que la segunda serie para observaciones del suelo. El satélite “Advanced Land Observing Satellite, ALOS” es el sucesor del satélite “Japanese Earth Resources Satellite-1, JERS-1” (banda L, polarización HH, 35° ángulo off-nadir) en operación durante 1992-1998. ALOS fue exitosamente lanzado desde el Centro Espacial de Tanegashima-Japón en Enero 24 del 2006 (Rosenqvist Ake 2004), (JAXA), (Earth Observation Research and Application Center March 2008). En Mayo del 2011, JAXA anunció la terminación de la vida útil del satélite ALOS y se anuncia para el 2013 el lanzamiento de ALOS-2 con el mejoramiento de sus modos de adquisición, mejor resolución, más ángulos de incidencia, etc (http://www.jaxa.jp/index_e.html). ALOS utiliza técnicas avanzadas de observación del suelo con los siguientes objetivos: 1. Cartografiar y así proveer mapas para Japón y países contenidos en la región Asia-Pacífico. 2. Realizar observaciones regionales para fomentar el equilibrio entre el planeta y el desarrollo. 3. Monitorear desastres alrededor del mundo. 21 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 4. Investigar recursos naturales. 5. Desarrollar tecnología para futuros satélites de observación de la Tierra. ALOS (figura 23) está compuesto por tres sistemas independientes para la observación de la Tierra, que adquieren simultáneamente imágenes ópticas e imágenes de radar con diversas resoluciones y coberturas. A continuación se indican los sensores ópticos PRISM y AVNIR-2, y el sensor radar PALSAR: • Panchromatic Remote-sensing Instrument Stereo Mapping (PRISM): por estereoscopia este instrumento mide la elevación precisa del suelo. El sensor tiene una cámara pancromática, la longitud de onda comprende 0.52~0.77 µm, la resolución espacial es 2.5 m. • Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2 (AVNIR-2): permite observar lo que cubre la superficie del suelo. El sensor es multiespectral de cuatro bandas, cuyas longitudes de ondas corresponden a los rangos 0.42~0.5 µm (banda 1), 0.52~0.60 µm (banda 2), 0.61~0.69 µm (banda 3) y 0.76~0.89 µm (banda 4). La resolución espacial corresponde a 10 m. • Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar (PALSAR): permite observar el suelo durante el día-noche y en todos los climas. Figura 23: Satélite “Advanced Land Observing Satellite, ALOS”. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al. (2004) La tabla 3 muestra las principales especificaciones del satélite ALOS: Tabla 3: Principales especificaciones de ALOS. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al.(2004), Earth Observation Research and Application Center (March 2008), http://www.jaxa.jp/index_e.html Fecha de lanzamiento 22 Enero 24, 2006 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Vehículo de lanzamiento H-IIA Sitio del lanzamiento Centro Espacial Tanegashima Masa de la nave 4 toneladas aproximadamente Poder generado 7 kW (fin de sus funciones) Diseño en funcionamiento 3-5 años (hasta 2011) Orbita Sincronizada con el sol, sub recorrente Ciclo completo de repetición: 46 días Sub ciclo: 2 días Altitud: 691.65 km (en el Ecuador) Inclinación: 98.16° Pasada de tiempo en Ecuador ~10.30 (descendente); ~22.30 (ascendente) Precisión de posicionamiento 1 m (fuera de línea) Velocidad de transmisión de datos 240 Mbps (DRTS, via Data Relay Technology Satellite) 120 Mbps (estación de transferencia directa) Registradores de vuelo Grabadora de estado sólido (90 Gbytes) Se procesaron imágenes ALOS PALSAR, por lo que a continuación se detalla éste producto. PALSAR (figura 24) es un Radar de Síntesis de Apertura (SAR) que usa la frecuencia de la banda L para observar el suelo durante el día-noche sin la interrupción de las nubes, capaz de adquirir datos de hasta 10 m de resolución con ángulos de incidencia entre 20° y 55°. El desarrollo del sensor es un proyecto conjunto entre la Agencia de Exploración Aeroespacial Japonesa “Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA” y la Organización de Observación de Recursos Japoneses “Japan Resources Observation System Organization, JAROS”. Figura 24: Sensor PALSAR. Fuente: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm PALSAR es un instrumento full polarimétrico que opera en los siguientes modos (http://98.131.178.24/archivo-adm/Alos%20%288%29.pdf): • modo fino con una sola polarización (FBS) • modo fino en doble polarización (FBD) • modo Scan SAR (SL Scan SAR) • modo fino de Polarimetría (P Fine Polarimetría) La antena de PALSAR consiste de 80 T/R módulos en 4 segmentos, con un tamaño de 3.1 x 8.9 m cuando se despliega (figura 25). Como resultado del tamaño de antena relativamente 23 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA pequeña, de la altitud en órbita y del amplio ancho de banda Doppler, la frecuencia de repetición de pulso (PRF) varía (1500-2500 Hz) durante la órbita. PALSAR puede cambiar el ángulo off-nadir en el rango de 9.7-50.8°. Básicamente observa con un ángulo off-nadir de 34.3°, donde la resolución espacial es 10 m para modo de alta resolución. Figura 25: Antena de PALSAR durante una prueba de desarrollo. Fuente: Rosenqvist et al. (2004) La figura 26 muestra un concepto de observación de PALSAR, mientras que la figura 27 muestra sus características de observación, y la tabla 4 señala las características principales del instrumento. Figura 26: Concepto de observación de PALSAR. Fuentes: Rosenqvist et al. (2004), http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm 24 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 27: Características de observación de PALSAR. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al. (2004) Tabla 4: Características principales del instrumento PALSAR. Fuentes: http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/about/about_index.htm, Rosenqvist et al. (2004) Características Modo fino Frecuencia Ancho de banda Chirp 28MHz Polarización Modo de observación Modo ScanSAR Modo Polarimétrico 1270 MHz, banda L (23.6 cm) 14MHz 14MHz, 28MHz 14MHz HH o VV HH+HV o VV+VH HH o VV 8-60° 8-60° 18-43° 8-30° Resolución en Rango Ancho de observación (Swath) Longitud de Bit 7-44 m 40-70 Km 5 bits 14-88 m 40-70 Km 5 bits 100 m (multilook) 250-350 Km 5 bits 24-89 m 20-65 Km 3 o 5 bits Velocidad de datos 240 Mbps 240 Mbps 120 Mbps, 240 Mbps 240 Mbps < -25 dB < -29 dB Angulo incidencia NE (Noise Equivalent) sigma zero *2 Precisión radiométrica < -23 dB (Swath 70 km) HH+HV + VV+VH < -25 dB (Swath 60 km) Precisión relativa dentro de imagen: 1 dB Precisión relativa dentro de órbita: 1.5 dB PRF 2.2.1.1. 1500 – 2500 Hz Productos PALSAR A continuación se muestran características del instrumento PALSAR (tabla 5) en el modo de observación fino que corresponde a las imágenes de radar procesadas. 25 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Tabla 5: Definiciones de productos de datos estandar de PALSAR en el modo de observación fino. Fuente: Earth Observation Research and Application Center (March 2008) Características Definición 1.0 Reconstruido, datos de la señal sin procesar con coeficientes de corrección radiométrica y geométrica Nota Archivos de imágenes separados por cada polarización (HH, VV, HV, VH) Definición de los niveles de los productos estandar de PALSAR Observ. Nivel 1.1 Comprimido en rango y azimut Datos complejos en LOS 1.5 Imagen proyectada procesada multi-look a coordenadas de mapa. Latitud y longitud del producto son calculados sin considerar la altitud. Opciones G y R Solo es seleccionable una de las opciones G y R. Archivos de imágenes separados por cada polarización (HH, VV, HV, VH) 18 Niveles de procesamiento en modo de observación fino Nivel de procesamiento y sus tipos de datos Espaciamiento del píxel (píxel spacing) en modo de observación fino Una polarización 9 9 9 Doble polarización 9 9 9 18 - 32 bit(I) + 32 bit(Q) (*1) Coordenada en LOS Dirección rango Longitud de la señal de ingreso (corresponde al ancho de la señal de la puerta) Longitud de la señal válida (corresponde al ancho de la señal de la puerta-ancho del pulso) Dirección azimut 16.4 sec (correspondiente a 110 km) 51 a 79 km Formato 8 bit(I) + 8 bit(Q) Coordenadas Una polarización Doble polarización Tamaño de la imagen en modo de observación fino Resumen de parámetros de procesamiento beams Proyección de mapa “Framing” (*3) Dirección de imagen (*4) “Resampling” Coordenada geodética (modelo de Tierra) “Scene Shift” Función de ventana Número de multilook Espaciamiento del pixel beams 16 bit entero sin signo (*2) Coordenada de mapa 6.25 m (2 look) 12.5 m (4 look) 12.5 m (4 look) -Ángulo off-nadir 9.9°-43.4°: 70 km -Ángulo off-nadir 45.2°-50.0°: 50 km -Ángulo off-nadir 50.8°: 40 km Tamaño de imagen en dirección azimut varía de acuerdo a PRF y ángulo off-nadir. 51 a 79 km - - UTM, PS, MER, LCC (*5) G, R - - Mapa - - NN, BL, CC - - ITRF97 (GRS80) -5 a 4 - -5 a 4 Rectangular - 1 - - -5 a 4 Rectangular Depende del modo de observación Depende del modo de observación y número de multilook (*1) I y Q are datos reales basado en IEEE. Byte order es Big Endian (*2) Byte order es Big Endian (*3) G: geo-codificado, R: geo-referenciado (*4) Válido en el caso de Geocoded (*5) UTM o PS en modo de observación fino El formato del producto PALSAR se basa en las normativas del Comité de Satélites de Observación de la Tierra - CEOS (2011) para el formato de datos SAR. El volumen imagen existe como un volumen lógico y está compuesto por los siguientes cuatro clases de archivos, y la tabla 6 muestra la composición de registros de cada archivo: • 1 archivo “Volume Directory” (VOL-SceneID-ProductID): almacena los formatos de los registros del descriptor del volumen, del archivo puntero y del texto. 26 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA • 1 archivo “SAR Leader” (LED-SceneID-ProductID): almacena los formatos de los registros de tipos de datos relacionados a la imagen. • Algunos archivos imagen “SAR Data” (IMG-XX-SceneID-ProductID): almacena los formatos de los registros de la imagen. La cantidad de archivos imagen depende del número de polarizaciones. • 1 archivo “SAR Trailer” (TRL-SceneID-ProductID): almacena información final relacionada a la imagen. Tabla 6: Composición de registros de los archivos del volumen imagen en ALOS PALSAR. Fuente: Earth Observation Research and Application Center (March 2008) Nivel de procesamiento 1.0 1.1 1.5 Archivo/nombre del registro Archivo “Volume directory”: 1. descriptor del volumen 2. puntero del archivo 3. texto 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Archivo “SAR leader”: 1. descriptor del archivo 2. resumen del conjunto de datos 3. datos de proyección de mapa 4. datos de posición de plataforma 5. datos de altitud 6. datos radiométricos 7. resumen de la calidad de datos 8. datos de calibración 9. datos relacionados a la facilidad 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Archivo “SAR Image”: 1. descriptor del archivo 2. datos de la señala 3 datos procesados 9 9 - 9 9 - 9 9 Archivo “Trailer”: 1. descriptor del archivo 2. datos de imagen de baja resolución 9 - 9 9 9 9 2.2.2. European Remote Sensing Satellite - ERS La serie de satélites radar ERS-European Remote Sensing Satellite (figura 28), a cargo de la Agencia Espacial Europea (European Space Agency), se inició con el lanzamiento de ERS-1 el 17 de Julio de 1991, y tuvo continuidad en ERS-2 con el lanzamiento del 21 Abril de 1995. Poco tiempo después del lanzamiento de ERS-2, ESA decidió enlazar los dos satélites en la primera misión “tandem”, la cual tuvo una duración de nueve meses. Durante éste tiempo la misión ofreció una oportunidad única de observar cambios en un periodo de tiempo muy corto, porque ambos satélites orbitaban la Tierra con una diferencia de 24 horas. Lamentablemente, en Marzo del 2000 por falla computacional ERS-1 terminó sus operaciones. De acuerdo al sito web de la ESA (http://www.esa.int/esaEO/SEMJ0O6TLPG_index_0.html. Acceso: Julio 28 del 2011), debido 27 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA a la terminación de la vida útil del satélite ERS-2, gradualmente se está disminuyendo la altitud de su órbita hasta llegar aproximadamente a 550 Km, para reducir al mínimo el riesgo de colisión con otros satélites y habilitar que el satélite ingrese a la atmósfera terrestre y empiece su fusión. La detrucción ocurre luego de 25 años de su funcionamiento. Figura 28: Satélite “European Remote Sensing Satellite, ERS”. Fuente: http://www.esa.int/esaEO/SEMGWH2VQUD_index_0_m.html De acuerdo al Instituto Delft para la Investigación Espacial Orientada a la Tierra (Delft Institute for Earth-Oriented Space research 2011), ERS-1 y ERS-2 tienen fases de misiones, donde las fases de misiones de ERS-1 son las siguientes: Fase A: Puesta en Fase: 25 Julio 1991/10 Diciembre 1991 Fase B: Fase de Hielo: 28 Diciembre 1991/30 Marzo 1992 Fase R: Modo de Campaña Roll Tilt: 4 Abril 1992/13 Abril 1992 Fase C: Fase Multidisciplinaria: 14 Abril 1992/21 Diciembre 1993 Fase D: Segunda Fase de Hielo: 23 Diciembre 1993/10 Abril 1994 Fase E: Primera Fase Geodésica: 10 Abril 1994/28 Septiembre 1994 Fase F: Primera Fase Geodésica: 28 Septiembre 1994-21 Marzo 1995 Fase G: Fase Tandem: 21 Marzo 1995/5 Junio 1996 ERS-2 tiene solamente la fase de misión A: Fase A: Fase Multidisciplinaria: 29 Abril 1996/al presente A escala regional, a partir de la detección automática o semiautomática de imágenes ERS se realizan aplicaciones de vigilancia en las costas, contaminación marina y cambios de uso del suelo. Sus principales aplicaciones se enfocan en el impacto de actividades humanas sobre el medio ambiente y el monitoreo de desastres naturales como inundaciones severas o terremotos. 28 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA La figura 29 muestra la geometría de adquisición de ERS y sus principales parámetros como son el ángulo de incidencia (θ) y el ángulo off-nadir. Figura 29: Geometría de adquisición de ERS. Fuente: Colesanti & Wasowski (2006) En su modo principal de adquisición, ERS tiene una cobertura de re-visita de 35 días. ERS-2 opera en polarización vertical (VV) en banda C (frecuencia 5.3 GHz). Para procesamiento de imágenes SAR, ERS-2 es compatible con ERS-1. Las escenas ERS cubren aproximadamente un área de 100 x 100 Km2 (Colesanti Carlo 2006). Para sensores SAR como ERS-1/2 y ENVISAT ASAR que orbitan alrededor de 900 Km, el área cubierta por un solo pulso transmitido (footprint) es alrededor de 5 Km de longitud en dirección azimut (SARMAP 2008). La órbita de ERS-2 es elíptica, está sincronizada con el sol a una altitud aproximada de 800 Km y con 98° de inclinación. ERS da una vuelta completa al planeta una vez cada 100 minutos ((NASA), (European Space Agency)). Las órbitas de adquisición de ERS son ascendentes y descendentes. En terrenos planos, el ángulo de incidencia (θ) que varía desde 19° en rango cercano, a 26° en rango lejano, es un poco más grande que el ángulo off-nadir debido a la curvatura de la superficie Terrestre (Colesanti Carlo 2006). ERS está compuesto de varios instrumentos que permiten manejar un flujo continuo de información de la superficie de los océanos y emersión del suelo (NASA). A continuación se indican los instrumentos: • SAR - Radar de Síntesis de Apertura • SCAT – Scaterómetro de Viento (Wind Scaterrometer) • RA – Altímetro de radar (Radar Altimeter) 29 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA • ATSR – Radiómetro de Exploración (Along-Track Scanning Radiometer) • Microwave Sounder • GOME – Experimento de monitoreo global del ozono (Global Ozon Monitoring Experiment) • PRARE - Precise Range and Range-Rate Equipament • LRR - Laser Retro-Reflector ERS-1 consiste de dos radares especializados y de un sensor infrarrojo. El instrumento SAR produce imágenes de una franja de 100 Km. de la superficie de la Tierra, mide continua y globalmente la velocidad, la dirección del viento y los parámetros de las olas del océano. Además, obtiene franjas de alta resolución, con un ancho de franja de 100 Km. El ángulo de incidencia en operación normal es 23°. Sin embargo, para algunas aplicaciones experimentales varía a más de 35° (Centre for Remote Imaging). El instrumento altímetro de radar, mide con precisión variaciones en la altura del satélite sobre el nivel del mar y hielo. El radiómetro de exploración construye imágenes termales detalladas de mares y océanos a partir de mediciones de temperatura de la superficie (NASA). ERS-1 y ERS-2 tienen idéntico diseño, con la diferencia de que ERS-2 incluye el nuevo instrumento GOME, diseñado para monitorear niveles de ozono en la atmósfera (NASA), (European Space Agency). Los parámetros del modo de imagen SAR se indican a continuación en la tabla 7: Tabla 7: Principales parámetros del modo de imagen SAR de ERS. Fuente: Centre for Remote Imaging (2011) Tamaño de la antena SAR Frecuencia Ancho de banda Rango PRF Duración del pulso largo Longitud del pulso comprimido Polarización I and Q quantisation Resolución radiométrica Ancho de la franja Ángulo de incidencia Velocidad de transmisión de datos 2.3. 10 m de longitud, 1 metro de ancho 5.3 GHz (banda C ) 15.55 MHz 1640-1720 Hz 37.1 microsegundos 64 ns Vertical lineal 5 bits para OGRC, 6 bits para OBRC 2.5 dB a sigma-nought = -18 dB 80.4 Km 23 ° 105 Mbps Interferometría de Radar de Síntesis de Apertura “SAR Interferometry InSAR” El principio básico de interferometría se fundamenta en el hecho de que la fase de imágenes SAR es una medida ambigua (módulo - 2π) de la distancia sensor-objetivo. Las variaciones de distancia se determinan al calcular en un píxel y su píxel base la diferencia de fase (fase 30 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA interferométrica) relativa en dos imágenes SAR. El calculo se realiza por el producto píxel por píxel de la imagen de referencia denominada “maestra” (master - IM) por el complejo conjugado de la imagen secundaria denominada “esclava” (slave - IS). Cada píxel de la imagen SAR es la suma coherente de todos los elementos que emiten ecos dentro de cada celda de resolución. Por lo que cada elemento contribuye con su propia reflectividad compleja (amplitud y fase) y su distancia individual al sensor. El supuesto básico para llevar a cabo mediciones interferométricas se conoce como ausencia de decorrelación o coherencia completa, la cual consiste en que mientras la reflectividad compleja del píxel en su conjunto (reflectividad de todos los elementos y de sus caminos diferenciales sensor-objetivo) no cambia en el tiempo transcurrido entre las adquisiciones radar, esto es cancelado desde la fase interferométrica. Sin embargo, en realidad el término denominado reflectividad diferencial residual siempre afecta la fase interferométrica y se conoce como ruido de decorrelación. En particulas las áreas con vegetación son por lo general afectadas por la decorrelación temporal ya que su reflectividad compleja varía con el tiempo y/o posición de los elementos que emiten el eco dentro de una celda de muestra, como pueden ser las hojas y las ramas pequeñas de los árboles (Colesanti Carlo 2006). De acuerdo a Zebker & Villasenor (1992), al contrario de lo anterior, la decorrelación geométrica se produce debido a la reflectividad compleja que cambia con la geometría de adquisición. Decorrelación geométrica se produce principalmente por la presencia de elementos similares dentro de una misma celda. Su camino de viaje diferencial varía con la geometría de adquisición. El principal parámetro orbital que controla éste efecto es la línea de base normal (baseline, Bn) que es la medida de la diferencia de dos órbitas. La figura 30 muestra la proyección perpendicular a la dirección de línea de vista (LOS) de la distancia de las órbitas relativas del satélite a las dos imágenes del interferograma. 31 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 30: Geometría simplificada de medidas interferométricas. Fuente: Colesanti & Wasowski (2006) Colesanti & Wasowski (2006) remarcan las siguientes principales contribuciones a la fase interferométrica: • Posible deformación del suelo (∆s) que afecta directamente el camino del viaje sensorobjetivo. Solamente la proyección de la deformación que ocurre a lo largo de la dirección de línea de vista (∆sLOS) es detectada por el sistema SAR: ∆фdef,LOS = (4π / λ) ∆sLOS La sensibilidad es muy alta: un desplazamiento LOS de λ/2 causa un ciclo de fase completa. • Perfiles topográficos, en particular la diferencia de altura ∆q1,2 entre parejas de píxeles de imagen. La sensibilidad interferométrica a la topografía es mucho más baja y proporcional a la línea de base normal del inteferograma: ∆фtopo1,2 = donde ∆ φ topo1,2 4π Bn ∆q1,2 λ rM sin θ es la contribución topográfica a la diferencia de fase interferométrico entre dos píxeles nombrados 1 y 2; rM es la distancia sensor-objetivo (para ERS en rango medio aproximadamente 845 Km); Bn es la base de línea normal, y ∆q1,2 es la diferencia de altura topográfica de los pixeles 1 y 2. • Ruido de fase: decorrelación temporal y geométrica. • Artefactos atmosféricos: aunque los sistemas SAR son capaces de penetrar las nubes, la señal de fase SAR tiene una influencia significativa de las condiciones atmosféricas como la distribución del vapor de agua en la troposfera (Colesanti & Wasowski (2006) citan a 32 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Zebker et al. (1997)). La distorsión de fase atmosférica está fuertemente correlacionada en espacio dentro de cada imagen SAR, ya que varía suavemente como una función de rango y azimut. La estimación de la topografía ha sido el principal interés en las primeras aplicaciones de interferometría radar. Sin embargo, los experimentos de configuración de pasadas repetidas de plataformas satelitales demostraron claramente la aplicabilidad de interferometría radar para el monitoreo de deformación. No obstante, un problema recurrente en ésta aplicación es que la señal de deformación se mezcla siempre con la señal de la topografía. Una solución a éste problema es el planteamiento de la interferometría diferencial, donde la señal topográfica obtenida desde el interferograma topográfico es escalada a condiciones de la línea de base del interferograma de deformación y consecuentemente substraída, entregando así un interferograma diferencial (Gabriel A. K. 1989). Massonnet et al. (1993) desarrollaron la primera demostración de interferometria diferencial de radar al mapear el desplazamiento ocurrido por el sismo de Landers, al usar un modelo de elevación para remover la señal de la fase topográfica. Hanssen (2001) cita a Zebker et al. (1994), quienes reportaron el método de tres-pasadas para estudiar el mismo sismo. El método consistió en usar dos imágenes de radar para obtener un interferograma. Luego, combinaron el primer resultado con una tercera imagen. De esta manera los autores (Zebker H. A. 1994) lograron remover la topografía con el resultado del primer interferograma. Casagli et al. (2008) señala que cuando ocurre un evento por deslizamiento, es crucial realizar un mapeo rápido de la extensión del daño para producir un plan de emergencia y estrategias de mitigación tan pronto como sea posible. Para este fin, las imágenes ópticas de muy alta resolución permiten detectar cambios antes y después de un evento. De acuerdo a Colesanti & Wasowski (2006), SAR con la técnica de Interferometría Radar de Síntesis de Apertura (SAR Interferometry - InSAR) permite producir datos como modelos del terreno en tres dimensiones que apoyan a investigaciones a escala regional. En el caso de movimientos en masa, estos modelos pueden ser una herramienta para evaluar susceptibilidad de falla en las pendientes. Por lo tanto, al combinar las imágenes ópticas e InSAR es posible definir la extensión espacial y la evolución temporal de los deslizamientos para estrategias de manejo de emergencias. Además, las imágenes de radar por medio de la técnica de InSAR proveen mediciones precisas del desplazamiento del terreno debido a inestabilidad en la pendiente. 33 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA InSAR es una técnica revolucionaria para medir y mapear cambios tan pequeños como pocos milímetros que han ocurrido en la superficie de la Tierra, debido a las actividades sísmica, volcánica, migración de agua subterránea y antrópica como el bombeo de aguas subterráneas, producción de hidrocarburos, etc. (UNAVCO 2011). Por la señal de rebote del radar de la superificie en un mismo punto en el espacio pero en tiempos diferentes, el radar puede medir los cambios en distancia entre el satélite y el suelo como elevación y hundimiento de la superficie terrestre (Bawden Gerald 2005). Se está incrementando el uso de InSAR para el estudio de la criósfera (movimiento de los glaciares y las capas de hielo) y atmósfera (agua contenida en la tropósfera). Varias misiones a nivel mundial están enfocadas al entrenamiento de nuevos científicos en el campo de interferometría y su interpretación, como el programa EarthScope de los Estados Unidos, la Misión de la NASA InSAR denominada DESDynl “Deformation, Ecosystem Structure and Dynamics of Ice”. Nuevas técnicas y aplicaciones se están desarrollando rápidamente, incluyendo “stacking”, análisis de deformación de la superficie en series de tiempo, ScanSAR, InSAR polarimétrico, “along-track interferometry” (UNAVCO 2011). Una de las ventajas de aplicaciones de InSAR es visualizar la extensión de eventos naturales, como el caso del sismo en la costa noreste de Honshu-Japón, el 11 de Marzo del 2011 de magnitud 9.0, ocurrido a lo largo de la zona de subducción entre las placas tectónicas del Pacífico y la Norte-Americana. El sismo produjo un tsunami con más de 10 m de altura y una pérdida de alrededor 30 000 personas, además del gran daño causado en infraestructura. De acuerdo la información procesada por UNAVCO Terremoto y Tsunami en Japón (2011), el modo de observación ScanSAR de ALOS/PALSAR no fue exitoso en éste evento por tener extensas líneas de base, sin embargo al procesar imágenes con el modo strip-map se obtuvo deformación (Hashimoto Manabu 2011). Lanari et al. (2004b) y Berardino et al. (2002) citan a Gabriel (1989) y Massonnet (1993) al denotar que Interferometría Diferencial de Radar de Síntesis de Apertura “Differential Synthetic Aperture Radar (SAR) Intererometry (DIFSAR)” es una técnica de sensoramiento remoto para generar mapas, a una escala grande, de deformación de la superficie terrestre, donde el desplazamiento se mide en la línea de vista del radar “radar line of sight” con una 34 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA exactitud de centímetros a milímetros, al explorar las componentes de fase de ida y regreso de imágenes SAR en un área específica. Berardino et al. (2002) cita a Massonnet (1993) y Borgia (2000) señalando acercamientos DIFSAR aplicados a análisis de un único episodio de deformación por la ocurrencia de eventos sísmicos y volcánicos respectivamente. Colesanti & Wasowski (2006) enfatizan que la pérdida de coherencia es un problema típico en áreas con vegetación, y señalan los efectos atmosféricos como la principal limitante en la utilización de imágenes de radar. Sin embargo, estas dificultades se pueden superar al usar técnicas innovadoras de DIFSAR y analizar grandes series de imágenes SAR. Lanari et al. (2004b), Berardino et al. (2002) remarcan la necesidad de generar series temporales de deformación para estudiar la evolución de desplazamientos detectados como una clave para entender la dinámica del fenómeno de deformación. Para lograr éste fin, se procura crear una secuencia apropiada de interferogramas DIFSAR que relacionen pares de datos interferométricos con su fecha de adquisición. Se han propuesto algunos acercamientos basados en combinaciones de diferentes interferogramas de datos SAR disponibles relativos a un área específica (Lanari et al. (2004b) cita a Ferretti et al. (2000) y Mora et al. (2002)). Bajo este marco, Berardino et al. (2002) propone un nuevo acercamiento de pos-procesamiento aplicado a un conjunto de interferogramas desenrrollados DIFSAR, que consiste en combinar todos los interferogramas disponibles caracterizados por una pequeña separación espacial entre órbitas (línea de base) para reducir la decorrelación espacial y los errores topográficos. Sin embargo, se remarca que ésta técnica no es adecuada en el estado presente para detectar deformaciones locales a escala espacial pequeña, como el caso de pequeños edificios que sufren estrés estructural. Casagli et al. (2008) indica que en el caso de desplazamientos lentos del terreno de hasta unos pocos centímetros por año que afectan áreas construidas, la técnica denominada “Permanent Scatterers - PS”, la cual fue desarrollada y patentada por el Telerilevamento Europa, registra la distribución espacial de desplazamientos y su rango de deformación en un periodo de tiempo. Además, PS distingue desplazamientos en áreas antiguas no estables, así como recientes. Berardino et al. (2002) citan a Ferretti et al. (2000) y (2001b), señalando que se propuso la técnica PS para maximizar el número de adquisiciones a usarse, al generar 35 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA respecto a una imagen común conocida como master, un interferograma DIFSAR para cada una de las adquisiciones disponibles, aún si los datos se caracterizan por una gran línea de base más grande que la línea de base crítica. Adicionalmente, Colesanti & Wasowski (2006) indican que PS supera algunas limitaciones de DIFSAR en estudios de movimientos en masa, pero que tanto ésta técnica como el progreso en DIFSAR permiten obtener deformación de pendiente con precisión milimétrica. Sin embargo, ya que solamente se puede detectar la línea de radar de la proyección de vista (LOS) de los desplazamientos, PS es posible únicamente cuando existe suficiente disponibilidad de verdad de campo, y es adecuado para el monitoreamiento en condiciones favorables de medio ambiente. Por lo tanto, la verdad de campo es una información muy valiosa para detectar con radar la deformación del suelo. Debido a las dificultades relacionadas con la interpretación de los resultados de PS y la aplicación de datos SAR a problemas de escala local, se requiere una colaboración muy cercana entre expertos en movimientos en masa y especialistas en técnicas avanzadas de procesamiento de datos radar. Todos los tipos de movimientos en masa son de interés para los geólogos, se remarca la detección de ambos componentes de movimientos en direcciones vertical y horizontal para evaluar los mecanismos de falla de la pendiente. En dependencia con el ángulo de observación o visión y la geometría de adquisición del radar se pueden detectar las componentes del movimiento. De acuerdo a Hanssen (2005), son dos los grupos de parámetros interferométricos que inciden en las aplicaciones potenciales y limitaciones en el monitoreamiento de deformación de la superficie terrestre usando sensores remotos. Estos grupos son los parámetros de diseño y los parámetros del medio ambiente (tabla 8). Las longitudes de onda corta (3 cm) son dispersadas por pequeños objetos, como las hojas de los árboles, en la superficie terrestre. Un movimiento randómico de estos pequeños objetos causa distorsión en el análisis de la señal de fase, por lo que se prefieren longitudes de ondas más amplias. Una λ de 24 cm es reflejada más significativamente por grandes objetos, penetra a través del follaje, y refleja más cerca al suelo de los árboles. Tabla 8: Principales parámetros para el análisis de fiabilidad y exactitud. Fuente: Hanssen (2005) Parámetros de diseño Longitud de onda λ (3-24 cm), bandas L, C, X Baseline perpendicular (distancia efectiva entre los satélites) Baseline temporal (fechas de adquisición de imágenes) Número de adquisiciones disponibles Ángulo de incidencia, inclinación 36 Parámetros de medio ambiente Atmósfera Superficie Características específicas de deformación USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA La tabla 9 muestra un listado de las principales misiones InSAR capaces de mapear deformación. Tabla 9: Lista principal de satélites de misiones InSAR capaces de mapear deformación, se indica la duración de la misión, intervalo de revisita y longitud de onda (λ). Fuente: Henssen (2005) Misión ERS-1 ERS-2 ERS-1/ERS-2 JERS Radarsat Envisat ALOS Inicio-Fin 1991–2000 1995– 1995–1996 1992–1998 1995– 2002– 2004– Intervalo de tiempo (días) 35(3) 35 1 44 24 35 46 λ (cm) 5.6 5.6 5.6 23.6 5.6 5.6 23.6 Parámetros como el ángulo de incidencia, la altitud, la frecuencia y el ancho de banda permiten calcular la línea de base crítica (B┴,crit), la cual expresa la máxima separación horizontal de dos satélites para realizar interferometría (Hanssen Ramon F. 2001). La decorrelacion geométrica (línea de base) es el resultado de la diferencia en el ángulo de incidencia entre los dos sensores (Hanssen (2001) cita a Gatelli et al. (1994)). La línea de base crítica (B┴,crit) es la línea de base que causa un desplazamiento espectral igual al ancho de banda (BR). La línea de base crítica es una función de la longitud de onda (λ), el ángulo de incidencia (θ), y la pendiente local del terreno (α): B┴,crit = λ (BR / c) R1 tan (θ - α) Para terrenos sin pendiente, la línea de base crítica para ERS es aproximadamente 1.1 Km y depende del ánculo de incidencia (figura 31). Figura 31: Decorrelación geométrica para ERS-1/2 como una función de la línea de base perpendicular y la pendiente local del terreno. Fuente: (Hanssen Ramon F. 2001) 2.4. Software La presente investigación se ha realizado con software de acceso comercial como ENVI versión 4.1 y ERDAS versión 8.7. Además de software de acceso libre como “Delft Object- 37 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA oriented Radar Interferometric Software, DORIS” version 4.02 (Junio 8 del 2009) y “Repeat Orbit Interferometry PACkage, ROI_PAC” versión. Con las dos imagenes ERS-1/2 de la Misión Tandem, proporcionadas por el “Centro de Levantamientos Integrados por Sensores Remotos, CLIRSEN”, en primera instancia se trató de leer el formato SLC (Single Look Complex) en ERDAS, lo cual fue imposible. Posteriormente, en el software DORIS version 4.02 (Junio 8 del 2009) que trabaja con productos SLC, se logró leer las imágenes ERS pero el software desplegó mensaje de alerta de error en su lectura. Se concluyó que las imágenes ERS tenían alguna diferencia de formato frente a la especificación del formato CEOS, lo que imposibilitaba procesarlas en ERDAS y/o DORIS. El siguiente paso fue tratar de abrir el formato RAW en ROI_PAC, lo cual se logró exitosamente, pero fue necesario modificar campos de información de acuerdo a la definición del CEOS (2011). Para obtener los productos interferométricos, en ROI_PAC se procesaron las imágenes crudas ERS-1/2 y ALOS PALSAR. A continuación se provee un breve resumen sobre el software de acceso libre DORIS y ROI_PAC. 2.4.1. Delft Object-oriented Radar Interferometric Software, DORIS El Instituto de Observación de la Tierra y Sistemas Espaciales de la Universidad de Tecnología Delft desarrolló un software libre para generar interferogramas a partir de datos SAR (Synthetic Aperture Radar) SLC, llamado DORIS (Delft object-oriented radar interferometric software). DORIS genera productos interferométricos, DEMs (Modelos Digitales de Elevación) y mapas de desplazamiento. DORIS puede procesar datos que provienen de los satélites ERS-1/2, ENVISAT, JERS, RADARSAT, ALOS y TERRASAR-X (DORIS 2011). La figura 32 muestra el flujo de procesamiento interferométrico de imágenes SAR. En el diagrama, el bloque II consiste en el coregistro, donde la imagen esclava es corregistrada con la imagen master o principal. En el bloque III se calculan los productos interferométricos como mapa de coherencia e imagen de fase. El bloque IV calcula los productos finales como el DEM y mapa de deformación. 38 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 32: Flujo de procesamiento interferométrico de imágenes SAR. Fuente: http://doris.tudelft.nl/software/doris_v4.02.pdf 2.4.2. Repeat Orbit Interferometry PACkage, ROI_PAC ROI PAC es una herramienta desarrollada por el “Jet Propulsión Laboratory, JPL” en Pasadena-USA, para procesar datos SAR en formato RAW y producir interferogramas diferenciales. Es un software de libre distribución que actualmente procesa datos provenientes de los satélites ERS1/2, ENVISAT, JERS, Radarsat, ALOS-PALSAR y Seasat. El sitio web de ROI_PAC (http://www.roipac.org) provee información específica para el procesamiento de cada satélite. En el caso de ERS-1 y ERS-2, ROI_PAC versión 3.0.1 reconoce el formato de datos del CEOS (ESA-Earthnet-Online). CEOS coordina y estandariza el manejo de datos de observación de la Tierra, formatos, servicios, aplicaciones y políticas (CEOS 2011). En el caso de los productos ALOS PALSAR, ROI_PAC trabaja con los modos de sensor “Fine Beam Single-polarization, FBS”, “Fine Beam Dual-polarization, FBD” y “Polarimetric, PLR” en formato RAW (nivel de procesamiento 1.0). Se escribieron cuatro programas para manipular los datos en formato RAW (ROI_PAC-Wiki 2010). Las principales funciones de los programas son las siguientes: • ALOS_pre_process: toma el dato raw ALOS PALSAR y corregistra los datos en el rango cercano. Adicionalmente produce archivos con formato parámetro (*.PRM) que contienen la información esencial para focalizar los datos como imágenes “Single Look Complex, SLC”. • ALOS_baseline: toma dos archivos con formato parámetro (*.PRM) de un par interferométrico y calcula los parámetros de cambio aproximado para corregistrar las dos 39 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA imágenes, así como la línea de base interferométrica precisa al principio y al final del frame. • ALOS_merge: anexa dos archivos imagen raw y elimina líneas duplicadas. Además, realiza un nuevo archivo parámetro representando la nueva longitud del frame. • ALOS_fbd2fbs: convierte el archivo imagen raw del modo FBD (14 MHz) al modo de espaciamiento FBS (28 MHz) por medio de la transformación de Fourier de cada fila del archivo de imagen (un eco). Se crea un nuevo archivo con formato parámetro (*.PRM). Los interferogramas con la conversión FBD2FBS tienen menos ruido que los interferogramas resultantes de la conversión FBS2FBD (http://www.roipac.org). El flujograma (figura 33) muestra los pasos principales del script perl process_2pass.pl., donde las líneas entrecortadas indican procedimientos opcionales. Los pares a procesar deben tener la misma trayectoria, es decir órbita ascendente o descendente. Figura 33: Procesamiento en ROI_PAC. Fuente: http://www.roipac.org Para empezar con el procesamiento es necesario setear el archivo “int.proc”, el cual básicamente está compuesto por el siguiente conjunto de palabras claves: SarDir1=fecha1 SarDir2= fecha2 IntDir=int_ fecha1_ fecha2 DEM=/path/DEM/archivo.dem OrbitType=HDR 40 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA La palabra clave “OrbitType” cuando es HDR indica el archivo header del archivo RAW. Mientras que ODR indica el directorio de la órbita. 2.5. Movimientos en masa Baumann et al. (2007) señalan los siguientes tipos de movimientos en masa: caídas, vuelcos, deslizamientos, flujos, propagaciones laterales y reptaciones, los cuales se clasifican en subtipos (tabla 10). Los Informes Técnicos desarrollados por el INIGEMM indican que en el área de estudio se han producido deslizamientos rotacionales en las áreas 1 y 2, los cuales posteriormente produjeron flujos de detritos en el área 2. Tabla 10: Tipos de movimiento en masa. Fuente: Baumann et al. (2007) Tipo Caídas Volcamiento Deslizamiento de roca o suelo Propagación lateral Flujo Reptación Subtipo Caída de Roca (detritos o suelo) Volcamiento de roca (bloque) Volcamiento flexural de roca o del macizo rocoso Deslizamiento trasnacional, deslizamiento en cuña Destilamiento rotacional Propagación lateral lenta Propagación lateral por licuación (rápida) Flujo de detritos Crecida de detritos Flujo de lodo Flujo de turba Avalancha de detritos Avalancha de rocas Deslizamiento por flujo o deslizamiento por licuación (de arena, limo, detritos, roca fracturada) Reptación de suelos Solifluxión, gelifluxión Deformaciones gravitacionales profundas Deslizamiento es un movimiento ladera abajo de una masa de suelo o roca donde el desplazamiento ocurre a lo largo de una superficie de falla o de una delgada zona de deformación cortante. Baumann et al. (2007) citan a Varnes (1978) e indican la clasificación de deslizamientos según la forma de la superficie de falla donde el material se desplaza de manera traslacional y rotacional. Una falla geológica es la rotura de una masa o material, que involucra un desplazamient relativo de las partes en que se separa, a lo largo de una superficie llamada superficie de falla. En los deslizamientos traslacionales la masa se mueve a lo largo de una superficie plana u ondulada, suelen ser más superficiales, y la velocidad de desplazamiento puede variar de rápida a extremadamente rápida. La figura 34 muestra esquemas de deslizamientos traslacionales. 41 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 34: Esquemas de: a) y b) deslizamiento traslacional, llamado resbalamiento y corrimiento; c) deslizamiento traslacional de roca en Cerchiaria di Calabria, Sur de Italia. Fuente: Baumann et al. (2007) Flujo es un tipo de movimiento en masa con desplazamiento similar a un fluido que puede ser rápido o lento, saturado o seco. En muchos casos se originan por la ocurrencia de otro tipo de movimiento. En los flujos de detritos, conocidos también por movimiento en masa canalizado, su amenaza se concentra en la trayectoria pre-establecida y en el área de depositación. La figura 35 muestra esquemas de flujos canalizados y no canalizados. Figura 35: Esquemas de flujos canalizados y no canalizados. Fuente: Baumann (2007) citan a Varnes (1978) 2.6. Metodología Es un hecho de que la validez de los resultados depende enteramente de la solidez de la metodología de investigación (Kumar Ranjit 2005). A continuación se muestra la metodología (figura 36) del trabajo de investigación para alcanzar los objetivos planteados, la cual contempló cuatro fases de desarrollo: 42 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 1. Pre-procesamiento del dato crudo proporcionado por las Agencias Espaciales respectivas. 2. Procesamiento del dato crudo listo para ser procesado en ROI_PAC. 3. Pos-procesamiento de la salida de ROI_PAC en fase relativa en radianes, para determinar el desplazamiento del terreno en una serie de tiempo de acuerdo a la disponibilidad de imágenes. Se contrastó cada interferograma con la verdad de campo suministrada por el INIGEMM para determinar si en el interferograma la fase se desenrrolló en el área de estudio. El desenrrollamiento de fase es un indicativo de coherencia. La coherencia en el área de estudio es baja, apenas pocos píxeles muestran un rango de coherencia aceptable, por lo que pocos interferogramas estuvieron aptos para la siguiente fase. Se aplicaron las técnicas de diferencia de interferogramas y stacking DInSAR. 4. Análisis de los resultados y comparación con la verdad de campo proporcionada por el INIGEMM. Figura 36: Metodología 43 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 44 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 3. Disponibilidad de Productos El método de recolección de datos, referente a los productos ALOS PALSAR se basó en primera instancia en una búsqueda de disponibilidad de imágenes SAR del producto SLC de órbita ascendente y descendente en el área de estudio, en el rango de fecha Enero 1996-Enero 2011, con el indicador de tener algo de cobertura de nubes, para procesarlos en ERDAS. Se escogió éste indicador de cobertura de nubes debido a la cantidad limitada de productos ALOS PALSAR del área de estudio. Sin embargo, ésta indicación permite tener cobertura de nubes en los pares interferométricos, que se traduce en artefactos atmosféricos que causan ruido al producto y exageran los valores extremos de desplazamiento en el interferograma. Luego, en base a las imágenes de los pares interferométricos procesados en ERDAS, en los cuales se obtuvieron buen valor de coherencia (superior a 0.6, el óptimo es 1.0), se solicitaron esas imágenes en el producto crudo para procesar interferogramas en ROI_PAC. Respecto a ERS-1/2, se obtuvieron dos imágenes originales ERS en los formatos RAW, PRI, SLC y GEC proporcionadas por el nodo de CLIRSEN-Ecuador de ESA, a través del CUSS (CONAE User Segment Service). Mientras que las imágenes originales ALOS PALSAR en los niveles de procesamiento 1.0 (RAW), 1.1 (SLC) y 1.5 (GEC) se obtuvieron por el nodo de Alaska de “Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA 2011)” y “Japanese Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)”, a través del CUSS. Los pedidos se realizaron con la finalidad de desarrollar la investigación final de la maestría AEARTE. 3.1. ERS - CLIRSEN Las dos imagens ERS proporcionados por CLIRSEN, corresponden a ERS-1/2 (tabla 11). Tabla 11: Adquisiciones de órbita ascendente (Frame 3645) . Fuente: CLIRSEN ERS1/2 ERS 1 ERS 2 3.2. Órbita 38819 19146 Día 17 18 Mes Diciembre Diciembre Año 1998 1998 ALOS PALSAR - CONAE La tabla 12 describe las imágenes ALOS PALSAR del producto 1.0 (RAW), y la tabla 13 muestra los productos 1.1 (SLC) y 1.5 (GEC). 45 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Tabla 12: Misión ALOS PALSAR. Adquisiciones ALOS PALSAR producto 1.0 (RAW). Fuente: CUSSCONAE Órbita Día Mes Año Sensor 04858 07542 08213 10226 13581 18278 23 25 10 26 12 30 Diciembre Junio Agosto Diciembre Agosto Junio 2006 2007 2007 2007 2008 2009 FBS FBD FBD FBS FBD FBD Angulo incidencia off-nadir 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° Orbita Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Tabla 13: Misión ALOS PALSAR. Adquisiciones ALOS PALSAR productos 1.1 (SLC) y 1.5 (GEC). Fuente: CUSS-CONAE Órbita Día Mes Año Sensor 02670 04858 07542 08213 10226 11342 11568 12239 12910 13355 13581 15594 18278 18949 20962 22975 26 23 25 10 26 11 27 12 27 27 12 28 30 15 31 18 Julio Diciembre Junio Agosto Diciembre Marzo Marzo Mayo Junio Julio Agosto Diciembre Junio Agosto Diciembre Mayo 2006 2006 2007 2007 2007 2008 2008 2008 2008 2008 2008 2008 2009 2009 2009 2010 FBS FBS FBD FBD FBS FBS FBS FBD FBD FBS FBD FBS FBD FBD FBS FBD 3.3. Angulo incidencia off-nadir 41.5° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° 34.3° Orbita Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Descendente Ascendente Ascendente Ascendente Descendente Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Ascendente Modelo Digital de Elevación (DEM) La primera versión de los datos de la Misión Espacial Topográfica de Radar - SRTM “Shuttle Radar Topography Mission” estuvo a disposición en el 2003 por medio del Servicio Geológico de los Estados Unidos - USGS “U.S. Geological Survey”, desde el servidor FTP del USGS (ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm/). Para los Estados Unidos, los datos fueron puestos a disposición con una resolución de 1 segundo de arco (aproximadamente 30 metros en el Ecuador), pero para el resto del mundo el producto de 1 segundo de arco es degradado a 3 segundos de arco (aproximadamente 90m en el Ecuador). Los datos SRTM de elevación cubren toda la superficie del planeta, y un producto final fue puesto para libre acceso público (CGIAR-CSI 2011), (http://www.usgs.gov/). El DEM utilizado se descargó de la página web de “The CGIAR Consortium for Spatial Information” (CGIAR-CSI 2011), disponible a una resolución de celda de 90 metros. Se descargaron dos imágenes que cubren totalmente el área de estudio, se hizo un mosaico y se 46 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA corrigió los valores negativos de altitud. La figura 37 muestra el DEM utilizado, al cual se lo denominó “dem_ecuador.dem”. Figura 37: DEM. Fuente: CGIAR-CSI (2011) La figura 38 muestra la lectura del DEM desde el software RoiView. Figura 38: DEM desde el software RoiView 47 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 48 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 4. Procesamiento de imágenes crudas de radar A continuación se indica el procesamiento de datos crudos provenientes de los sensores ERS1/2 y ALOS PALSAR en el software ROI_PAC. 4.1. Procesamiento con ERS Las imágenes ERS proporcionadas por CLIRSEN a través del CUSS, en primer lugar los archivos de cada imagen estaban nombrados de manera diferente al estándar de los datos ERS, lo que imposibilitada leerlas. Entonces, fue necesario renombrar cada archivo a su correspondiente nombre (tabla 14). Luego, los productos crudos al igual que los productos SLC descritos en el ítem 2.4.1 tenían diferencia de formato frente a la especificación del CEOS, por lo que en el lenguaje de programación IDL del software ENVI se modificaron los campos identificados de acuerdo a la definición del CEOS (2011). Tabla 14: Detalle de imagens ERS-2 (Frame 3645), área de estudio Ecuador. Fuente: CLIRSEN-Ecuador Imagen Nominación original Nueva nominación ERS-1 3645R.RAW 3645R.hdr1 3645R.hdr2 3645R.hdr3 3645R2.RAW 3645R2.hdr1 3645R2.hdr2 3645R2.hdr3 DAT_01.001 VDF_DAT.001 LEA_01.001 NUL_DAT.001 DAT_01.001 VDF_DAT.001 LEA_01.001 NUL_DAT.001 ERS-2 Fecha y hora de adquisición Nominación en ROI_PAC 17 Dec 1998 15h31 44.909 19981217 18 Dec 1998 15h31 54.257 19981218 A continuación se muestra el valor de línea de base perpendicular entre el par de imágenes ERS. Adquisición 1ra imagen (aaammdd) Orbita Frame Adquisición 2da imagen (aaammdd) Orbita Frame Linea de base perpendicular B┴ (m) Temporal (días) 19981217 38819 3645 19981218 19146 3645 320 1 En ROI_PAC se ingresa las dos imágenes de radar crudas que van a formar el par interferométrico. El software genera varios archivos de salida. Por ejemplo, el archivo de salida nombrado “fecha.raw” corresponde a la imagen de radar cruda procesada y ahora con formato raw reconocido por el software. La tabla 15 muestra la lectura de algunos campos del archivo “fecha.raw”: 49 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Tabla 15: Imágenes con formato interno raw reconocido por ROI_PAC Fecha (aaaammdd) Wavelength Raw interno reconocido por ROI_PAC (fecha.raw) Range_pixel_size PRF xmin xmax ymin ymax 19981217 0.0565646 7.9048902811596 1679.87845453499 412 11812 0 27200 19981218 0.0565646 7.9048902811596 1679.87845453499 412 11812 0 27200 Entre los archivos de salida, se generan imágenes enfocadas (tabla 16) e imágenes enfocadas a 16 vistas (tabla 17). De acuerdo a SARMAP (2008), cuando se transforma la señal SAR a la imagen, después del proceso de enfoque, se aplica el procesamiento multi-look que permite tener la imagen a 16 vistas por ejemplo, y así distinguir claramente características de la topografía. En una composición colorida de un par interferométrico (figura 39), los colores corresponden a la coherencia interferométrica (canal rojo), amplitud media (canal verda) y cambios de amplitud (canal azul). Figura 39: Composición colorida de un par interferométrico ERS-1/2 de la misión Tandem, del área de Morondava-Madagascar. Fuente: SARMAP (2008) La definición analítica de la coherencia interferométrica se indica a continuación, donde dadas dos imágenes SAR coregistradas (S1 y S2), una calcula la coherencia inteferométrica (γ) como un radio entre las sumatorias coherentes e incoherentes: La coherencia tiene un rango entre 0 y 1, y sirve para determinar la calidad de la fase interferométrica y extraer información temática sobre el objeto sobre el suelo en combinación con el coeficiente de backscater. Usualmente, fases que tienen valores de coherencia menores a 0.2 no deben considerarse para procesamientos posteriores. 50 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Tabla 16: Imágenes enfocadas Fecha (aaaammdd) 19981217 19981218 RLooks ALooks 1 1 1 1 Enfocada (fecha1.slc) Azimut_ pixel_size Range_ pixel_size 7.9048902811596 7.9048902811596 4.49749873458453 4.49749751908634 xmi n xmax ymin ymax 0 0 5700 5700 0 0 26963 26963 xmin xmax ymin ymax 0 0 356 356 0 0 337 337 Tabla 17: Imágenes enfocadas a 16 vistas Fecha (aaaammdd) 19981217 19981218 Enfocada a 16 vistas (fecha1_16rlks.slc) Azimut_ pixel_size RLooks ALooks Range_ pixel_size 16 16 80 80 126.478244498554 126.478244498554 359.799898766762 359.799801526907 La figura 40 muestra las dos imágenes ERS enfocadas a 16 vistas. Imágenes enfocadas (aaaammdd) 19981217 19981218 Figura 40: Imágenes ERS enfocadas a 16 vistas con fechas de adquisición Diciembre 17 y Diciembre 18 de 1998 Entre los varios archivos que ROI_PAC genera, además de las imágenes focalizadas también son importantes los archivos de línea de base, las máscaras de coherencia entre el interferograma topográfico y la amplitud multi-look. La máscara de coherencia corresponde al coregistro del par de imágenes de radar. Se crean archivos de máscara de coherencia con varias vistas, y los valores de píxel están comprendidos entre 0 y 1, donde 1 corresponde a excelente coherencia. A continuación el par interferométrico nombrado “IMaaaammdd-ISaaaammdd”, indica que IMaaaammdd corresponde a la imagen master de una fecha dada, e ISaaaammdd corresponde a la imagen esclava de una fecha dada. 51 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA La tablas 18 corresponde a la máscara de coherencia y la tabla 19 indica la máscara de coherencia a 4 vistas. La figura 41 indica el archivo de salida de la máscara de coherencia a 4 vistas. Tabla 18: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM19981217-IS19981218 Correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (fecha1-fecha2.cor) RLooks ALooks 1 5 Range_pixel_size Azimut_pixel_size 7.9048902811596 22.4874936729227 xmin xmax ymin ymax 0 5700 0 5384 Tabla 19: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (a 4 vistas) Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM19981217-IS19981218 Correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look a 4 vistas (fecha1-fecha2_4rlks.cor) RLooks ALooks Range_pixel_size Azimut_pixel_size xmin xmax ymin ymax 4 20 31.6195611246384 89.9499746916908 0 1425 0 1346 Imagen de amplitud Máscara de coherencia Figura 41: Par interferométrico, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look a 4 vistas (fecha1-fecha2_4rlks.cor) Para que el desenrrollamiento de la fase inicie en el área de estudio, se selecciona en el archivo de salida de máscara de coherencia de 4 vistas “fecha1-fecha2_4rlks.cor” un píxel dentro del área de estudio o cercano, el cual tenga valor de buena coherencia (> 0.6). En el procesamiento del par de imágenes de radar se ingresaron manualmente los valores de columna y fila de una coordenada geográfica que registra un valor de coherencia de 0.900344 (col.: 1121, filas: 475), con la intención de que a partir de éste punto empiece el proceso posterior de desenrrollamiento de fase. El producto final es el interferograma diferencial desenrrollado y geocodificado (tabla 20). Desenrollado quiere decir que luego del coregistro, la fase se desenrolla a partir del píxel que 52 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA se localizó anteriormente. Geocodificado son productos procesados que han sido orientados a la proyección del mapa (Universal Transversal de Mercator - UTM o UPS) y las coordenadas de X y Y están en el Este y Norte respectivamente. La figura 42 muestra el interferograma relativo en radianes. Tabla 20: Pares interferométricos ERS, interferograma diferencial desenrollado y geocodificado Pares (IMaaaammdd- ISaaaammdd) Range Looks Azim Looks IM19981217-IS19981218 1 1 Final geocoded, filtered, unwrapped, interferograma diferencial (geo_20061223-20070625.unw) Width File_ x x y y x_first length min max min max 1468 1428 0 1467 0 1427 -79.02542032 y_first -1.26872495 Figura 42: Interferograma relativo IM19981217-IS19981218, en radianes 4.2. Procesamiento con ALOS PALSAR 4.2.1. Estimación del parámetro Línea de Base (baseline) En base a la disponibilidad de imágenes ALOS PALSAR se formaron quince pares. Se identificaron suconjuntos de pares, identificando una imagen master y varias esclavas consecutivas en función del tiempo de adquisición. La tabla 21 muestra la estimación de línea de base perpendicular entre los pares, para su posterior proceso. Las figuras 43, 44, 45, 46 muestran gráficamente los valores de línea de base perpendicular y del espacio temporal en cada subconjunto de pares. Tabla 21: Valores de línea de base perpendicular entre pares de imágenes Path Linea de base perpendicular B┴ (m) Temporal (días) Orbit Adquisición 1ra imagen (aaaammdd) Modo Adquisición 2da imagen (aaaammdd) Modo ascendente 20061223 FBS 20070625 FBD 294.261948 182 ascendente 20061223 FBS 20070810 FBD 428.409391 227 ascendente 20061223 FBS 20071226 FBS -98.329053 363 53 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA ascendente 20061223 FBS 20080812 FBD 120.391663 589 ascendente ascendente 20061223 FBS 20090630 FBD 566.784695 907 20070625 FBD 20070810 FBD 134.398281 45 ascendente 20070625 FBD 20071226 FBS -392.427569 181 ascendente 20070625 FBD 20080812 FBD -173.739456 407 ascendente 20070625 FBD 20090630 FBD 272.679913 725 ascendente 20070810 FBD 20071226 FBS -526.869610 136 ascendente 20070810 FBD 20080812 FBD -308.130176 362 ascendente 20070810 FBD 20090630 FBD 138.468708 680 ascendente 20071226 FBS 20080812 FBD 218.700757 226 ascendente 20071226 FBS 20090630 FBD 665.103610 544 ascendente 20080812 FBS 20090630 FBD 446.343849 318 1000 600 566,784695 500 428,409391 400 300 294,261948 200 120,391663 100 0 -100 -98,329053 Tiempo entre pares, días Línea de base perpendicular, m 700 -200 907 900 800 700 600 589 500 400 363 300 200 227 182 100 0 2006.12 2007.6 2007.8 2007.12 2008.8 2009.6 2006.12 Tiempo de las adquisiciones, año.mes 2007.6 2007.8 2007.12 2008.8 2009.6 Tiempo de las adquisiciones, año.mes Figura 43: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20061223 800 300 272,679913 200 134,398281 100 0 -100 -173,739456 -200 -300 -392,427569 -400 Tiempo entre pares, días Línea de base perpendicular, m 400 -500 2007.6 2007.8 2007.12 2008.8 725 700 600 500 407 400 300 200 181 100 45 0 2009.6 2007.6 Tiempo de las adquisiciones, año.mes 2007.8 2007.12 2008.8 2009.6 Tiempo de las adquisiciones, año.mes Figura 44: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20070625 800 138,468708 100 0 -100 -200 -300 -308,130176 -400 -500 -526,869610 2007.12 700 680 600 500 400 362 300 200 136 100 0 -600 2007.8 Tiempo entre pares, días Línea de base perpendicular, m 200 2008.8 Tiempo de las adquisiciones, año.mes 2009.6 2007.8 2007.12 Figura 45: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20070810 54 2008.8 Tiempo de las adquisiciones, año.mes 2009.6 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 600 665,10361 600 500 400 300 218,700757 200 544 Tiempo entre pares, días Línea de base perpendicular, m 700 100 500 400 300 226 200 100 0 0 2007.12 2008.8 2007.12 2009.6 2008.8 2009.6 Tiempo de las adquisiciones, año.mes Tiempo de las adquisiciones, año.mes Figura 46: Valores de línea de base perpendicular en los pares con IM20071226 4.2.2. Procesamiento con los pares Se procesaron los pares de imágenes definidos anteriormente para obtener los productos interferométricos: diferencial, topográfico y unwrapping (desenrrollado). Algunos pares muestran modo de adquisición diferente, por lo que se realizó un pre-procesamiento para tener los pares en el modo fino de doble polarización FBD, y así trabajar solo con la polarización HH que es la que tiene resolución de píxel de 6.25 m. Luego se iniciar el procesamiento a partir del producto raw de la imagen, el cual se transforma a un raw interno reconocido por ROI_PAC (tabla 22). Tabla 22: Imágenes con formato interno raw reconocido por ROI_PAC Fecha (aaaammdd) Raw interno reconocido por ROI_PAC (fecha1.raw) Range_pixel_size PRF Wavelength Beam Polarizació n xmin xmax ymin ymax 20061223 0.236057 34.3 HH 4.68425715625 20070625 0.236057 34.3 HH 4.68425715625 2141.328 413 21020 0 35118 2141.328 413 21020 0 20070810 0.236057 34.3 HH 35118 4.68425715625 2141.328 413 21020 0 35117 20071226 0.236057 34.3 20080812 0.236057 34.3 HH 4.68425715625 2141.328 413 21020 0 35118 HH 4.68425715625 2141.328 413 21020 0 20090630 0.236057 34.3 35117 HH 4.68425715625 2141.328 413 21020 0 35118 Entre los archivos de salida, se generan imágenes enfocadas (tablas 23, 24). La figura 47 muestra imágenes enfocadas a 16 vistas. Tabla 23: Imágenes enfocadas Fecha (aaaammdd) RLooks ALooks Range_pixel_siz e 20061223 1 1 4.68425715625 20070625 1 1 4.68425715625 20070810 1 1 20071226 1 1 20080812 1 20090630 1 Enfocada (fecha1.slc) Azimut_pixel_size xmin xmax ymin ymax 3.54791809807197 0 10303 0 40474 3.5479404239416 0 10303 0 40473 4.68425715625 3.54777312140205 0 10303 0 40473 4.68425715625 3.54779591292511 0 10303 0 40473 1 4.68425715625 3.54806578017377 0 10303 0 40472 1 4.68425715625 3.54792313079175 0 10303 0 40474 55 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Tabla 24: Imágenes enfocadas a 16 vistas Fecha (aaaammdd) RLooks ALooks Range_ pixel_size 20061223 16 80 74.9481145 20070625 16 80 74.9481145 20070810 16 80 20071226 16 20080812 16 20090630 16 xmin xmax ymin ymax 283.833447845758 0 643 0 505 283.835233915328 0 643 0 505 74.9481145 283.821849712164 0 643 0 505 80 74.9481145 283.823673034009 0 643 0 505 80 74.9481145 283.845262413902 0 643 0 505 80 74.9481145 283.83385046334 0 643 0 505 20061223 20070625 20070810 20071226 20080812 20090630 Figura 47: Imágenes enfocadas a 16 vistas 56 Enfocada a 16 vistas (fecha1_16rlks.slc) Azimut_ pixel_size USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA El siguiente proceso es la coregistración de pares. Si suficientes imágenes SAR están disponibles y si son re-muestreadas a un píxel comun y corregidas radiométricamente, un promedio incoherente de inter-imagen píxel por píxel (por ejemplo los valores promedio de amplitud) reduce el efecto speckle sin pérdida de resolución (Colesanti y Wasowski (2006) citan a Ferretti et al. (2001b)). Se remarca que esta técnica de generación de mapas de reflectividad multi-image es significativa siempre y cuando sea constante la variación de reflectividad dentro de la duración del tiempo de observación. Considerando esta cita, para que el desenrrollamiento de la fase inicie en el área de estudio, se distingue un área de pocos pixeles dentro del área de estudio con valor de buena coherencia (> 0.6) en todos los interferogramas. Se crean varios archivos, como línea de base, máscaras de correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (tablas 25, 26, figura 48). Las máscaras de coherencia tienen valores de píxel comprendidos de 0 a 1, donde 1 corresponde a excelente coherencia. Tabla 25: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM20061223-IS20070625 IM20061223-IS20070810 IM20061223-IS20071226 IM20061223-IS20080812 IM20061223-IS20090630 IM20070625-IS20070810 IM20070625-IS20071226 IM20070625-IS20080812 IM20070625-IS20090630 IM20070810-IS20061223 IM20070810-IS20070625 IM20070810-IS20071226 IM20070810-IS20080812 IM20070810-IS20090630 IM20071226-IS20080812 IM20071226-IS20090630 IM20080812-IS20090630 RLooks 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (fecha1-fecha2.cor) ALooks Range_ Azimut_ xmin xmax pixel_size pixel_size 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 4.68425715625 17.7395904903598 17.7395904903598 17.7395904903598 17.7395904903598 17.7395904903598 17.739702119708 17.739702119708 17.739702119708 17.739702119708 17.7388656070103 17.7388656070103 17.7388656070103 17.7388656070103 17.7388656070103 17.7389795646255 17.7389795646255 17.7403289008688 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 10303 ymin ymax 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8074 8074 8073 8079 8081 8093 8091 8062 8087 8074 8093 8091 8061 8087 8059 8084 8066 57 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Tabla 26: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (a 4 vistas) Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM20061223-IS20070625 IM20061223-IS20070810 IM20061223-IS20071226 IM20061223-IS20080812 IM20061223-IS20090630 IM20070625-IS20070810 IM20070625-IS20071226 IM20070625-IS20080812 IM20070625-IS20090630 IM20070810-IS20061223 IM20070810-IS20070625 IM20070810-IS20071226 IM20070810-IS20080812 IM20070810-IS20090630 IM20071226-IS20080812 IM20071226-IS20090630 IM20080812-IS20090630 58 RLooks 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look (a 4 vistas) (fecha1-fecha2_4rlks.cor) ALooks Range_ Azimut_ xmin xmax ymin pixel_size pixel_size 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 18.737028625 70.9583619614392 70.9583619614392 70.9583619614392 70.9583619614392 70.9583619614392 70.958808478832 70.958808478832 70.958808478832 70.958808478832 70.9554624280412 70.9554624280412 70.9554624280412 70.9554624280412 70.9554624280412 70.955918258502 70.955918258502 70.9613156034752 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 2575 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ymax 2018 2018 2018 2019 2020 2023 2022 2015 2021 2018 2023 2022 2015 2021 2014 2021 2016 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20070625 IM20061223- IS20070810 IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20061223- IS20090630 IM20070625- IS20070810 IM20070625- IS20071226 IM20070625- IS20080812 IM20070625- IS20090630 IM20070810- IS20071226 IM20070810- IS20080812 IM20070810- IS20090630 Figura 48: Pares interferométricos, correlación entre interferograma topográfico y amplitud multi-look a 4 vistas (fecha1-fecha2_4rlks.cor) 59 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20071226-IS20080812 IM20071226- IS20090630 IM20080812- IS20090630 El producto final es el interferograma diferencial desenrrollado y geocodificado (tabla 27). Las figuras 49, 50 y 51 muestran interferogramas relativos en radianes. Tabla 27: Pares interferométricos, interferograma diferencial desenrrollado y geocodificado Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM20061223-IS20070625 IM20061223-IS20070810 IM20061223-IS20071226 IM20061223-IS20080812 IM20061223-IS20090630 IM20070625-IS20070810 IM20070625-IS20071226 IM20070625-IS20080812 IM20070625-IS20090630 IM20070810-IS20061223 IM20070810-IS20070625 IM20070810-IS20071226 IM20070810-IS20080812 IM20070810-IS20090630 IM20071226-IS20080812 IM20071226-IS20090630 IM20080812-IS20090630 60 Range Looks Azim Looks Width 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1106 1106 1106 1106 1106 1106 1106 1105 1106 1106 1107 1107 1105 1106 1105 1106 1107 Final geocoded, filtered, unwrapped, interferograma diferencial (geo_20061223-20070625.unw) File_ x x y y x_first length min max min max 1552 1553 1552 1554 1554 1557 1556 1550 1556 1553 1556 1556 1551 1555 1551 1554 1552 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1105 1105 1105 1105 1105 1105 1105 1104 1105 1105 1106 1106 1104 1105 1104 1105 1106 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1551 1552 1551 1553 1553 1556 1555 1549 1555 1552 1555 1555 1550 1554 1550 1553 1551 -79.08208676 -79.08208676 -79.08208676 -79.08292009 -79.08208676 -79.07708678 -79.07625345 -79.07708678 -79.07708678 -79.07958677 -79.07958677 -79.07958677 -79.07958677 -79.07958677 -79.08292009 -79.08292009 -79.08375342 y_first -0.883726490000001 -0.88289316 -0.884559820000001 -0.879559840000001 -0.88205983 -0.880393170000001 -0.88205983 -0.8812265 -0.880393170000001 -0.88205983 -0.8812265 -0.88205983 -0.880393170000001 -0.880393170000001 -0.88289316 -0.883726490000001 -0.880393170000001 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20070625 IM20061223-IS20070810 IM20061223-IS20071226 IM20061223-IS20080812 IM20061223-IS20090630 IM20070625-IS20070810 Figura 49: Interferogramas relativos en radianes 61 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20070625-IS20071226 IM20070625-IS20080812 IM20070625-IS20090630 IM20070810-IS20071226 IM20070810-IS20080812 IM20070810-IS20090630 Figura 50: Interferogramas relativos en radianes 62 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20071226-IS20080812 IM20071226-IS20090630 IM20080812-IS20090630 Figura 51: Interferogramas relativos en radianes 63 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 5. Resultados con ALOS PALSAR ROI_PAC entrega como producto final la deformación relativa del terreno en radianes entre pares de fechas de adquisición de dos imágenes, denominadas master (IM) y esclava (IS). Según Hanssen (2001) las diferencias de fase en los interferogramas diferenciales necesitan ser interpretadas con precaución, ya que es importante darse cuenta que el interferograma contiene solamente información relativa de fase, no existe un punto de calibración absoluto, y consecuentemente el valor contenido en un píxel es inútil. Como segundo punto, se indica que la variación de fase se debe a la variabilidad espacial durante los dos tiempos de adquisiciones de las imágenes de radar con diferentes estados atmosféricos. Por lo tanto, la ambigüedad es un factor limitante en la interpretación de datos si solo se una dos imágenes SAR. Sin embargo, al usar diferentes combinaciones se supera esta ambigüedad. El presente capítulo muestra el pos-procesamiento de los interferogramas para obtener el objetivo de realizar un análisis de serie temporal en el área de estudio. Como primer paso se realizó la conversión de radianes a una señal de desplazamiento en centímetros, a través de la multiplicación por el factor de corrección λ / 4π (Berardino Paolo 2002). La λ de ALOS PALSAR corresponde a 23.6 cm, por lo que la conversión entrega la fase en centímetros. El siguiente paso fue corregir los pares obtenidos para atenuar la contaminación atmosférica presente. Uno de los enfoques más prometedores es usar levantamiento de campo por GPS en combinación con InSAR, ya que las dos técnicas se complementan entre sí y el GPS puede corregir los errores de InSAR (LeGéologue 2009). El INIGEMM proporcionó la digitalización de los deslizamientos registrados, información valiosa que fue contrastada con los interferogramas para identificar interferogramas tentativos y aplicar las técnicas de “diferencias de interferogramas” y “stacking DInSAR” con la finalidad de examinar la deformación de movimientos en masa en una serie de tiempo. Fruneau et al. (1996) demostraron el potencial de DInSAR en la detección de movimientos en masa. Sandwell & Price (1998) propusieron la técnica de Stacking para incrementar la claridad de las franjas y decrementar los errores debido a la atmósfera , al promediar varios 64 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA interferogramas. Sobre la base de las publicaciones citadas a continuación se indica el procesamiento realizado sobre las imágenes de radar crudas al aplicar las técnicas de diferencia de interferogramas y stacking DInSAR. Por lo tanto, se han aplicado procedimientos correctos para asegurar la validez y confiabilidad en la presente investigación de los objetivos planteados. 5.1. Pos-procesamiento Para obtener la deformación relativa del terreno en centímetros, se transformó la fase de radianes a centímetros. La tabla 28 y la figura 52 muestran el intervalo del valor de la fase relativa de la imagen completa en centímetros, de cada interferograma. Tabla 28: Intervalo del valor de la fase relativa de la imagen completa en centímetros, de cada interferograma Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM20061223-IS20070625 IM20061223- IS20070810 IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20061223- IS20090630 IM20070625- IS20070810 IM20070625- IS20071226 IM20070625- IS20080812 IM20070625- IS20090630 IM20070810- IS20071226 IM20070810- IS20080812 IM20070810- IS20090630 IM20071226- IS20080812 IM20071226- IS20090630 IM20080812- IS20090630 Intervalo del valor de la fase relativa de la imagen completa (cm) min max -7.783093 7.510211 -4.623812 6.103173 -4.847486 12.550928 -10.800134 12.518928 -4.874163 5.807545 -6.083068 8.397129 -6.679831 16.161669 -15.092454 13.697722 -8.157548 16.341480 -11.719659 9.518220 -9.113015 11.465955 -13.775399 12.432775 -19.977987 9.041525 -9.215919 12.572983 -10.476265 6.897498 65 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20070625 IM20061223- IS20070810 IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20061223- IS20090630 IM20070625- IS20070810 IM20070625- IS20071226 IM20070625- IS20080812 IM20070625- IS20090630 IM20070810- IS20071226 IM20070810- IS20080812 IM20070810- IS20090630 IM20071226- IS20080812 IM20071226- IS20090630 IM20080812- IS20090630 Figura 52: Fase relativa de cada interferograma, en centímetros 66 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA El INIGEMM suministró verdad de campo con resultados de mediciones con extensómetros y puntos de control GPS como se mencionó en el capítulo 1. Se escogió un punto GPS, denominado QR15, con valor de diferencia de altitud cercano a cero. Como se mencionó anteriormente, el INIGEMM realizó dos campañas de monitoreo con GPS diferencial. Los valores que se registraron en ambas campaños fueron las coordenadas X (longitud), Y (latitud) y altitud (m.s.n.m.). Sobre la base de éste registro se realizó una diferencia de valores de coordenadas en metros. De todos las diferencias en metros de los puntos de monitoreo se escogió el punto con el valor más cercano a cero. Este método ayudó a superar los efectos producidos por temas atmosféricos. Es así que se corrigió los interferogramas relativos que contenían al punto de control GPS denominado “QR15”. QR15 registra una diferencia de altura de 0,2 cm durante las campañas de junio y julio del 2007. La tabla 29 y figura 53 muestran los interferogramas luego del proceso de calibración. Como se puede observar en la tabla 29 se logró atenuar la influencia de la turbulencia atmosférica que perturba la señal de radar. Con los productos corregidos se aplicaron posteriormente las técnicas de diferencia y stacking. Tabla 29: Calibración con GPS-QR15 Pares (IMaaaammdd-ISaaaammdd) IM20061223-IS20070625 IM20061223- IS20070810 IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20061223- IS20090630 IM20070625- IS20070810 IM20070625- IS20071226 IM20070625- IS20080812 IM20070625- IS20090630 IM20070810- IS20071226 IM20070810- IS20080812 IM20070810- IS20090630 IM20071226- IS20080812 IM20071226- IS20090630 IM20080812- IS20090630 Rango de fase de la imagen completa luego de calibración (cm) min max Valor de píxel de referencia (cm) Valor de calibración (cm) 0.7127 0.1999 -7.783093 7.510211 -2.183023 2.106484 1.1150 0.6022 -4.623812 6.103173 -2.497273 3.296261 0.2189 -0.2939 -4.847486 12.550928 -16.851156 6.508342 -0.3807 0.1321 -10.800134 12.518928 -4.343973 3.747564 - - Rango de fase relativa de la imagen completa (cm) min max -4.874163 5.807545 0.7128 0.2000 -6.083068 8.397129 -1.706809 - 2.356097 - 0.5650 0.0522 -6.679831 16.161669 -0.617145 1.493167 -0.9003 -0.3875 -15.092454 13.697722 -6.495974 5.895665 -1.3798 -0.8670 -8.157548 16.341480 -5.125811 10.268201 -0.2979 0.5060 -11.719659 9.518220 -16.167236 19.906504 -1.1800 -0.6672 -9.113015 11.465955 -5.152716 6.483124 -0.9453 -0.4325 -13.775399 12.432775 -6.302613 5.688327 -2.0895 -1.5767 -19.977987 9.041525 -15.075039 6.822576 -2.1196 -1.6068 -9.215919 12.572983 -6.986289 9.531170 -1.5943 -1.0815 -10.476265 6.897498 -7.106618 4.678946 67 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20070625 IM20061223- IS20070810 IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20061223- IS20090630 IM20070625- IS20070810 IM20070625- IS20071226 IM20070625- IS20080812 IM20070625- IS20090630 IM20070810- IS20071226 IM20070810- IS20080812 IM20070810- IS20090630 IM20071226- IS20080812 IM20071226- IS20090630 IM20080812- IS20090630 Figura 53: Fase de cada interferograma con procesamiento de corrección para atenuar la contaminación atmosférica, en centímetros 68 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Además, el INIGEMM proporcionó la digitalización de los deslizamientos identificados en la tabla 1, ésta información se sobrepuso en cada interferograma, con la finalidad de filtrar interferogramas tentativos a ser aplicadas las técnicas de análisis que a continuación se indican. Las figuras 54, 55 y 56 muestran los interferogramas que contienen al área de estudio. La figura 57, muestra una ampliación del área de estudio sobrepuesta la digitalización de los deslizamientos en los siguientes interferogramas: IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20070625- IS20070810 IM20061223-IS20071226 Figura 54: Interferograma IM20061223- IS20071226 en radianes 69 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20080812 Figura 55: Interferograma IM20061223-IS20080812 en radianes IM20070625-IS20070810 Figura 56: Interferograma IM20070625-IS20070810 en radianes 70 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20070625- IS20080812 Figura 57: Ampliación del área de estudio de la fase de cada interferograma con procesamiento de calibración, en centímetros 71 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 5.2. Diferencia de interferogramas Se realizó una diferencia de interferogramas (figura 58) para determinar la diferencia de fase entre los correspondientes periodos de tiempo. La elección de los pares dependió de que la imagen contuviera completamente al área de estudio. En base a la figura 57 se determinó que los pares denominados “IM20061223_IS20071226” y “IM20061223_IS20080812” contienen completamente el área de estudio, entonces se realizó la diferencia: ∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812 = IM20061223_IS20071226 - IM20061223_IS20080812 Los pares mencionados anteriormente tienen los siguientes valores de línea de base perpendicular e intervalo de tiempo entre las adquisiciones de la primera y segunda imagen: interferogramas Adquisición 2da imagen Adquisición 1ra imagen (ISaaaammdd) (IMaaaammdd) 20061223 20071226 20061223 20080812 Linea de base perpendicular B┴ (m) Temporal (días) -98.329053 363 120.391663 589 Figura 58: Diferencia de interferogramas “IM20061223_IS20071226” y “IM20061223_IS20080812”, con la fase en centímetros 72 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA La figura 59 muestra un recorte del área de estudio tomada sobre el resultado de la diferencia de interferogramas, con la superposición de coberturas vectoriales de los deslizamientos por parte del INIGEMM. La figura 60 muestra una Ortofoto del área de estudio con la superposición de coberturas vectoriales de los deslizamientos, ambos datos fueron proporcionados por el INIGEMM. Se incluyeron vectores de movimiento, los cuales corresponden a las fechas de color blanco, para indicar la dirección de la pendiente. Figura 59: Resultado de la diferencia de interferogramas: ∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812, con la superposición de la digitalización de los deslizamientos por parte del INIGEMM 73 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 60: Ortofoto del área de estudio con la superposición de la digitalización de los deslizamientos por parte del INIGEMM. Fuente: INIGEMM A manera de comparación se muestra gráficamente (figura 61) un recorte del área de estudio en los interferogramas: “IM20061223-IS20071226”, “IM20061223-IS20080812” y “∆I 20061223_20080812”, 20061223_20071226, con la superposición de coberturas vectoriales que muestran la ubicación por medio de un punto de control y la extensión de los deslizamientos por medio de polígonos, para visualizar la rampa de valores en cada producto. 74 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20071226 (fase en cm) IM20061223-IS20080812 (fase en cm) ∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812 (fase en cm) ∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812 (cm/año) Figura 61: Interferogramas “IM20061223-IS20071226”, “IM20061223-IS20080812” y diferencia de interferogramas “∆I 20061223_20071226, 20061223_20080812” A continuación el resultado de la lectura del valor del píxel (tabla 30) en el resultado de la diferencia de interferogramas, en los puntos de monitoreo de los extensómetros y los puntos GPS de deslizamientos detallados en la tabla 1, para su análisis. El signo positivo o negativo depende de la definición del par interferométrico. Al definir los pares interferométricos en ROI_PAC se uso el estandar de definición de pares que es la forma Imagen Master (IM)-Imagen Esclava (IS). La diferencia de fase positiva significa elevación “uplift” o creciente “enlarging” que es un tipo de distribución de actividad de un deslizamiento donde la superficie de falla se extiende cada vez más, en dos o más direcciones (Baumann et al. (2007) cita a WP/WLI (1993)). La diferencia de fase negativa significa subsidencia “subsidence” o hundimiento que es el descenso vertical lento de la superficie de un terreno debido a la fuerza de la gravedad, o a efectos de consolidación de suelos por descenso del nivel freático (Baumann Valerie 2007). Tabla 30: Lectura del pixel en los puntos de monitoreo de extensómetros y deslizamientos identificados. monitoreo IM20061223-IS20071226 IM20061223-IS20080812 ∆I 20061223_20071226, 75 Ubicación de desliz. GPS Extens. USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA fase en cm (363 días) fase en cm (589 días) Q1 Q2 -0.2257 -0.6251 A1D1 A2D2 A2D3 A2D4 A2D5 A2D6 0.1783 1.0128 0.0827 0.1617 0.3461 1.1372 20061223_20080812 fase en cm (589 días) (cm/año) 0.0000 0.6891 -0.2257 -1.3142 -0.1399 -0.8145 0.3067 0.5802 0.3051 0.0000 0.0761 0.2812 -0.1283 0.4326 -0.2224 0.1617 0.2699 0.8559 -0.0795 0.2681 -0.1378 0.1002 0.1673 0.5304 Los extensómetros Q1 y Q2 en el periodo “20061223-20071226” registran subsidencia. Mientras que en el periodo “20061223-20080812”, Q2 registra elevación del terreno. La diferencia de los interferogramas muestra subsidencia del terreno en los dos extensómetros en el período “20061223-20080812”. Todos los puntos de ubicación de deslizamiento con GPS registran elevación del terreno en mayor o menor grado, con tendencia a elevación en los puntos A1D1 y A2D3. Mientras que en los puntos A2D2, A2D4, A2D5, A2D6 la elevación del terreno disminuye. El resultado de la diferencia de los dos interferogramas indica subducción en los puntos de monitoreo de extensómetros, de igual manera en los puntos A1D1 y A2D3. Mientras que los puntos A2D2, A2D4, A2D5, A2D6 registran elevación del terreno. De los quince interferogramas procesados, se distinguieron diez interferogramas que contienen al volcán Tungurahua, el cual está activo desde Septiembre de 1999, en Julio y Agosto del 2006 se registraron los eventos volcánicos más fuertes. Lamentablemente, la fase no se desenrrolló en toda el área del volcán. Sin embargo, la figura 62 muestra los interferogramas con su respectiva rampa de valores de fase en centímetros. Se sobrepuso una cobertura vectorial de ríos para tomar como referencia al Río Pastaza. 76 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA IM20061223-IS20070625 IM20061223- IS20071226 IM20070625- IS20070810 IM20070625- IS20071226 IM20070625- IS20080812 IM20070810- IS20071226 IM20070810- IS20080812 IM20070810- IS20090630 IM20071226- IS20080812 IM20080812- IS20090630 Figura 62: Interferogramas en el área del volcán Tungurahua 77 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 5.3. Stacking DInSAR Para el stacking se definieron los siguientes criterios para escoger interferogramas más adecuados para el área de estudio: 1. Distinguir interferogramas con buena coherencia en el área de estudio, ya que la coherencia permite tener franjas definidas. 2. Discriminar un subconjunto de interferogramas con una imagen master y esclavas consecutivas en función del tiempo. Este criterio tiene la ventaja de registrar las imágenes a una sola imagen master. 3. Sobreponer la información proporcionada por el INIGEMM de la digitalización de la extensión de los eventos monitoreados en los interferogramas y así determinar los interferogramas que contienen completamente el área de estudio. La tabla 31 muestra los pares escogidos y sus respectivas líneas de base perpendicular e intervalo de tiempo. La figura 63 muestra el stacking de los pares identificados en la tabla 31, indicando el promedio de deformación en unidad de centímetro por año de la escena completa. 78 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 63: Stacking Tabla 31: Interferogramas utilizandos en el stacking Interferogramas IM20061223- IS20071226 IM20061223- IS20080812 IM20070625- IS20070810 Linea de base perpendicular (m) -98,329053 Tiempo (días) 363 120,391663 589 134,398281 45 La figura 64 muestra un recorte del área de estudio del resultado del stacking, con la superposición de coberturas vectoriales. Se superpusieron vectores de tendencia de movimiento, en la digitalización de los deslizamientos, indicando la tendencia del terreno de acuerdo a la pendiente. 79 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA Figura 64: Resultado del stacking, área de estudio, con la superposición de la digitalización de los deslizamientos por parte del INIGEMM Se registraron los siguientes resultados en fase en cm y fase en cm/año (tabla 32). La figura 65 muestra gráficos del área de estudio con sus respectivas rampas de valores. Tabla 32: Stacking Ubicación de desliz. GPS Extens. monitoreo 80 Stacking (cm) cm/año Q1 Q2 0.0029 0.0038 1.0809 1.3935 A1D1 A2D2 A2D3 A2D4 A2D5 0.0048 0.0038 0.0049 0.0041 0.0044 1.7632 1.4146 1.8001 1.4992 1.6153 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA A2D6 0.0055 2.0185 Stacking (cm/año) Stacking (cm) Figura 65: Stacking El resultado del stacking sugiere que el área donde se registraron los seis puntos de deslizamiento es sensible al elevamiento del terreno, durante el periodo 20061223-20080812. Enfocando el área del volcán Tungurahua, los interferogramas IS20070810 contienen el volcán, mientras que IM20061223- IS20080812 IM20061223- IS20071226 y IM20070625- no lo contiene. La figura 66 muestra el stacking en el área del volcán Tungurahua, considerando los dos interferogramas que lo contenían. Figura 66: Stacking en el área del volcán Tungurahua, de los pares IM20061223- IS20071226 y IM20070625- IS20070810 81 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 82 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA 6. Conclusiones • Interferometría de radar brinda la oportunidad de determinar la deformación de la superficie terrestre, causada por la elevación y/o hundimiento del suelo. • Interferometría es un tema amplio de conocimiento con nuevas y revolucionarias investigaciones cada vez. El tema de la tesis me ha permitido descubrir una visión de aplicaciones que se pueden hacer para contrarestar la realidad territorial de Ecuador, al tener amenzas naturales como deslizamientos, terremotos, erupciones volcánicas. • El procesamiento InSAR permite una alerta temprana a áreas sensibles que indican deformación de la superficie terrestre. Sin embargo, es indiscutible que no se puede obviar tener verdad de campo para comparar los resultados obtenidos en el procesamiento de las imágenes con la realidad. • Con las imágenes crudas de radar ALOS PALSAR se logró realizar un histórico de interferogramas, los cuales pueden apoyar a detectar lugares de elevación y/o hundimiento en el área cubierta por la imagen. • De la investigación realizada, se concluye que es imprescindible contar un registro preciso de la fecha, ubicación y extensión de los eventos, para así compararlos con los resultados. • Sobre los resultados de las máscaras de coherencia es importante tener buena coherencia en el área de estudio para que la fase se desenrrolle en esa área. Caso contrario, como se puede visualizar en los resultados de los interferogramas relativos, existen áreas en los interferogramas donde no se desplegó la fase, y consecuentemente no es posible analizar esas áreas. Lamentablemente se visualiza en los interferogramas que el área de estudio está en el borde de área que no fue desenrollada. Apenas pocos interferogramas contienen completamente el monitoreo de los moviemientos en masa. 83 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA • Para obtener mejor coherencia se volvió a re-hacer todos los pares interferométricos, con la inclusión en el archivo denominado “int.proc” de la ubicación de columna y fila de un píxel con buen valor de coherencia, ubicado en un área cercana al área de estudio. A pesar de haber realizado éste procedimiento, el área de estudio en su totalidad muestra baja coherencia, apenas pocos píxeles tienen un valor superior a 0,6. Como se indicó en el fundamento teórico los efectos de acortamiento “foreshortening”, “layover” y sombra dependen si la pendiente local del terreno está frente al sensor. Las imágenes crudas ALOS PALSAR procesadas corresponden a adquisición ascendente. Para investigaciones posteriores un factor importante a ser considerado sería conocer en primera instancia la pendiente local del terreno y así solicitar imágenes con la trayectoria más conveniente. • El valor de cada celda de imagen SAR es la suma coherente de las contribuciones relativas de todos los elementos reflejados al sensor. Por lo tanto, el tamaño de píxel del DEM es de suma importancia, ya que el producto InSAR resultante tendrá el tamaño de píxel del DEM de referencia. • La Agencia Espacial Europea (ESA) ha otorgado 85 imágenes ERS para poder continuar el trabajo de investigación, por lo tanto el trabajo con interferometría va a tener una continuidad para seguir explorando todas las bondades que ofrece ésta rama de conocimiento. • Como lo indica Colesanti & Wasowski (2006), la pérdida de coherencia es un problema típico en áreas con vegetación, y señalan a los efectos atmosféricos como la principal limitante en la utilización de imágenes de radar. El área de estudio está ubicada en el límite entre el área montañosa y la selva. Por lo que se concluye que desde un inicio el área de estudio es una zona que presente dificultad para obtener resultados interferométricos, ya que éstos dependen de la coherencia existente. 84 USO DE INTERFEROMETRÍA SAR (SYNTHETIC APERTURE RADAR) EN LA LADERA OCCIDENTAL DEL CERRO IGUAZO, COMUNIDAD TUMBA, PARROQUIA QUIMIAG, CANTÓN RIOBAMBA, PROVINCIA DE CHIMBORAZO-ECUADOR, PARA DETERMINAR LA DEFORMACIÓN DE LA LADERA POR LOS MOVIMIENTOS EN MASA BIBLIOGRAFÍA Bakker Wim H., Grabmaier Karl A., Huurneman Gerrit C., Van der Meer Freek D., Prakash Anupma, Tempfli Klaus, Gieske Ambro S. M., Hecker Chris A., Janssen Lucas L. F., Parodi Gabriel N., Reeves Colin V., Weir Michael J. C., Gorte Ben G. H., Horn John A., Kerle Norman, Pohl Christine, Van Ruitenbeek Frank J., Woldai Tsehaie (2004). Principles of Remote Sensing: An introductory textbook. The International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation (ITC), Enschede, The Netherlands. 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