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Obtener precisión milimétrica usando sensores de satélite: ¿Ciencia o ficción?

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En geomática hablar de precisión es un tema bastante delicado. Si conversamos sobre precisión con un topógrafo o con un especialista en SIG ¡más nos vale estar preparados con los argumentos adecuados para convencerlo de que tiene que cambiar sus dispositivos de medición!

Es verdad que no viene fácil a la mente que las imágenes captadas por satélites de observación de la Tierra, que hoy en día tienen resolución espacial submétrica como mucho, puedan medir desplazamientos con una precisión al centímetro o al milímetro como sostienen los expertos. ¿Pero a qué se refiere exactamente todo esto?

Consideremos primero sensores ópticos como Pléiades (resolución espacial de 0.5 m) y la precisión que se puede lograr con este tipo de imágenes. Por ejemplo, en el caso de un emplazamiento minero de tajo abierto se pueden comparar dos modelos digitales de elevación (MDE) generados con técnicas fotogramétricas usando pares estereoscópicos adquiridos en fechas diferentes, con la finalidad de determinar la ubicación de los cambios de elevación que corresponden a la extracción o el apilamiento del material rocoso. Por lo general se acepta que los MDEs producidos usando imágenes de Pléiades, para usar este ejemplo, tienen una precisión en el orden de los decímetros. Pero esta precisión está lejos de ser al centímetro y ni decir al milímetro. Es por este motivo que debemos considerar la tecnología de radar así como una forma bastante específica de procesar estos datos.

Estamos hablando de la tecnología conocida como “interferometría diferencial de radar”, que utiliza imágenes de radar (por lo menos dos) tomadas en un emplazamiento dado bajo estudio. Esta tecnología usa radar de apertura sintética (SAR por sus siglas en inglés), el cual puede operar a diferentes longitudes de onda, es decir, a 6 cm para la banda C del satélite canadiense RADARSAT-2, o a 3 cm para la banda X  de los satélites TerraSAR-X y COSMO-SkyMed, por nombrar solo algunos. Además de su uso para estudiar la distribución de capas de hielo en el mar, la extensión de una inundación o incluso para trazar mapas de humedales, estas imágenes SAR pueden en realidad usarse para medir al centímetro o al milímetro los desplazamientos verticales de la superficie de la Tierra.

¿Cómo se logra esto? Primero es importante saber que SAR trabaja transmitiendo pulsaciones hacia la superficie de la Tierra y registrando la porción que se refleja al regresar al sensor. Para ser más específico, SAR registra la diferencia de tiempo entre la pulsación transmitida (señal sinusoidal corta de longitud de onda centimétrica) y la recepción de la energía reflejada, su intensidad y fase. En el caso del trazado de mapas de capas de hielo marino, inundaciones y humedales, la intensidad tiene gran importancia. Esta intensidad se basa en diferentes factores que incluyen geometría, rugosidad y humedad del objetivo en el terreno. En interferometría lo que más nos interesa es la fase. En efecto, la diferencia de fase entre dos registros tomados de órbitas diferentes pero cercanas, lo que se conoce como “interferograma”, proporciona para cada pixel información sobre la topografía, deformación o desplazamiento de la tierra. En este último caso, hablamos de interferometría diferencial (DInSAR), ya que lo que nos interesa es el movimiento que tuvo lugar entre las dos imágenes consecutivas tomadas durante un intervalo de tiempo dado. Blog-OT-CG-18-05-2015-imagen-schema-Interferometria

Leyenda: Esquema que ilustra el principio de la interferometría diferencial

 

Dicho de manera más simple, debido a que las mediciones obtenidas con el uso de interferometría corresponden a la diferencia en la fase entre dos registros SAR, la precisión es a una fracción de la longitud de onda del sensor que se usó. Y aquí es cuando esto se complica un poco… la fase interferométrica es el resultado de diversos factores además del movimiento real del objetivo en el terreno. Estos factores se relacionan, entre otras cosas, a la geometría del satélite durante las dos pasadas (modeladas fácilmente usando datos de órbita), la topografía (puede calcularse usando un MDE), cambios en la atmósfera (ruido que puede ser difícil de eliminar) y cambios en las características del objetivo (tales como humedad en la superficie de la Tierra, condiciones de vegetación o capa de nieve). Por lo tanto, se debe tener en cuenta todos estos factores que pueden provocar un cambio en fase durante el tiempo entre las dos imágenes que se usaron para producir el interferograma.

Los cambios en las características del objetivo en el terreno entre los dos registros, conocidos como “distorsión temporal”, es uno de los factores más importantes que limitan la aplicación de la interferometría con radar, ya que implica una pérdida de información sobre la fase entre los píxeles correspondientes del par de imágenes. En casos como éste diríamos que la coherencia es baja. Esta distorsión o descorrelación  es el resultado de cambios relacionados con el crecimiento o deterioro de la vegetación entre las dos fechas, por ejemplo. Por lo tanto, es importante trabajar con objetivos estables en el terreno (en términos del eco del radar y no en términos de movimiento), en otras palabras, objetos con alta coherencia, tales como edificaciones, infraestructuras, formaciones rocosas, etc.

En lo que respecta al ruido provocado por efectos atmosféricos, éste se puede reducir filtrando el mismo o usando múltiples interferogramas, es decir, varias imágenes obtenidas en fechas sucesivas. De hecho, lo que se acostumbra hacer es llevar a cabo varios registros con la finalidad de detectar movimientos superficiales de baja amplitud (o deformación del terreno) en varios períodos de tiempo. Los múltiples interferogramas se procesan como una serie temporal cuya tendencia nos permite calcular la velocidad (cm/unidad de tiempo) de deformación o desplazamiento de la superficie. Con los diversos satélites radar que operan en la actualidad, la frecuencia de revisita en un emplazamiento dado puede variar entre 4 y 60 días.

 

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Leyenda: Interferograma diferencial generado a partir de un par de imágenes RADARSAT-2

 

A pesar de que en algunos casos es imposible calcular la deformación o movimiento del terreno a partir de un interferograma dado, principalmente debido a la descorrelación temporal (por ejemplo, debido a la presencia de nieve en una de las imágenes), existen muchos otros casos donde se dispone de múltiples interferogramas para los cuales se puede obtener una precisión centimétrica o milimétrica. Así es como podemos monitorear con regularidad los volcanes, detectando toda deformación de terreno relacionada con levantamiento del suelo: los movimientos relativamente sostenidos pueden ser indicadores de una inminente erupción volcánica. De manera similar, podemos usar interferometría con radar para monitorear hundimientos de terreno debido a la descongelación del permahielo en regiones árticas y subárticas o, cuando las condiciones lo permiten, debido a la extracción de gas natural o petróleo. También puede usarse la interferometría para monitorear la estabilidad de una estructura de retención, tales como una presa hidroeléctrica, torres de transmisión eléctrica u otras infraestructuras.

La interferometría con radar ha demostrado ser una herramienta especialmente valiosa para obtener información acerca de emplazamientos remotos (o peligrosos) en donde otros tipos de mediciones serían muy costosos. En mi opinión, no cabe duda que esta tecnología de vanguardia tiene un lugar entre las herramientas de medición de precisión que se utilizan en geomática.

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