XIV Reunión Nacional de Cuaternario, Granada 2015

TÉCNICAS REMOTAS PARA EL ANÁLISIS MULTIESCALA Y MULTITEMPORAL DE FENÓMENOS SUPERFICIALES

F. Fernández Chacón

(1,3), D. Notti

(1,3), J.P. Galve

(1), J. Vicente Pérez

(1), J.M. Azañón

(1), R.M. Mateos

(2), F. Lamas-Fernández

(3), O.

Monserrat (4), F. J. Roldán

(2), Jose Luis Pérez

(5), Carlos M. Colomo

(5), J.M Gómez-López

(5)

(1) Departamento de Geodinámica, Facultad de Ciencias, Universidad de Granada, Campus Universitario Fuentenueva, 18071-Granada, España. e-mails: davidenotti@gmail.com, paquifchacon@ugr.es, jpgalve@gmail.com, jazanon@ugr.es, vperez@ugr.es

(2) Instituto Geológico y Minero de España. Urbanización Alcázar del Genil. Edificio Zulema, bajos. E.mail: rm.mateos@igme.es; fj.roldan@igme.es

(3) Departamento de Ingeniería Civil, ETSI Caminos y Puertos, Universidad de Granada, C/ Dr. Severo Ochoa s/n, 18001-Granada, España. e-mails: flamas@ugr.es

(4) Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC), Geomatics Division, Parc Mediterrani de la Tecnologia (PMT) - Building B4 - Av. Carl Friedrich Gauss 7 - 08860 - Castelldefels (España). e-mail: oriol.monserrat@cttc.cat

(5) Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría, Universidad de Jaén. Campus de las Lagunillas, Edif. A-3 - 23071 Jaén, España. e-mails: jlperez@ujaen.es, cmcj0002@red.ujaen.es, jmgl0003@red.ujaen.es

Abstract (Remote sensing techniques applied to multi-scale and multi-temporal geological process): The development of remote sensing techniques in the last years allowed to monitoring large portion of territory with relatively low cost. Many geological and environmental processes may be mapped, monitored and controlled by several type of remote sensing techniques. Before planning a remote sensing campaign it is important to know what type of sensor is the most suitable for our goal. For this It is important to take in account the spatial resolution, the temporal pass, the processing of the raw data needed, the cost and the type of processing that the technique is able to monitoring. In this work are discussed different remote sensing techniques over an area of the Granada Province (Southern Spain) with a focus on a sector of mountainous road. The availability of large amount of remote sensing data (Unmanned Aerial Vehicle – UAV based and traditional photogrammetry , LIDAR, Terrestrial Laser Scanner – TLS and InSAR) allowed us to make some considerations about the pro and cons of each technique and the best techniques to apply to a determinate situation. Palabras clave: LIDAR, UAV, InSAR, Monitoreo Key words: LIDAR, UAV, InSAR, Photogrammetry, Monitoring INTRODUCCIÓN Actualmente existe un gran número de técnicas y sensores que pueden ayudar a la detección y caracterización de procesos geológicos activos que implican movimientos superficiales tales como: deslizamientos, subsidencia, movimientos tectónicos, etc. Por ejemplo, la aplicación de métodos fotogramétricos de alta precisión, datos LIDAR y Escaneado Laser Terrestre (TLS) para la generación de MDTs muy detallados, permite cuantificar la velocidad de los movimientos en laderas y en taludes sin la necesidad de instalar instrumentación (Jaboyedoff et al., 2012; Tarolli et al., 2013). Las técnicas InSAR han permitido detectar, medir y estudiar muchas zonas donde se

está produciendo subsidencia del terreno, proceso que era difícil de monitorizar (Tomas et al., 2014). Gracias a esta técnica en España ya se puede hacer un inventario de este tipo de procesos. El inconveniente de estas nuevas tecnologías radica en que cada sensor tiene su propia característica en termino de resolución espacial, longitud de onda, resoluciones temporal, metodología para el procesado de datos brutos, coste específico, etc. Todas esta variables, junto a la amplia gama de sensores disponibles, hace que resulte complicado elegir la técnica más adecuada y rentable para monitorizar un determinado tipo de proceso. Además la correcta interpretación de los datos es siempre muy importante y complicada (Guzzetti et al., 2012). En este trabajo se han analizado las ventajas y

Fig. 1: Localización de la zona de estudio de la Alpujarra y cobertura de los varios métodos de teledetección. Es interesante notar come El dataset InSAR de Envisat cobre casi un 2 % de la superficie de España.

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desventajas de utilizar las diferentes técnicas y sensores de teledetección, para el estudio de procesos geológicos activos a diferentes escalas: desde una escala regional, como puede ser el estudio de parte de la provincia de Granada con datos InSAR ENVISAT, hasta una escala decamétrica, como puede ser un talud de cualquier infraestructura lineal (monitoreado con TLS y UAV), en esta caso de la carretera A-348 Torvizcón -Cádiar en Alpujarra. Todos los datos de teledetección utilizados en este artículo han sido adquiridos en el ámbito de un Proyecto I+D+i sobre Riesgo Naturales en infraestructuras lineales de alta montaña, de la Agencia de Obras Públicas de la Junta de Andalucía. METODOLOGÍA Y DATOS Las principales características de cobertura, resolución espaciales, temporales, y de deformación para cada técnica están resumidas en la tabla 1. Por resoluciones de deformación (res. Def.) se entiende el umbral mínimo de movimientos que se puede medir en un cierto periodo de tiempo (m/año) o entre pre- y post- evento específico (sin un intervalo temporal fijo).

Metodología Área Km2

Res. Esp. (m)

Res. Def. (m/año)

Años de medidas

InSAR (Envisat)

10000 25 0.002 – 0.1 año

2003 -2009

Fotogrametría de media resolución

190 2 > 1 evento 2001; 2008; 2004 2010, 2013

LIDAR- Aéreo 114 1 > 0.25 evento

2008; 2010

LIDAR- Helicóptero

11 1 > 0. 1 evento

2014; 2015

Fotogrametría alta resolución UAV

1.5 0.1 > 0.01 evento

2014; 2015

TLS 1 0.05 > 0.005 evento

2014; 2015

Tabla 1: Comparación del área cubierta y de las

resoluciones espaciales utilizadas.

Los productos analizados han sido los siguientes: 1) MDTs de súper-precisión (0.05 m) obtenidos de Terrestrial Laser Scanner (TLS) (año 2014) sobre algunos taludes de la carretera A-348. Para la realización de los trabajos con TLS se han utilizado los escáneres laser terrestres Optech-Ilris 3D y Leica C10, con equipos GNSS acoplados para la obtención de la posición en cada escaneo. Para este proyecto se han realizado un total de 27 escaneos de los taludes en el tramo Torvizcón-Cádiar. 2) MDTs fotogramétricos de super-alta resolución (0.1 m) obtenidos del procesado de foto aérea UAV. Para la realización del trabajo con UAV, se ha utilizado un vehículo aéreo no tripulado ligero facilitado por el grupo de investigación SFT de la Universidad de Jaén. El modelo utilizado ha sido un FALCON 8 de ASTEC provisto de GPS, sistema

inercial (IMU) y 8 rotores, que permite una adecuada estabilización en el aire. 3) MDTs LIDAR de alta resolución (0.5 m) realizados con helicóptero en los meses de Abril de 2014 y Mayo de 2015. 4) MDTs LIDAR aéreo de vuelos previos realizados en los años 2008 y 2010 de 1 m de resolución. 5) MDTs fotogramétricos de media resolución (2 m) correspondientes a las campañas de 2013, 2010, 2008, 2004 y 2001, procedentes de la Universidad de Jaén, IECA e IGN. 6) Imágenes DInSAR y PSI. Se adquirieron 27 SAR del satélite Envisat (resoluciones 25 m) para el periodo comprendido entre 2003 y 2009. El dataset cubre una zona muy extensa y ha sido procesado en distinta subzona con técnicas diferentes: en áreas urbana (cuenca de Granada y urbanización de Marina del Este) con técnicas de tipo Persistent Scatterer (PSI Crosetto et al., 2011); en la zona de la Alpujarra se interpretaron visualmente interfero-gramas de simples parejas de imágenes.

INTERPRETACIÓN Y RESULTADOS

A continuación se presentan los principales resulta-dos obtenidos por cada técnica 1 - MDTs de súper-precisión 1a. Escaneado Laser Terrestre (TLS). La ventaja de los datos procedentes del sistema TLS, es que han sido obtenidos por observación directa de la escena y, por tanto, han podido penetrar en la vegetación, obteniendo información del terreno existente detrás de ésta. Esto ha supuesto una ventaja importante ya que permite representar fielmente la superficie del terreno y así detectar y controlar los cambios en la geometría de los taludes a causa de los deslizamientos. También ha permitido evaluar el volumen de los mismos. El inconveniente de esta técnica es que no se puede aplicar a lo largo de todo un tramo de carretera por su alto coste en tiempo y dinero, y porque se necesita la utilización de buenos puntos de observación para el escaneo de la zona de interés.

Fig. 2: Carretera A-348 km 37+400. Modelos de pendientes y relieve sombreado derivados de MDT: A) Láser Escanner Terrestre; B) Fotogramétrico de alta resolución de UAV.

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1b. Fotogrametría desde plataforma UAV. El análisis de alta precisión mediante esta técnica toma como información de entrada los modelos de alta resolución (0.1 m). El UAV puede volar hasta 120 m de altura, según la normativa española, y por su autonomía, puede cubrir áreas pequeñas de varios centenares de metros desde el punto de despegue. En la figura 2 se comparan los modelos de pendiente derivados de los MDTs TLS (fig. 2 A) y UAV (fig 2 B). Se puede observar una precisión similar para ambas técnicas pero el TLS ofrece mejor resolución sobretodo en los taludes de alta pendiente.

2 - MDTs de alta resolución 2a. LIDAR (plataforma Helicóptero). Los LIDAR de plataforma de helicóptero realizados en 2014 y 2015 cubrieron un área de 11 km2 distribuidos a lo largo de la carretera. Como resultado se han obtenido MDTs de alta resolución y se han detectado movimientos de taludes con precisión decimétrica.

2b. LIDAR plataforma aéreo. Para el estudio de taludes y deslizamientos próximos a la carretera, la resta de los MDTs de 2010 – 2008 han permitido calcular volúmenes y delimitar con detalle las zonas de erosión y de depósito (fig. 4 B ). Esta información

ha sido esencial a la hora de caracterizar los movimientos de ladera, con el fin de pronosticar el comportamiento de las laderas y taludes en el futuro. La misma resta ha permitido evaluar la erosión en el cauce del río Guadalfeo tras la inundaciones del invierno de 2009-2010 (Fig. 3).

3 - MDTs Fotogramétricos de media resolución Los MDE resultantes de los vuelos fotogramétricos históricos, aunque presentan las peores resoluciones y el resultado final está condicionado por la cubierta vegetal del terreno, ofrecen un dato esencial a la hora de realizar análisis temporales. Éstos son la base para elaborar análisis de la evolución del área de estudio en conjunto. Se ha comprobado también como estos datos son importantes para realizar análisis de susceptibilidad y peligrosidad de deslizamientos, sirviendo a su vez como base para la realización de cualquier back-analysis. Además, las imágenes ópticas históricas son fundamentales para la reconstrucción de la evolución histórica del uso del suelo y para estudiar la evolución del cauce de los ríos (Fig. 3 A Y Fig. 3 B).

4 -Técnicas InSAR 4a. DInSAR (Valle del Río Guadalfeo). A pesar de las limitaciones planteadas en la aplicación de este método para el análisis de la zona de estudio, los datos de ENVISAT han dado resultados interesantes. Cerca de Torvizcón se ha detectado un deslizamiento que afecta a la carretera (Fig. 4 A). Como consecuencias de la característica de los deslizamientos asociados a los taludes de infraestructuras lineales, (tamaño métrico a decamétrico con movimientos rápidos), la técnica no es adecuada para este tipo de procesos.

4b. PSI (Cuenca de Granada, Marina del Este). Los datos SAR ENVISAT sobre áreas urbanas,

Fig. 4: Comparativa entre los datos DInSAR de ENVISAT de 2003 (A) y las resta MDT LIDAR 2008-2010 (B) cerca del pueblo de Torvizcón.

Fig. 3: Modificación del cauce del Río Guadalfeo tras las inundaciones ocurridas en el invierno 2009-2010: Fotos aéreas de 2008 (A) y 2010 (B); (C) resta de los modelos MDT – LIDAR de 2008 y 2010.

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donde la densidad de reflectores radar es lo suficientemente adecuada, se han podido procesar con técnicas de tipo PSI. Los resultados obtenidos han sido de gran interés, ya que se han detectado y/o confirmado zonas afectadas por subsidencia como la Vega de Granada (Fig. 5), la población de Otura, o el deslizamiento lento donde se asienta la urbanización de Marina del Este, (Almuñecar, Granada).

Metodología Productos Aplicaciones

InSAR / PSI Satélite

Mapas Y Series

temporales de

deformación

Detecta movimientos muy lentos (< 0.1 m/año) como por ejemplo subisdencia y deslizamientos en áreas sin monitoreo previo.

Fotogrametría media

resolución

Ortofoto y MDT

Detecta movimientos y cambios relacionados con eventos como deslizamientos, erosión inundaciones,.. Desde escala de cuenca media < 1000 km2 (Fotogrametría) hasta área pequeña < 100 km2 (LIDAR helicóptero).

LIDAR Aéreo MDT

LIDAR Helicóptero

MDT

Fotogrametría alta

resolución UAV

Ortofoto y MDTs

Análisis cinemático de taludes individuales, y

áreas muy pequeñas (< 1 km2), modelos 3D

TLS MDT

Tabla 2: Aplicabilidad de las técnicas utilizadas. CONCLUSIONES En este trabajo se han comparado diferentes técnicas de teledetección para estudiar procesos geológicos activos. Los resultados nos indican que se tiene 3 tipos de aproximaciones en las técnicas de teledetección:

1) La teledetección de super-precisión espacial TLS y vuelo UAV aunque precisa es muy costosa si se quiere cubrir un terreno amplio, pueden ser muy útiles para estudiar taludes o deslizamientos muy críticos, desde el punto de vista de la peligrosidad, ya que estos estudios precisan de modelos numé-ricos o cinemáticos muy detallados. 2) Los datos LIDAR de plataforma aérea y la Fotogrametría son los que mejor pueden garantizar la detección de la situación pre- y post- eventos. Por esto, es importante tener modelos de una zona previos a un evento, para que puedan ser usados como referencia. Los MDTs son también esenciales para la realización de modelos de susceptibilidad de de zonas afectadas por movimientos de ladera. El LIDAR aéreo realizado con helicóptero garantiza una mejor resolución sobre áreas pequeñas, gracias a sus capacidad de volar en zonas de orografía abrupta. La realización de MDTs a escala regional cada 5 años y de MDTs locales de “urgencia” en áreas afectadas por algún proceso geológico de particular gravedad, sería ideal para el estudio de muchos procesos relacionados con eventos extremos. 3) Los datos derivados por técnicas InSAR tienen otra filosofía de estudio: las imágenes cubren áreas muy grandes y tienen una serie temporal de medida bastante constante. Esto permite obtener infor-mación sobre procesos geológicos no detectados por otras técnicas. Por otro lado, si se pretende estudiar procesos geológicos muy localizados (como deslizamientos en taludes de infraestructuras linea-les) las técnicas InSAR no son apropiadas. Agradecimientos: Los autores quieren dar las gracias al Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) por el apoyo financiero a través del proyecto “G-GI3002/IDIG. NUEVAS METODOLOGÍAS PARA EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EN INFRAESTRUCTURAS LINEALES” del “Programa Operativo FEDER de Andalucía”. También quieren dar las gracias a la Agencia de Obras Públicas de la Junta de Andalucía y a los investigadores. Referencias bibliográficas

Crosetto, M., Monserrat, O., Cuevas, M. Crippa, B. (2011) Spaceborne Differential SAR Interferometry: Data Analysis Tools for Deformation Measurement. Remote Sens. 2011, 3, 305-318.

Guzzetti, F., Mondini, A. C., Cardinali, M., Fiorucci, F., Santangelo, M., Chang, K. T. (2012). Landslide inventory maps: New tools for an old problem. Earth-Science Reviews, 112(1), 42-66.

Jaboyedoff, M., Oppikofer, T., Abellán, A., Derron, M. H., Loye, A., Metzger, R., and Pedrazzini, A. (2012). Use of LIDAR in landslide investigations: a review. Natural hazards, 61(1), 5-28.

Tarolli, P., Calligaro, S., Cazorzi, F., Dalla Fontana, G. (2013). Recognition of surface flow processes influenced by roads and trails in mountain areas using high-resolution topography. Eur. J. Remote Sens, 46, 176-197.

Tomás, R., Romero, R., Mulas, J., Marturià, J. J., Mallorquí, J. J., López-Sánchez, J. M., Blanco, P. (2014). Radar interferometry techniques for the study of ground subsidence phenomena: a review of practical issues through cases in Spain. Environmental earth sciences, 71(1), 163-181.

Fig 5: Datos PSI - ENVISAT (2003- 2009) sobre la cuenca de Granada que muestra una modesta subsidencia en la

zona central.