Complementariedad de la interferometría radar de satélite y la observación GNSS. Aplicaciones en ingeniería, peligros naturales y antrópicos, y estudio de la erupción de la Palma en 2021

La deformación del terreno es un fenómeno físico que se origina como consecuencia de diferentes procesos, tanto de origen natural (p.e., erupciones volcánicas, terremotos o deslizamientos de ladera) como de origen antrópico (p.e., la inyección o extracción de fluidos o como resultado de explotación minera). El rápido crecimiento de la población mundial, así como su mayor demanda de recursos naturales provoca que, inevitablemente, la sociedad sea más vulnerable ante estos peligros.
Una correcta detección y monitorización de estos fenómenos de deformación resulta esencial para poder comprender y caracterizar su origen permitiendo así estudiar su evolución temporal con detalle. Esto hace posible planificar una gestión sostenible de los recursos naturales y ayuda en la toma de decisiones en situaciones de crisis.

Actualmente existen dos técnicas geodésicas ampliamente utilizadas para el control de deformación superficial: los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) y las técnicas de Interferometría Radar de Apertura Sintética (InSAR). Las técnicas GNSS permiten un posicionamiento preciso sobre la superficie terrestre proporcionando información de las tres componentes del desplazamiento (x, y, z) con una gran resolución temporal, pero normalmente, una baja cobertura espacial. Las técnicas InSAR, permiten obtener el desplazamiento de la superficie en un vector unidimensional, conocido como Línea de Visión (abreviado LOS en inglés), con una alta precisión y resolución espacial, pero menor resolución temporal.

Considerando estos aspectos, el objetivo de esta Tesis Doctoral es hacer un estudio sistemático de la complementariedad de ambas técnicas geodésicas, desde los puntos de vista observacional y de su uso en la interpretación de resultados, particularizando en su uso en el estudio de peligros naturales y antrópicos. Este estudio se realiza mediante la comparación del uso de ambas técnicas en el estudio y vigilancia de ambos tipos de peligros en casos particulares.

En el Capítulo 1 se estudia la deformación del Alto Guadalentín en el entorno de Lorca, Murcia, producida como consecuencia de la extracción de agua subterránea. Para ello se utilizará una densa red de estaciones GNSS desplegada en la zona y técnicas InSAR para poder estudiar la complementariedad de ambas técnicas a escala local y el efecto en la interpretación de los resultados al considerar la deformación únicamente en la componente vertical.

En el Capítulo 2 se aplicarán técnicas de fusión de datos GNSS e InSAR a dos entornos muy diferentes entre sí: el canal de Genil-Cabra y el Alto Guadalentín. En el canal de Genil-Cabra se estudia una ladera inestable mediante el uso de técnicas GNSS e InSAR a partir de imágenes de alta resolución del satélite TerraSAR-X. Para el Alto Guadalentín se aplican estas técnicas complementando la información GNSS con datos SAR con dos longitudes de onda diferentes (banda C y banda X). El uso conjunto de ambas técnicas permite la obtención de un mapa de velocidades 3D con una cobertura y resolución espacial que individualmente ninguna de las dos técnicas permite obtener.

En el Capítulo 3 se estudia la mina de Riotinto, en Huelva, a partir del uso de técnicas InSAR. Se comprueba la aplicabilidad de estas técnicas en la monitorización de entornos mineros activos y se validan los resultados mediante observaciones GPS. El desarrollo de una metodología para la representación de los datos de diferentes órbitas (ascendente y descendente) en una geometría común se aborda en este capítulo, siendo de gran utilidad para su uso en estudios geotécnicos.

La posibilidad de realizar estudios InSAR a gran escala a partir de datos de la misión Sentinel-1 se discute en el Capítulo 4, detallando los principales requerimientos técnicos necesarios para poder llevarlo a cabo. Las posibles aplicaciones de estos procesados, su valor científico y geotécnico, así como la importancia de disponer datos GNSS en procesados a gran escala son estudiados en este capítulo.

Los Capítulos 5 a 7 están dedicados al estudio detallado, a partir de diferentes técnicas geodésicas, de la reactivación volcánica en la isla de La Palma, así como de la reciente erupción volcánica que empezó en septiembre de 2021.

En el Capítulo 5 se presenta un estudio, utilizando tres técnicas geodésicas (InSAR, GNSS y microgravimetría) de la isla de La Palma para el periodo 2006-2010. Mientras que a partir de los resultados obtenidos mediante GNSS y microgravimetría no se detecta ningún indicio de reactivación volcánica, los resultados InSAR mostraban resultados anómalos en varias zonas, siendo la más relevante la encontrada en el Valle de Aridane. Esto motivó la realización de un estudio con mayor detalle presentado en el siguiente capítulo.

La detección por primera vez, mediante el uso de técnicas geodésicas, de la fase inicial de una reactivación volcánica en las islas Canarias, en la Isla de La Palma, se describe en el Capítulo 6. Esto fue posible mediante la utilización de técnicas InSAR para el estudio de la deformación superficial, validando los resultados comparando con datos de estaciones GNSS disponibles en la isla, y usando estas también para definir los puntos de referencia para el InSAR. Los desplazamientos medidos se invirtieron usando métodos desarrollados por el grupo de investigación.

En el Capítulo 7 se presenta un estudio de la evolución temporal de la intrusión magmática somera en la isla de La Palma durante el año 2021 considerando los periodos preeruptivo, coeruptivo y poseruptivo a partir de datos SAR del satélite Sentinel-1 y validando estos a partir de los datos GNSS disponibles. Este estudio permite detectar una intrusión magmática somera unos 3.5 meses antes de la erupción. Se estudió como se pueden complementar ambas técnicas de observación en estas tres fases de actividad, obteniendo resultados de gran relevancia para la vigilancia de fenómenos de reactivación volcánica futuros en la isla, en Canarias y de posible aplicación global.

Finalmente se exponen las conclusiones que se han obtenido fruto de esta Tesis Doctoral desde los puntos de vista observacional y de su uso en la interpretación de resultados.

Hemos visto que tanto la interferometría radar de apertura sintética (InSAR) como el GNSS son dos técnicas geodésicas ampliamente utilizadas para el control de la deformación superficial con gran precisión que además permiten la observación a diferentes escalas de diferentes tipos de fenómenos geológicos y antrópicos. A día de hoy, ambas técnicas son complementarias, pero para poder hacer estudios interferométricos es necesaria información previa de la zona de estudio, para lo que se suele requerir información de redes GNSS para poder establecer el punto de referencia, así como la validación de los resultados.

Determinar con precisión las componentes horizontales del desplazamiento es necesario para determinar la geometría de las fuentes mientras que la componente vertical nos aporta información sobre la profundidad de estas51. Por lo que para poder obtener la información más completa posible a la hora de interpretar la deformación del terreno necesitamos conocer ambos tipos de desplazamientos, vertical y horizontal, con la mayor densidad posible de puntos (pixeles) dato en la zona de estudio. Considerando esto, las características de ambas técnicas descritas en la Introducción y el Anexo 1, y los resultados descritos en los Capítulos 1 a 7, podemos completar de forma importante el objetivo fundamental de esta Tesis Doctoral: hacer un estudio sistemático de la complementariedad de ambas técnicas geodésicas, desde los puntos de vista observacional y de su uso en la interpretación de resultados, para en el estudio de peligros naturales y antrópicos.

Veamos las conclusiones obtenidas desde ambos enfoques:
Complementariedad Observacional:

1) Los resultados de las técnicas InSAR son medidas de desplazamiento relativas con respecto a un pixel, o píxeles, de referencia (denominados semilla o semillas) con desplazamiento nulo o conocido. La determinación de esta referencia se suele determinar usando estaciones GNSS de las múltiples redes de observación continua disponibles. Esto se ha llevado a cabo en los trabajos descritos en los Capítulos 1 a 7. En el caso de monitorización de actividad volcánica en islas, como La Palma, donde la deformación puede variar espacial y temporalmente, el disponer de valores de desplazamiento de diferentes estaciones GNSS en ubicaciones distribuidas en diferentes regiones de esta es fundamental para definir la semilla, o semillas apropiadas, como ha quedado demostrado en los Capítulos 5-7.

2) Científicamente la técnica InSAR es una técnica validada, pero en casos extremos (como puede ser el caso de la erupción en La Palma), o para la presentación de datos a la sociedad, administración o empresas como usuarios, no familiarizados todavía con la técnica, sigue siendo necesario disponer y presentar una validación de resultados con otra técnica independiente y aceptada de forma general. Esto nos lo permite realizar la observación GNSS. Esto se ha realizado en los Capítulos 1, 3 y 5-7. En el caso de monitorización de actividad volcánica en islas, como La Palma, la complementación de observación con diferentes técnicas y de diferentes parámetros es algo fundamental, y en particular, como veremos más adelante, en las diferentes etapas de actividad volcánica, como se ha mostrado en los Capítulos 5-7.

3) Otro aspecto observacional en el que se complementan ambas técnicas es en aspectos de cobertura espacial. La interferometría radar permite cubrir grandes zonas geográficas, pudiendo alcanzar actualmente cobertura continental, con resoluciones espaciales mucho mayores que la observación GNSS. Esto permite disponer de una cantidad de información de desplazamientos en superficie de alta precisión nunca disponibles anteriormente, capaz de suministrar información científico-técnica que todavía no es posible explotar completamente por falta de herramientas de interpretación adecuadas, como parecen ser las utilizadas en esta Tesis Doctoral. Por otro lado, el coste operacional del InSAR es infinitamente menor que el que sería necesario para obtener una densidad de datos comparables usando GNSS. El programa de observación de la Tierra Copernicus79, cuya finalidad es la observación de alta calidad y de manera continua de la Tierra para la mejor gestión de los recursos naturales y la mitigación del cambio climático, ha marcado un antes y un después en el mundo de la teledetección. La política de libre disponibilidad de datos que ofrece ha facilitado enormemente el acceso a los datos de satélite lo que ha estandarizado su uso para múltiples usos, como por ejemplo las técnicas InSAR. Su éxito ha motivado que otras organizaciones adopten políticas similares, como por ejemplo la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA)134 y la Agencia India de Investigación Espacial (ISRO)135 que seguirá una política de distribución de datos similares para el satélite NISAR de próximo lanzamiento. La investigación realizada en esta Tesis Doctoral no habría sido posible sin este tipo de programas. Los estudios a partir de técnicas InSAR para la monitorización sistemática de zonas de estudio tiene unos costes operacionales inferiores respecto a la monitorización a través de redes GNSS, pudiendo además obtener una mayor cobertura espacial lo que genera un valor añadido descubriendo zonas inestables no conocidas con anterioridad y minimizando los daños que pueden producir realizando las actuaciones necesarias para su estabilización. Pese a que se requiere de una inversión inicial considerable, así como de formación específica para la aplicación de estas técnicas, la disponibilidad de datos gratuitos a nivel global de gran precisión a través del programa Sentinel-1 permite disminuir drásticamente los costes asociados a su implementación como servicio. El reciente fallo en el sistema de alimentación de la antena SAR sufrido por el satélite Sentinel-1B ha inutilizado el instrumento puesto que todos los intentos de reactivarlo han fracasado136. Esta situación ha llevado a la Agencia Espacial Europea a iniciar el proceso de desorbitación del satélite mermando significativamente la resolución temporal de la órbita, pasando de un tiempo de 6 días de revista a 12 días. Esto tiene consecuencias directas en las aplicaciones de monitorización que utilicen esta constelación de satélites. Afortunadamente el programa Copernicus es una prioridad para la Unión Europea, manteniendo un plan de financiación a largo plazo lo que ha llevado a adelantar el lanzamiento de los satélites Sentinel-1C y Sentinel-1D para poder mantener las observaciones de manera continua en el tiempo137. Esto se refleja en los resultados obtenidos en los Capítulos 1-7.

4) Otro aspecto importante es la complementariedad en cuanto a la opción de solventar distintas limitaciones de ambas técnicas. El InSAR funciona solo en zonas donde se mantiene la coherencia, pero esto no siempre sucede. En las zonas donde esto no ocurre se puede complementar la información usando GNSS (ver p.e., el Capítulo 5). Mientras que las estaciones GNSS solo se pueden instalar en zonas accesibles, estas se pueden complementar con la observación InSAR en zonas no accesibles (Capítulos 5-7). Adicionalmente, solo dispondremos de datos de deformación GNSS desde el momento de instalación del receptor en campo, y únicamente en las zonas donde estos se localizan, pudiéndose perder gran cantidad de información de la deformación temporal y espacialmente, lo que se puede resolver usando observación radar de satélite, disponible en gran parte de la superficie de Tierra sólida desde 1992. Este aspecto se trata en los Capítulos 1, 3,5-7.

5) Otra complementariedad en cobertura espacial es la que se origina por la mayor resolución disponible en los satélites de observación radar de segunda generación, que puede llegar a ser menor o igual a 1 m para satélites de banda X. Esto permite entrar en el campo de aplicación de la topografía, con mayores precisiones e incluso densidad de datos de observación, y menor coste para uso científico, aunque en uso comercial su coste se dispara a 2000-3000 € por imagen, con lo que se debe hacer un estudio de coste/rendimiento. Esto se trata en el Capítulo 2.

6) Otro aspecto importante de complementariedad es la determinación de desplazamientos 3D. El disponer del campo de desplazamientos 3D del terreno, aparte de claras aplicaciones científicas (que veremos posteriormente), puede ser fundamental en aspectos de difusión de resultados a la sociedad, administraciones públicas y empresas, como usuarios de estos datos de desplazamiento. Todos entendemos un mapa de desplazamientos 3D en coordenadas (X, Y, Z), pero solo usuarios expertos pueden entender mapas de desplazamientos LOS obtenidos para órbitas ascendentes y descendentes. Actualmente no existe ninguna técnica geodésica que permita obtener datos 3D con alta precisión, cobertura y resolución espacial. La fusión de datos GNSS e InSAR, o de InSAR con diferentes satélites, o su combinación con datos de deformación determinados a partir de observaciones con sensores ópticos, permite solventar este problema y facilitar el entendimiento de los resultados obtenidos. Esto se trata en el Capítulo 2.

7) Un aspecto de gran importancia en esta complementariedad entre ambas técnicas se presenta en la vigilancia temporal de peligros naturales, en particular en la vigilancia de actividad volcánica, como el caso de la isla de La Palma estudiada en los Capítulos 5-7. Hemos visto que solo el InSAR (usando semillas determinadas con apoyo GNSS) nos permite estudiar todo el ciclo de actividad volcánica (periodo entre erupciones, preeruptivo, coeruptivo y poseruptivo), en particular en zonas volcánicas caracterizadas por deformaciones pequeñas (pocos cm) salvo en periodos muy próximos a la una erupción, y que cambian espacial y temporalmente (como ocurre en Canarias). En todas las fases, su alta cobertura y resolución espacial, permite detectar las posibles deformaciones siendo una técnica especialmente aplicable y adecuada en vigilancia para fenómenos que ocurren más lentamente que el periodo de revisita del satélite utilizado en la observación (p.e, 6 o 12 para el caso de Sentinel-1). En las zonas no coherentes debería usarse GNSS. En la fase coeruptiva, donde es necesario disponer de resultados en tiempo lo más posible al real posible, el InSAR da una información incompleta, aunque importante (Capítulo 7), por lo que debe usarse una red GNSS de observación continua, con un número de estaciones y una disposición adecuada (dentro de lo posible), que nos permita usar las técnicas de interpretación apropiadas para hacer un seguimiento de la evolución temporal del sistema de alimentación magmático en tiempo real. En la definición de la distribución y el número adecuado de estaciones GNSS que formen esta red resulta necesaria la información obtenida a partir de la técnica InSAR (ver resultados en el Capítulo 7).

Complementariedad en la interpretación de resultados

8) Las aplicaciones científicas del conocimiento del desplazamiento 3D son muy importantes, ya que como se ha descrito previamente la componente vertical suministra información sobre la profundidad a la que se encuentra la fuente perturbadora, y las componentes horizontales sobre su geometría51, pudiendo suministrar también información sobre las propiedades reológicas de la corteza inferior o el manto en el estudio de actividad sísmica o volcánica52. La técnica GNSS nos proporciona información 3D, pero con pocas estaciones y no siempre distribuidas cubriendo zonas amplias. El InSAR nos proporciona datos 1D o 2D usando solo imágenes adquiridas en una o en las dos órbitas (ascendente y descendente) con gran cobertura y resolución espacial. La información de desplazamiento vertical y E-W estaría proyectada en los correspondientes desplazamientos LOS. Los resultados obtenidos en los Capítulos 1-7 permiten obtener las siguientes conclusiones sobre cómo se complementan ambas técnicas en la interpretación de los desplazamientos medidos:

9) Realizar simplificaciones asumiendo que la deformación detectada por las técnicas InSAR tiene únicamente componente vertical, como se ha hecho habitualmente en el pasado, puede resultar en errores en la interpretación del resultado como hemos visto en el Capítulo 1 en el caso del Alto Guadalentín.

10) Las técnicas InSAR ofrecen resultados unidimensionales en la línea de visión del satélite (LOS), y puesto que son sensores de visión lateral, la geometría de adquisición es compleja involucrando diferentes ángulos de incidencia. La descomposición de este vector en una geometría común referenciada a la superficie, usando técnicas geométricas cuando se puede asumir una dirección predominante para la deformación como las presentadas en el Capítulo 3 de este trabajo, así como las más avanzadas técnicas de fusión de datos presentadas en el Capítulo 2 y que requieren de una densa red GNSS para su cálculo, son necesarias para una interpretación más precisa e intuitiva de los resultados obtenidos por estas técnicas y facilitando su uso en entornos geotécnicos. Desgraciadamente no suele ser el caso habitual. Por cuestiones de operatividad no se ha tenido la oportunidad de realizar la inversión de datos 3D provenientes de una fusión de datos GNSS e InSAR, quedando este aspecto como trabajo futuro.

11) Cuando se dispone de un número de estaciones GNSS reducido (hasta varias decenas, hemos comprobado que la inclusión de los datos 3D GNSS (aproximadamente un centenar de valores dato) en una inversión conjunta con datos InSAR (preferiblemente LOS ascendentes y descendentes, siendo varios miles de datos) es despreciable (las fuentes obtenidas y sus características no cambian). Por ello lo apropiado en cuanto eficiencia y rapidez de cálculo en la interpretación, y minimizando el coste de la observación, es usar datos InSAR en la interpretación, quedando la observación GNSS básicamente para la definición de semillas y tareas de validación, cuando sean necesarias. Ver Capítulos 1, 5-7.

12) También podemos usar la descomposición en componentes E-W y vertical del desplazamiento partiendo de las observaciones LOS ascendentes y descendentes. Esto, al utilizar ciertas aproximaciones en su cálculo puede introducir pequeños errores en la inversión, como hemos comprobado en la inversión de las deformaciones centimétricas en el caso de la reactivación volcánica de la isla de La Palma, por lo que se considera más adecuado usar directamente, y de forma conjunta, los datos LOS ascendentes y descendentes. Esto se apoya en los resultados obtenidos en los Capítulos 1, 6 y 7. La inversión en serie temporal de estos datos suministra una información que puede utilizarse para planificar y densificar la monitorización en esas zonas para su posterior estudio. En el caso concreto de La Palma, el uso de la información obtenida a partir de la aplicación de modelos de inversión a los datos de deformación superficial presentados en el Capítulo 7 de esta Tesis Doctoral, hubiese permitido la densificación de la red GNSS en la zona sur de la isla, facilitando un mejor seguimiento de la erupción en tiempo real y sirviendo para una mejor gestión de la emergencia por los servicios de protección civil.