Introducción al InSAR: guía para ingenieros geotécnicos, analistas de riesgos e ingenieros de seguridad

"Durante los últimos 30 años, he trabajado en interferometría SAR para proyectos de infraestructura y riesgos geológicos, así como en investigaciones relacionadas. Este artículo introductorio fue redactado teniendo en cuenta las lagunas de conocimiento, los desafíos prácticos y los conceptos que guían las decisiones profesionales al utilizar InSAR basado en satélites."
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- Prof. Dr. Vern Singhroy, Asesor Técnico, KorrAI, Científico Jefe, Misión de la Constelación RADARSAT

Los cimientos se agrietan. Las tuberías se deforman. Las presas fallan. Y, a menudo, las primeras señales de advertencia están bajo la superficie.

El suelo sobre el que nos apoyamos se está volviendo inestable. La subsidencia, el hundimiento vertical del terreno, es un problema global que causa miles de millones de dólares en daños anuales a la infraestructura física y pérdida de vidas humanas. La extracción de agua subterránea y la urbanización son las causas principales, responsables del 40% de los incidentes de subsidencia del terreno. Con el cambio climático agravando el problema, las próximas décadas pondrán a prueba los cimientos de nuestro sistema económico.

Las herramientas de monitorización tradicionales, como los piezómetros, inclinómetros y sensores terrestres, son precisas, pero solo donde están instaladas. Estos sistemas puntuales a menudo pasan por alto las primeras señales de inestabilidad que ocurren a pocos metros de distancia. ¿El resultado? Datos desconectados, decisiones reactivas y oportunidades perdidas para prevenir fallos.

Pero hoy, tenemos la solución para ver el panorama completo.

En InSAR confiamos

El radar de apertura sintética interferométrica, conocido comúnmente como InSAR, permite monitorizar el movimiento del terreno con precisión milimétrica en ciudades enteras, minas y corredores de infraestructura, sin necesidad de pisar el terreno.

InSAR existe desde hace al menos dos décadas, pero la falta de datos de alta calidad, la complejidad computacional y los costes prohibitivos impidieron su adopción generalizada. Eso está cambiando gracias al creciente número de satélites de radar, la informática asequible y los algoritmos eficientes.

En el lento panorama de la monitorización del movimiento del terreno... en InSAR confiamos.

Si ese chiste malo ha funcionado, hemos empezado con buen pie. Vamos a desglosar cómo funciona realmente InSAR y por qué está ganando tanto impulso.

¿Qué es InSAR?

El radar de apertura sintética interferométrica (InSAR) es una técnica de teledetección para monitorizar el desplazamiento milimétrico de la superficie terrestre mediante imágenes de radar repetidas de una zona a lo largo del tiempo.

Los datos se obtienen normalmente de satélites que transportan sensores de radar de apertura sintética (SAR) que transmiten señales en el espectro de microondas. Estas ondas de radar atraviesan la capa de nubes y también funcionan en la oscuridad, lo que las hace adecuadas para rastrear deformaciones independientemente de las condiciones meteorológicas.

Cómo funciona InSAR

Los satélites de radar de apertura sintética (SAR) transmiten señales de microondas que son dispersadas y reflejadas por la superficie terrestre. Cuando la radiación retrodispersada es recibida por el sensor, se registran su amplitud y su fase.

El InSAR funciona midiendo la diferencia de fase entre dos imágenes de radar de una misma zona, capturadas desde puntos de observación similares en el espacio en momentos distintos. Cualquier movimiento del terreno ocurrido entre ambas imágenes puede medirse y visualizarse como un mapa de deformación.

El conjunto de imágenes procesadas que resalta las diferencias de fase se denomina interferograma. Estas diferencias aparecen como patrones o franjas de colores que representan cuánto se ha desplazado el terreno. Los interferogramas son el producto principal utilizado para detectar y medir la deformación del suelo con una precisión milimétrica.

¿Cómo se generan los interferogramas?

Piense en los interferogramas como una tercera imagen creada al superponer dos imágenes de radar (de la Tierra). A continuación, una explicación simplificada de cómo se crean:

1. Adquisición satelital: Un satélite captura imágenes de radar de una zona específica en diferentes momentos (con días, semanas o meses de diferencia). Cada píxel de una imagen de radar, también llamada imagen SAR, almacena dos componentes:

• Amplitud (brillo)
• Fase, que se relaciona con la distancia entre el satélite y la superficie terrestre

2. Comparación de fase: Algoritmos especializados comparan estas imágenes analizando la diferencia de fase, que se refiere a los ligeros cambios en los patrones de las ondas de radar entre ellas.
3. Generación de un interferograma: Estas diferencias de fase se visualizan en un interferograma, donde los patrones de franjas representan cambios de fase y cualquier movimiento. Cada franja representa normalmente una cantidad determinada de desplazamiento de la superficie. Esta cantidad depende de la longitud de onda del radar. Una franja suele representar la mitad de la longitud de onda del sensor (λ/2) en el desplazamiento de la línea de visión. Por ejemplo, los sensores de banda X muestran aproximadamente 1,5 cm de movimiento por franja, mientras que RADARSAT-2 (banda C) corresponde a unos 2,8 cm.

Desenvolvimiento de fase

Cuando el radar mide la fase, esta se encuentra inherentemente limitada entre 0° y 360° (o de 0 a 2π radianes). Esto significa que, una vez que el desplazamiento supera la mitad de la longitud de onda del radar (λ/2), la fase "se envuelve", mostrando de nuevo el mismo color de franja. Como resultado, los interferogramas aparecen como bandas repetitivas, pero estas no revelan cuánto desplazamiento total ha ocurrido.

El desenvolvimiento de fase es el proceso de reconstruir el desplazamiento real y continuo a partir de estos valores envueltos. Funciona integrando las diferencias de fase medidas a través de una imagen para recuperar el movimiento real del terreno, incluidos los ciclos completos que han ocurrido entre las pasadas del radar.

Por ejemplo, si una presa de relaves se asienta 6 cm entre observaciones y la longitud de onda del sensor es de 5,6 cm (banda C), el desenrollado de fase permite al algoritmo reconocer esto como más de un ciclo (1 ciclo completo más una fracción). Sin el desenrollado, esto podría interpretarse erróneamente como un pequeño desplazamiento dentro de una sola franja. El desenrollado de fase corrige esto y garantiza una interpretación precisa.

El proceso también filtra las contribuciones no deseadas de la topografía, los retrasos atmosféricos y el ruido, especialmente en áreas con baja coherencia (por ejemplo, superficies con vegetación o cubiertas de agua).

Eche un vistazo a la Figura 2.

La segunda imagen de la figura es un interferogramadesenrollado, una representación visual de la diferencia de fase entre dos imágenes de radar adquiridas sobre el Monte Etna antes y después de una erupción en 2018. Una vez que se desenrolla la diferencia de fase, obtenemos la tercera imagen, que traduce el interferograma en un mapa de deformación claro con valores de desplazamiento desenrollados en mm/año.

InSAR de series temporales: mucho más que solo dos imágenes

Aunque dos imágenes pueden producir un único interferograma, solo capturan un momento de cambio. El análisis InSAR moderno depende de muchas más. Una pila de 15 o más imágenes, tomadas a lo largo de semanas o meses, permite un monitoreo a largo plazo. Por ejemplo, el hundimiento del terreno debido a la extracción de agua subterránea, los cambios en la pendiente de las minas o el asentamiento gradual bajo la infraestructura urbana.

La obtención repetida de imágenes hace que el InSAR sea mucho más eficaz para registrar una línea de tiempo continua de los movimientos del suelo: no solo sabe que ocurrió un movimiento, sino también qué tan rápido, cuándo y en qué dirección. Por lo tanto, permite a las partes interesadas de infraestructuras críticas monitorear la inestabilidad o los peligros emergentes y responder de manera proactiva en lugar de reactiva.

Siempre lo he comparado con tomarse una selfi todos los días y luego crear un video a intervalos con ellas. Si bien la foto 1 y la foto 2 podrían no revelar mucho, para la foto 200 sabrá si ha estado usando suficiente protector solar mientras trabaja en el campo.

Pero para entender lo que nos dice el InSAR, es fundamental comprender cómo el satélite ve la Tierra y en qué dirección está midiendo.

Eso nos lleva a un concepto fundamental: Línea de visión (LOS).

Línea de visión (LOS): La dirección en la que observa el InSAR

El InSAR no mide el desplazamiento del terreno como lo haríamos con un instrumento tradicional en el lugar. No indica directamente que "el suelo descendió 3 cm verticalmente". En su lugar, captura los cambios a lo largo de la línea de visión (LOS) del radar, que es la trayectoria inclinada desde el satélite hasta el suelo.

Puede imaginar la LOS como un puntero láser que desciende en ángulo desde el satélite. Si el suelo se mueve directamente a lo largo de esa línea, acercándose o alejándose del satélite, el InSAR captura el desplazamiento completo. Pero si el movimiento es perpendicular a ese haz, el InSAR solo detecta una fracción o, a veces, nada en absoluto.

Esto nos trae dos noticias, una buena y una mala.

Mala noticia: La medición es unidimensional. En una sola pasada del satélite, solo se captura el componente del desplazamiento alineado con la dirección de observación del radar.

Buena noticia: El desplazamiento puede medirse con una precisión de milímetros por año.

Ahora, imagine un terraplén de carretera que se desliza lentamente ladera abajo, principalmente de lado. Si ese movimiento se alinea bien con el ángulo de visión del satélite, el InSAR lo detectará claramente. Pero si la ladera se desliza de norte a sur y el satélite viaja en una trayectoria casi norte-sur, pasará por alto la mayor parte del movimiento.

Llegados a este punto, es posible que se pregunte: si no puede verlo todo, ¿cómo es el InSAR fiable para el control de riesgos en infraestructuras?

Ahí es donde entra en juego la obtención de imágenes multidireccionales.

Pasadas ascendentes y descendentes: Observar desde ambos lados

Para mejorar la forma en que observamos el movimiento, especialmente en terrenos complejos, los satélites recopilan datos desde dos direcciones:

• Pasada ascendente: el satélite se desplaza hacia el norte, mirando hacia el este.
• Pasada descendente: el satélite se desplaza hacia el sur, mirando hacia el oeste.

Al combinar estas dos vistas de LOS, podemos descomponer el movimiento del terreno en componentes verticales y este-oeste, lo que nos ofrece una visión más completa, especialmente en lugares como minas, presas o laderas propensas a deslizamientos, donde la deformación no ocurre en una sola dirección.

Por ejemplo, en una presa de relaves, el asentamiento vertical debido al peso del nuevo material y la expansión lateral por inestabilidad de la ladera suelen ocurrir simultáneamente. El uso de datos InSAR ascendentes y descendentes ayuda a rastrear ambos movimientos de manera fiable, incluso si estos se desarrollan lentamente.

Geometría de observación por radar

Por la forma en que InSAR observa la Tierra, es posible que ya haya deducido que los satélites de radar están diseñados para mirar de lado. Escanean el terreno en un ángulo de entre ~30° y 60°.

• Los ángulos más pronunciados (más cercanos a la vertical) son mejores para detectar el movimiento vertical, como el hundimiento del terreno.
• Los ángulos más planos (más oblicuos) mejoran la sensibilidad al movimiento horizontal, como los deslizamientos o la expansión de laderas.

La mayoría de los satélites operan cerca del valor medio (como Sentinel-1, que opera a unos 39°), lo que proporciona un equilibrio razonable entre la sensibilidad vertical y horizontal.

Distorsiones comunes en terrenos montañosos o urbanos

Debido a que los satélites de radar observan la Tierra desde un ángulo en lugar de hacerlo directamente hacia abajo, la topografía y las estructuras altas pueden distorsionar la imagen de radar de varias formas predecibles:

• Acortamiento (foreshortening): Cuando una ladera está orientada hacia el satélite, aparece comprimida en la imagen de radar, lo que reduce la resolución espacial y la precisión de la medición.
• Superposición (layover): Si la parte superior de una ladera o edificio está más cerca del satélite que su base, la señal de radar llega fuera de secuencia, haciendo que los elementos parezcan invertidos o deformados.
• Sombra de radar: Las laderas pronunciadas que están orientadas en dirección opuesta al satélite pueden no recibir iluminación, lo que resulta en áreas sombreadas donde no se recibe señal de radar, de forma similar a como la luz solar proyecta sombras detrás de las montañas.

Estos efectos no son determinantes, pero sí implican que algunas áreas son más difíciles de monitorear que otras. Las pasadas multidireccionales ayudan a mejorar la calidad de los datos. Otra forma habitual de abordar estas distorsiones es mediante Modelos Digitales de Elevación (MDE), que ayudan tanto a simular zonas de distorsión durante la planificación como a eliminar el ruido topográfico durante el procesamiento. En áreas dinámicas, las actualizaciones frecuentes de los MDE y los periodos de monitoreo más cortos mejoran la fiabilidad.

Para mejorar la precisión de las mediciones en zonas de difícil acceso, como puentes o pendientes pronunciadas, se utilizan reflectores de esquina. Estos actúan como objetivos artificiales estables que garantizan retornos de radar fuertes y consistentes. En KorrAI, los reflectores de esquina se despliegan estratégicamente para superar las zonas de distorsión y permitir un monitoreo preciso y de alta confianza, incluso en terrenos geométricamente complejos.

Ahora que entendemos cómo la geometría de visualización afecta a las imágenes de radar, la siguiente pregunta es: ¿Puede el radar ver lo mismo con claridad en cada pasada? Aquí es donde cobran importancia dos conceptos: los objetivos y la coherencia.

Coherencia y adecuación de los objetivos

El InSAR rastrea elementos del terreno a lo largo del tiempo. Estos elementos se conocen como objetivos y se representan como píxeles medibles en el análisis InSAR. Los objetivos pueden ser cualquier cosa, desde un edificio en un entorno urbano hasta un afloramiento rocoso en un terreno baldío. Sin embargo, no todos los objetivos son igual de estables durante un periodo de monitoreo.

La coherencia es la métrica que cuantifica la calidad de los objetivos en un interferograma, representando la continuidad a lo largo del tiempo.

Es la forma en que el radar pregunta: "¿He recibido la misma señal de este punto que la última vez?". La coherencia se mide en una escala de 0 a 1; un valor bajo indica demasiados cambios, mientras que un valor alto representa un objetivo persistente.

Las carreteras, los edificios y el lecho rocoso tienden a mantenerse coherentes. El agua, la nieve, la vegetación y las zonas en construcción no lo hacen. Por ello, existen varios tipos de objetivos:

• Objetivos permanentes o dispersores persistentes (PS): la infraestructura, la roca expuesta o el suelo compactado mantienen una firma de radar consistente durante meses o años. Son ideales para el monitoreo a largo plazo.
• Objetivos temporales, como presas de relaves o carreteras estacionales, que pueden ser estables solo durante parte del periodo de monitoreo, por ejemplo, debido a la capa de nieve.
• Objetivos distribuidos: suelo desnudo, superficies de grava o vertederos que carecen de un único reflector de radar dominante. Pueden rastrearse, pero suelen requerir un procesamiento más avanzado, como los métodos SBAS (Small Baseline Subset).
• Objetivos puntuales, como cerchas de acero o bordes de edificios, que ofrecen retornos altamente coherentes con bajo ruido de fase.
• Áreas no rastreables que cambian significativamente entre adquisiciones de imágenes, como el agua, la nieve, las hojas y los cultivos.

Resumen de los fundamentos

A estas alturas, hemos desmitificado los conceptos básicos del InSAR. Hemos explorado la importancia de la geometría de visualización, cómo se producen las distorsiones y qué hace que ciertos elementos del terreno sean ideales para un rastreo fiable.

Gracias a técnicas de procesamiento avanzadas y mejoras inteligentes como los reflectores de esquina, incluso los entornos difíciles, como terrenos montañosos, infraestructuras urbanas o zonas con vegetación, pueden monitorearse ahora con precisión y confianza.

En resumen, el InSAR ha pasado de ser una curiosidad científica a convertirse en una herramienta práctica y desplegable para comprender cómo se mueve el terreno antes de que se convierta en un problema multimillonario que las herramientas tradicionales pasaron por alto. En KorrAI, hemos hecho exactamente eso para importantes socios globales como AWS, Zurich, Eldorado Gold, Stantec y otros, monitoreando más de 100.000 millones de dólares en activos en todo el mundo. Combinamos datos de satélites, sensores terrestres, informes, estudios, etc., para ofrecer inteligencia de alta precisión sin necesidad de visitas frecuentes al sitio. ¿Quiere saber cómo podemos ayudarle en su proyecto? Reserve una reunión con nuestros expertos hoy mismo.

¡Listo! Ya domina los fundamentos: interferogramas, desenrollado de fase, ángulos de visión del radar, tipos de distorsión y coherencia de objetivos.

Pero conocer cómo funciona la tecnología es solo el principio.

En la siguiente parte, tomaremos estas bases y las ampliaremos: qué datos InSAR utilizar, cómo se aplica InSAR en distintos sectores y qué debe tener en cuenta al elegir un producto de monitorización de movimientos del terreno.

"Como alguien que ha visto evolucionar el InSAR durante décadas, es alentador ver que el estado de la técnica sigue avanzando, y no solo en el análisis, sino en todo el proceso de aplicación integral. Para los profesionales, esta se ha convertido en una herramienta fundamental hoy en día, que merece la pena comprender y dominar".
-Prof. Dr. Vern Singhroy

→ Continuar a la parte 2: InSAR en la práctica: cómo elegir el método y los datos adecuados