Ground subsidence caused by aquifer exploitation is a geotechnical hazard that affects wide areas, causing important economic damages. This phenomenon is due to soil consolidation produced by the increase of effective stress caused by piezometric depletion. In this work a Remote Sensing Technique called Coherent Pixel (CPT) is applied to monitor subsidence in the Vega Media of the Segura River during a period of eleven years.Este trabajo ha sido financiado por los proyectos TIC2002-04451-C02 y BTE2002-12456-E (MCyT - FEDER), GV04B/556 y GRUPOS03/085 (Generalitat Valenciana) y Cat. 1-2494 (ESA)

Blanco Sánchez, Pablo

Delgado, Jose

Herrera García, Gerardo

Lopez-Sanchez, Juan M.

Mallorquí Franquet, Jordi J.

Martínez Corbella, Mónica

Mulas de la Peña, Joaquín

Márquez Moreno, Yolanda

Tomás, Roberto

Monitoring ground subsidence in the Vega Media of the river Segura through Differential SAR Interferometry (DInSAR)

Repositorio Institucional de la Universidad de Alicante

107Monitorización de la subsidencia del terreno en la Vega Mediadel río Segura mediante Interferometría SAR diferencial (DInSAR)Monitoring ground subsidence in the Vega Media of the river Segura through Differential SAR Interferometry(DInSAR)R. Tomás (1), Y. Márquez (2), J.M. Lopez-Sanchez (2), J. Delgado (3), P. Blanco (4), J.J. Mallorquí (4), M. Martínez (5), G. Herrera (5) y J. Mulas (5)(1) Departamento de Expresión Gráfica y Cartografía, Escuela Politécnica Superior, Universidad de Alicante, Ap. Correos 99, 03080 Alicante, España,roberto.tomas@ua.es(2) Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal, Escuela Politécnica Superior, Universidad de Alicante, Ap. Correos 99, 03080 Alicante,España, yolanda@dfists.ua.es, juanma.lopez@ua.es(3) Departamento de Ciencias de la Tierra, Facultad de Ciencias, Universidad de Alicante, Ap. Correos 99, 03080 Alicante, España, jose.delgado@ua.es(4) Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, c/Jordi Girona, 1-3, Ed. D-3, 08034 Barcelona, España,mallorqui@tsc.upc.edu; pblanco@tsc.upc.edu(5) Riesgos Geológicos. Subdirección de Recursos Minerales y Geoambiente. Instituto Geológico y Minero de España, Ministerio de Ciencia y Tecnología, c/ RíosRosas 23, 28003 Madrid, mo.martinez@igme.es, g.herrera@igme.es, j.mulas@igme.esABSTRACTGround subsidence caused by aquifer exploitation is a geotechnical hazard that affects wide areas, causingimportant economic damages. This phenomenon is due to soil consolidation produced by the increase ofeffective stress caused by piezometric depletion. In this work a Remote Sensing Technique called CoherentPixel (CPT) is applied to monitor subsidence in the Vega Media of the Segura River during a period ofeleven years.Key words: Ground subsidence, DInSAR, piezometric level, remote sensing, geotechnical hazardGeogaceta, 39 (2006), 107-110ISSN: 0213683XIntroducciónLa subsidencia implica el asentamien-to de la superficie terrestre en un área ex-tensa debido a causas tanto naturales comoantrópicas (Corapcioglu, 1984). Aunqueeste fenómeno no ocasiona víctimas mor-tales, los daños económicos que conllevapueden ser cuantiosos, sobre todo en áreasurbanas, construidas, donde constituye unimportante riesgo para cualquier tipo deestructura asentada sobre el terreno que sedeforma (edificaciones, conducciones,vías de comunicación, etc.). Desafortuna-damente, estos daños aparecen con undesfase temporal con respecto al comienzodel proceso de subsidencia del terreno.Esta situación se produjo en la Vega Me-dia del río Segura, donde la explotacióndel acuífero detrítico del río durante la se-quía de los años 1992 a 1995 dio lugar adescensos medios del nivel piezométricoque variaron entre 5 y 8 m (Aragón et al.,2004). Como consecuencia de ello se pro-dujo una consolidación de los niveles arci-llosos superficiales, que se estima que fueentre 1 y 8 cm (Martínez et al., 2004), yprodujo daños en más de un centenar deviviendas del área metropolitana de Mur-cia (Mulas et al., 2003).El estudio de este fenómeno hace ne-cesario su monitorización con el fin dedeterminar la extensión de la zona afecta-da, las velocidades de asiento o eleva-ción, los mecanismos que lo rigen, losinstantes críticos de aceleración del pro-ceso de consolidación del terreno, asícomo evaluar la efectividad de las medi-das de corrección y/o mitigación adopta-das. La mayor parte de las veces el pro-blema se aborda desde la superficie delterreno, midiendo las deformaciones quese producen, típicamente mediante técni-cas topográficas convencionales,geodésicas, fotogramétricas,instrumentales o bien medianteteledetección (Tomás et al., 2005a). Re-cientemente, la interferometría radar di-ferencial ha sido aplicada al control delmovimiento del terreno en problemas deíndole geológica y/o geotécnica cuandoéste afecta a amplios territorios. En elpresente trabajo se aplica una de las téc-nicas disponibles de interferometría dife-rencial al estudio de la subsidencia pro-ducida en el acuífero de la Vega Mediadel río Segura en el periodo 1993-2004.Fundamentos de la interferometríaSAR diferencial. La Técnica de losPíxeles CoherentesLas imágenes SAR expresan la distri-bución espacial de la amplitud y la fasede los ecos radar registrados por el siste-ma (reflectividad) correspondiente a losobjetos presentes en la escena o área ba-rrida por el satélite. Las imágenes utiliza-das, procedentes de los satélites ERS1 yERS2 presentan una resolución de 4 x 20metros (azimut x range). La combinaciónde dos imágenes SAR de la misma esce-na, tomadas en instantes diferentes, dacomo resultado una nueva imagen cono-cida como interferograma. ElFig. 1.- Esquema simplificado de la técnicaCPT.Fig. 1.- Simplified scheme of the CPTtechnique.108interferograma representa la variación dela fase ( ) entre las dos imágenes yla fiabilidad en su estimación depende dela coherencia, parámetro que sirve paracaracterizar y medir todas las fuentes dedecorrelación. Esta fase puede expresar-se como (Hanssen, 2001; Mora, 2004):(1)donde: ( )es la componente de tierraplana relacionada con la distancia en range,( ) es la fase topográfica, ( ) esla componente de la fase interferométrica debi-da al desplazamiento del terreno entre dosimágenes SAR medida en la dirección derange (o Line Of Sight, LOS), ( )es la componente de la fase relacionada conlos fenómenos atmosféricos y ( )constituye el factor de degradación de lacomponente de la fase interferométrica.Fig. 2.- Deformación total (cm) observada en el periodo Abril/1993-Octubre/2004. Evolución temporal de la deformación (cm) y de la piezome-tría (m) en áreas de alta (izda) y baja deformación (dcha).Fig. 2.- Total deformation (cm) observed in the period April/2003-October/2004. Temporal evolution of deformation (cm) and piezometric level (m) inareas of high (left) and low (right) deformation.109Las técnicas interferométricas puedendividirse en convencionales y avanzadas.Las primeras permiten la combinación dedos imágenes SAR para obtener el movi-miento del terreno, al cual se le añade untérmino de error debido a la componentede fase ruidosa y atmosférica. Las técni-cas avanzadas van más allá, pues permi-ten aislar completamente el término de lafase debido al movimiento. En éste últi-mo grupo queda englobada la denomina-da Técnica de los Píxeles Coherentes(Coherent Pixel Technique, CPT). En ellael procesado de la señal se divide en dosfases, la correspondiente a la extracciónde la componente de una deformación li-neal y la correspondiente al cálculo deotra no lineal. El cálculo de la componen-te lineal incluye la estimación de la velo-cidad media de deformación y el error delmodelo digital del terreno (MDT). El tér-mino no lineal se determina aplicando unfiltrado espacio-temporal para la extrac-ción de los artefactos atmosféricos y loscomponentes de baja y alta resolución dela deformación no lineal. Ésta es precisa-mente una de las principales ventajas deesta técnica avanzada frente a laInterferometría SAR convencional, el he-cho de que la componente atmosféricapuede ser aislada debido al comporta-miento variable en el tiempo y en el espa-cio de los artefactos atmosféricos frenteal comportamiento estático del término demovimiento no lineal. La figura 1 mues-tra un diagrama de flujo simplificado delprocesado. Una descripción detallada dela técnica CPT puede encontrarse enMora et al., (2003) y Mora (2004).Para analizar la subsidencia del áreade estudio se han empleado 28 imágenesSLC SAR de los satélites ERS-1 y ERS-2obtenidas entre abril de 1993 y octubre de2004. El área de estudio se ha limitado auna porción de 10 x 10 km centrada en laciudad de Murcia. Se hizo uso de aque-llos interferogramas cuya baseline espa-cial era menor de 50 metros y la diferen-cia de centroide Doppler relativo menorde 0.15. La resolución espacial final es de100 x 100 metros debido al factor demultilook empleado que fue de 25 x 5píxeles. La cancelación de la componentetopográfica se llevó a cabo haciendo usode un MDT externo de libre distribuciónpor la NASA perteneciente a la misiónSRTM.ResultadosLos resultados obtenidos son presen-tados en la figura 2, que muestra la defor-mación total obtenida mediante DInSARpara la zona de estudio correspondienteal periodo entre Abril de 1993 y Octubrede 2004. Las deformaciones máximas de-tectadas llegan a valores extremos de 8cm, si bien la media está comprendidaentre 2 y 6 cm, concentrándose en las zo-nas del centro del valle, allí donde el es-pesor de materiales deformables es máxi-mo. Por el contrario, las deformacionesson pequeñas o incluso nulas en las már-genes del valle, donde afloran rocas y nohay sedimentos deformables.En la figura 2 se ha incluido ademásla evolución temporal de la deformaciónen dos píxeles, así como la evoluciónpiezométrica en pozos situados dentro delpíxel. Se comprueba que existe una estre-cha relación entre ambas curvas, si biense observa que la consolidación continúaen el tiempo mientras el suelo no alcanzael estado de esfuerzos inicial, es decir,hasta que el nivel piezométrico no vuelvea su situación inicial. Si dicha situaciónno se alcanza nunca, la consolidaciónpuede variar su velocidad de deformaciónpero no se detiene. Tomás et al., (2005b)han diferenciado tres tipos de comporta-mientos del suelo frente a los descensospiezométricos: (a) áreas no deformables(márgenes del valle), (b) áreasdeformables (interior valle) y (c) áreascon suelos expansivos (sector SW).A la vista de las medidas medianteextensómetros de las deformaciones pro-ducidas en la ciudad de Murcia entre fe-brero de 2001 y diciembre de 2003 (Pe-ral et al., 2004), se comprueba que la co-rrespondencia entre resultadosobtenidos por técnicas tan diferentes esbuena (Fig. 3).ConclusionesLa técnica CPT es una técnica quepuede emplearse para la medida de defor-maciones de amplias zonas de la superfi-cie terrestre con gran efectividad. Estatécnica puede además complementarsecon otro tipo de medidas (extensómetros,GPS, topografía convencional, etc.) conel fin de validar los resultados obtenidoscon las primeras así como obtener infor-mación de aquellos puntos de la escenaen la que se espera una menorreflectividad y por lo tanto los resultadosinterferométricos son de menor calidad.En la Vega Media del río Segura, los re-sultados obtenidos son acordes con losproporcionados por las técnicasinstrumentales empleadas(extensómetros) y además muestran unaestrecha relación con la piezometría y lageología local.Esta técnica ha permitido evaluar lamagnitud de la subsidencia en la VegaMedia del río Segura una vez que ésta yase había producido. Hay que tener encuenta que los primeros daños en la zonade estudio se detectaron en el año 1995, yno se instrumentó el fenómeno hasta2001. Esto supone una aportación muyvaliosa al conocimiento del proceso quetuvo lugar con anterioridad a la instala-ción de la red instrumental y, del cual nose disponía de información cuantitativa.Entre las ventajas de esta técnica y,por extensión, de la interferometría dife-rencial radar, podemos señalar el hechode que permite estudiar la evolución deun fenómeno que afecta a una gran exten-sión de territorio y a bajo coste (en com-paración con otras técnicas más común-mente utilizadas). Además, permite llevara cabo un seguimiento progresivo del pro-ceso de deformación (subsidencia) a lolargo del tiempo, lo que facilita la tomade decisiones.AgradecimientosEste trabajo ha sido financiado por losproyectos TIC2002-04451-C02 yBTE2002-12456-E (MCyT - FEDER),GV04B/556 y GRUPOS03/085(Generalitat Valenciana) y Cat. 1-2494(ESA). Se agradece también a EMUASAy al IGME la cesión de algunos de losdatos piezométricos.ReferenciasAragón, R., García-Aróstegui, J.L., Lam-bán, J., Hornero, J. y Fernández-Grillo,A.I. (2004). Proceedings of the XXXIIIFig. 3.- Comparación de la subsidenciamedida mediante extensómetros (Peral etal., 2004) y la técnica CPT.Fig. 3.- Comparison between groundsubsidence measured with extensometers(Peral et al., 2004) and CPT technique.110Congress of IAH-ALHSUD, Conferen-ce on Groundwater Flow Understan-ding from local to regional scales.Zacatecas, México, CD ROM.Corapcioglu, M.Y. (1984). Fundamentalsof Transport Phenomena in PorousMedia. Nijhoff, Dordrecht, 369-444.Hanssen, R.F. (2001). Radar interferome-try. Data interpretation and erroranalysis. Kluwer Academic Publisher,308 p.Martínez, M., Mulas, J., Herrera, G. yAragón, R. (2004). Proceedings ofthe XXXIII Congress of IAH-ALH-SUD, Zacatecas, Mexico. Conferen-ce on Groundwater Flow Understan-ding from local to regional scale,249-252. Zacatecas, México, CDROM.Mora, O. (2004). Advanced differentialSAR techniques for detection of terrainand building displacements. Tesis Doc-toral, Univ. Politécnica de Cataluña,182 p.Mora, O., Mallorquí, J.J. y Broquetas, A.(2003). IEEE on Transactions on Geos-cience and Remote Sensing, 41, 2243-2253.Mulas, J., Aragón, R., Martínez, M.,Lambán, J., García-Arostegui, J.L.,Fernández-Grillo, A.I., Hornero, J.,Rodríguez, J.  y Rodríguez, J.M.(2003). Proceedings fo the 1st Interna-tional Conference on Groundwater inGeological Engineering, RMZ-M&G,Materials and Geoenvironment, 50,249-252.Peral, F., Rodríguez, A. y Mulas, J.(2004). Proceedings of the ISC-2 onGeotechnical and Geophysical SiteCharacterization, Balkema, 1171-1176.Tomás, R., Lopez-Sanchez, J.M. y Delga-do, J. (2005a). Proceedings of the XVIIIngegraf-XV ADM internacional Con-gress. Sevilla, CD-Rom. Tomás, R., Márquez, Y., Lopez-San-chez, J.M., Delgado, J., Blanco, P.,Mallorquí, J.J., Martínez, M., Herrera,G. y Mulas, J. (2005b). Remote Sen-sing of Environment, 98, 269-283.

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