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G-GI3002/IDIG NUEVAS METODOLOGÍAS PARA EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EN INFRAESTRUCTURAS LINEALES. Universidad/es / Empresas colaboradora UNIVERSIDAD DE GRANADA / EIFFAGE Memoria Final 29-06-2015 TÉCNICOS DE LA AGENCIA DE OBRA PÚBLICA DE LA JUNTA DE ANDALUCIA Director Técnico del Proyecto | Juan Miguel García Morales Gerente del Proyecto | Mª Isabel Fiestas Carpena EQUIPO INVESTIGADOR Investigadores principales | José Miguel Azañón Hernández | Francisco J. Lamas Fernández Universidad de Granada | José Vicente Pérez Peña | Antonio Azor Pérez | Jorge P. Galve Arnedo | Francisca Fernández Chacón | Davide Notti | Rafael Bravo Pareja Universidad de Jaén | José Luis Pérez García | Carlos Manuel Colomo Jiménez | José Miguel Gómez López Instituto Geológico y | Rosa Mª Mateos Ruíz Minero de España | Francisco J. Roldán García Centre Tecnològic de | Oriol Monserrat Telecomunicacions de Catalunya University of Southampton | Victor F. Rodríguez Galiano Consultor externo | Carlos G. Ureña Nieto Eiffage | David Gálvez García | María Elena Hidalgo | Juana Torres Aerolaser System SL | José María Luque Sillero Pág 1 ÌNDICE CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN ........................................................................... 5 5 1.1.- INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 5 1.2.- ANTECEDENTES ............................................................................................... 7 1.3.- OBJETIVOS ........................................................................................................ 10 1.4.- ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO DE LOS TRABAJOS SOBRE INESTABILIDADES DE LADERA EN RELACIÓN CON INFRAESTRUCTURAS LINEALES ........................................................................... 11 CAPÍTULO 2.- METODOLOGÍA .......................................................................... 17 2.1.- ESTUDIO DE CAMPO ....................................................................................... 17 2.2.- DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE REFERENCIA ............................................ 19 2.3.- MÉTODOS LÁSER ............................................................................................. 24 2.3.1.- ESCÁNER LÁSER MONTADO SOBRE PLATAFORMA TERRESTRE (TERRESTRIAL LASER SCANNER, TLS) ................................ 24 2.3.1.- ESCÁNER LÁSER AEROTRANSPORTADO (LASER IMAGING DETECTION AND RANGING, LIDAR) ........................................................... 28 2.4.- MÉTODOS FOTOGRAMÉTRICOS .................................................................... 31 2.5.- ANÁLISIS DE IMÁGENES DE SATÉLITE ......................................................... 42 2.5.1.- CÁLCULO DEL ÍNDICE DE VEGETACIÓN NORMALIZADO (NDVI) ............................................................................................................. 42 2.5.2.- INTERFEROMETRÍA RADAR DIFERENCIAL (DInSAR) .................... 51 CAPÍTULO 3.- INVESTIGACIONES DE CAMPO ............................................ 54 3.1.- INVENTARIO DE PATOLOGÍAS OBSERVADAS EN EL TRAMO DE CARRETERA A-348 (EIFFAGE) ............................................................................... 54 3.2.- ESTACIONES GEOMECÁNICAS ....................................................................... 63 3.3.- ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS PATOLOGÍAS EXISTENTES EN LOS AÑOS 2009/2010 ................................................................................................ 75 CAPÍTULO 4.- MDTS GENERADOS A TRAVÉS DE TÉCNICAS TERRESTRES Y AÉREAS ........................................................................................ 81 4.1.- MDTS GENERADOS CON TÉCNICAS LIDAR .................................................. 81 Pág 2 4.1.1.- LIDARS HISTÓRICOS ........................................................................... 81 4.1.2.- LIDARS 2014 Y 2015 ............................................................................. 88 4.2.- MDTS GENERADOS CON TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS ......................... 103 4.3.- MDTS GENERADOS CON LASER ESCANER Y UAV ....................................... 109 CAPÍTULO 5.- ANALISIS DIFERENCIAL DE LOS MDTS OBTENIDOS POR TÉCNICAS TERRESTRES Y AÉREAS .......................... 123 5.1.- RESTA MDTS FOTOGRAMÉTRICOS Y LIDAR/FOTOGRAMÉTRICO ............ 124 5.2.- RESTA LIDAR .................................................................................................. 125 5.3.- ESTUDIO EVOLUTIVO DE TALUDES DE CARRETERA MEDIANTE MDTS ........................................................................................................................ 130 CAPÍTULO 6.- INVENTARIO DE DESLIZAMIENTOS Y TALUDES DEDUCIDO DE LOS MDTS .................................................................................... 156 6.2.- INVENTARIO DE TALUDES ............................................................................. 156 6.1.- INVENTARIO DE DESLIZAMIENTOS ............................................................. 161 CAPÍTULO 7.- ANÁLISIS DE IMÁGENES DE SATÉLITE ........................... 171 7.1.- CÁLCULO DEL ÍNDICE DE VEGETACIÓN NORMALIZADO (NDVI) ............... 171 7.1.1.- TRATAMIENTO PRELIMINAR DE IMÁGENES SATÉLITE ................. 171 7.1.2.- EXTRACCIÓN DE DESCRIPTORES ESTADÍSTICOS DEL ÍNDICE DE VEGETACIÓN NORMALIZADO (NDVI) ...................................... 173 7.2.- INTERFEROMETRÍA RADAR DIFERENCIAL (DINSAR) ............................... 178 7.2.1.- ENVISAT ............................................................................................... 178 7.2.1.- ALOS ..................................................................................................... 188 CAPÍTULO 8.- ANALISIS DE FACTORES CONDICIONANTES Y DESENCADENANTES DE LAS INESTABILIDADES DE LADERA DE LA CARRETERA A-348. RELACIÓN ENTRE PLUVIOMETRÍA E INESTABILIDAD ................................................................................................... 195 8.1.- INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 195 8.2.- ANÁLISIS DE FACTORES Y ANTECEDENTES ............................................... 196 8.3.- PROPUESTA DE UN MÉTODO DE CÁLCULO Y PONDERACIÓN DE LOS PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA INESTABILIDAD DE LADERA .................................................................................................................... 220 Pág 3 CAPÍTULO 9.- ANALISIS CINEMÁTICO ......................................................... 253 9.1.- ANÁLISIS CINEMÁTICO EN CADA ESTACIÓN GEOMECÁNICA ................. 258 9.2.- RESULTADOS ................................................................................................... 296 CAPÍTULO 10.- ANALISIS NUMÉRICO ........................................................... 300 10.1.- ANÁLISIS POR MÉTODOS DE EQUILIBRIO LÍMITE (SLIDE) ..................... 302 10.2.- ANÁLISIS POR MÉTODOS DE ELEMENTOS FINITOS (PHASE) ................. 311 CAPÍTULO 11.- ANÁLISIS DE MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y CONTENCIÓN ............................................................................................................ 335 CAPÍTULO 12.- CONCLUSIONES .........................................................................342 12.1-. ANÁLISIS DE IMÁGENES SATÉLITE: CÁLCULO DEL ÍNDICE DE VEGETACIÓN NORMALIZADO (NDVI) E INTERFEROMETRÍA RADAR DIFERENCIAL (DINSAR) ........................................................................................ 342 12.2.- PONDERACIÓN DE FACTORES CONDICIONANTES DE LA INESTABILIDAD DE LADERAS .............................................................................. 342 12.3. ANÁLISIS DIFERENCIAL DE MODELOS DIGITALES DE ELEVACIONES (MDEs) MEDIANTE TÉCNICAS TERRESTRES Y AÉREAS .......... 343 12.4. ANÁLISIS MEDIANTE MÉTODOS DE EQUILIBRIO LÍMITE Y MÉTODOS DE ELEMENTOS FINITOS DE LOS TALUDES DE MAYOR INESTABILIDAD ....................................................................................................... 344 12.5. MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y CONTENCIÓN QUE SE CONSIDERAN MÁS CONVENIENTES PARA LOS CASOS PILOTOS ESTUDIADOS ........................................................................................................... 344 12.6. CONSIDERACIONES FINALES ....................................................................... 344 12.7. APLICABILIDAD DE LAS NUEVAS METODOLOGÍAS AL CONTROL Y VIGILANCIA DE TALUDES EN INFRAESTRUCTURAS LINEALES .................... 346 12.8. ESTABLECIMIENTO DE MODELOS DE EVOLUCIÓN DE LA DEFORMACIÓN MEDIANTE LA COMBINACIÓN DE TÉCNICAS DE ANÁLISIS NUMÉRICO Y DATOS MULTITEMPORALES DEL TERRENO .............. 348 12.9. ESTABLECIMIENTO DE UN PROTOCOLO PARA EL SEGUIMIENTO Y VIGILANCIA DE TALUDES DE CARRETERA (SEGVITA) ................................... 349 REFERENCIAS ........................................................................................................... 350 Pág 4 Capítulo-01_Introducción Pág 5 CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN 1.1.- INTRODUCCIÓN Los procesos geodinámicos que afectan a la superficie terrestre dan lugar a movimientos del terreno de diferente magnitud y características, que pueden constituir riesgos geológicos al afectar, de una forma directa o indirecta, a las actividades humanas. Fenómenos tan variados como la erosión, disolución, movimientos sísmicos y erupciones volcánicas y las precipitaciones pueden producir deslizamientos y desprendimientos en las laderas, coladas de tierra y derrubios, aterramientos, hundimientos, subsidencias, etc. Estos movimientos del terreno son el reflejo del carácter dinámico del medio geológico y de la evolución natural del relieve, pero también pueden ser provocados o desencadenados por el hombre al interferir con la naturaleza y modificar sus condiciones, causando en ocasiones cifras muy elevadas de víctimas y pérdidas económicas. Los movimientos más frecuentes y extendidos son los movimientos de ladera, que engloban, en general, a los procesos gravitacionales que tienen lugar en las laderas. Por lo general, estas zonas adoptan pendientes naturales cercanas al equilibrio, ante el cambio de condiciones, su morfología se modifica buscando de nuevo el equilibrio. En este contexto, los movimientos de ladera pueden entenderse como los reajustes del terreno para conseguir el equilibrio ante un cambio de condiciones. Entre las áreas más propensas a la inestabilidad, bajo un punto de vista global, están las zonas montañosas y escarpadas, zonas de relieve con procesos erosivos y de meteorización intensos, zonas con materiales blandos y sueltos, con macizos rocosos arcillosos, esquistosos y alterables, zonas de precipitación elevada, etc. Dentro de la Provincia de Granada, la zona más propensa a estos movimientos de ladera se localiza en la comarca de la Alpujarra. Se trata de una zona montañosa cuyas laderas están constituidas principalmente por materiales esquistosos fuertemente fracturados, y cuyas pendientes, en la vertiente sur de Sierra Nevada, han sido modificadas por la construcción de numerosas infraestructuras lineales en zonas de media montaña. Como consecuencia del carácter poco permeable de los materiales, de la fuerte pendiente de las laderas y el moderado desarrollo de suelos y cobertera vegetal, la escorrentía superficial es el proceso dominante frente a la escorrentía subterránea o infiltración. Ello configura un sistema de baja regulación natural, torrencial y de alto poder erosivo, al que contribuye también el régimen de precipitaciones (agua y/o nieve), que pueden llegar a ser de gran intensidad en determinados momentos. Es precisamente en esta zona donde se han producido históricamente los problemas de erosión y estabilidad de laderas más serios. El proyecto de investigación planteado, pretende abordar uno de los principales objetivos del Plan de Infraestructuras para la Sostenibilidad del Transporte en Andalucía (PISTA) incidiendo sobre el acondicionamiento de carreteras y el incremento de la seguridad vial en la red. Estos dos puntos vertebran el Plan para la Mejora de la Accesibilidad, la Seguridad y la conservación de la Red de Carreteras de Andalucía (PLAN MAS CERCA), una de las prioridades principales del PISTA habida cuenta del uso abrumador del vehículo privado en nuestra comunidad (el coche absorbe el 78,7% de la movilidad motorizada total en Andalucía, PISTA). Para ello se pretenden aplicar las nuevas técnicas satelitales, fotogrametría aérea, LIDAR aéreo y terrestre para realizar un exhaustivo análisis del relieve en laderas y taludes ligados a infraestructuras lineales. El objetivo último es realizar un diagnóstico sobre las características de Capítulo-01_Introducción Pág 6 las patologías en carreteras de montaña. Con este proyecto se pretende analizar los mecanismos de rotura, controlar las tasas de movimiento, ponderar los parámetros que las condicionan y las desencadenan e intentar poner a punto un sistema de detección precoz de movimientos de ladera y taludes. Dentro de la Comarca de la Alpujarra destaca la red viaria autonómica A-348 por ser una vía intercomunitaria que une Granada con Almería a través de las poblaciones de Lanjarón y Ugíjar. A lo largo de su historia, este eje de comunicación se ha visto muy afectado por los efectos de los movimientos de ladera, especialmente intensos en la última década. Debido a la gran longitud de esta red viaria, como área piloto se han seleccionado los 20 km de carretera comprendidos entre las localidades de Torvizcón-Cádiar, por ser el tramo que en la actualidad presenta los mayores problemas de estabilidad. Capítulo-01_Introducción Pág 7 1.2.- ANTECEDENTES La ocurrencia de deslizamientos es un fenómeno sujeto a muchos grados de incertidumbre, debido a que los deslizamientos incluyen diferentes tipos de movimientos, velocidades, modos de rotura, materiales, restricciones geológicas, etc (Mora y Vahrson, 1993). Cuando existe incertidumbre de la posibilidad o no de la ocurrencia de un fenómeno, generalmente se toman decisiones equivocadas de diseño. El costo de un proyecto puede resultar muy alto al tener que asumir riesgos de características y magnitudes no determinadas. La zonificación de amenazas y riesgos es una herramienta muy útil para la toma de decisiones, especialmente en las primeras etapas de planificación para la ejecución de obras civiles, pero también pueden ser de gran utilidad en cualquier fase posterior a la construcción, para mitigar los efectos de estas inestabilidades. Con el incremento de la población desde 1950 hasta la actualidad (Constanzo 2012), se han producido consecuencias negativas sobre el territorio. La expansión tanto en las ciudades como en pueblos y en el caso de la Alpujarra, se ha incrementado la presión constructiva sobre parte del territorio. Por un lado repercute porque incrementa los elementos del territorio expuestos al riesgo y por otro porque pueden reactivar y/o acelerar los fenómenos peligrosos más frecuentes, como los derivadosde la lluvia, nieve y/o terremotos, responsables de pérdida de bienes, servicios e incluso de vidas humanas. Según estudios recientes, la actividad de los movimientos de ladera es mayor en el límite suroriental de la Provincia de Granada, vertiente meridional de Sierra Nevada, observándose una relación directa entre los movimientos de ladera y las lluvias torrenciales características de la zona (Fernández et al 1996; Fernández 2001; El Handouni et al 1997; El Handouni 2001; Roldan-García et al, 2009). Además, los extensos afloramientos de filitas y micaesquistos son materiales claves para el entendimiento de este tipo de procesos de ladera en esta región; ya que la esquistosidad ofrece planos de debilidad por los cuales el agua o la nieve pueden penetrar y fragmentar la roca (Alcántara-Ayala, 1999). La Consejería de Obras Públicas y Transportes de la Junta de Andalucía, cofinanciada con Fondos FEDER de la Unión Europea puso en marcha, entre los años 2004-2013, el Plan MASCERCA. Entre sus objetivos se encontraba la mejora de la accesibilidad y conectividad de las áreas con peores condiciones de acceso como las carreteras de la Comarca de la Alpujarra. La inversión total fue de 125 millones de euros y entre las mejoras a realizar se encontraba el acondicionamiento del tramo Torvizcón-Cádiar, entre otros, con un coste de 14,8 millones de euros (Consejería de Obras Públicas y Transportes, Junta de Andalucía, 2008). Las intensas precipitaciones ocurridas en los años hidrológicos 2009-2012 condicionaron y desencadenaron numerosos daños en las carreteras de la comarca de la Alpujarra (provincias de Granada y Almería). Las principales vías dañadas fueron las carreteras autonómicas A-348, A-4130 y A-4132, por las que se accede a las principales poblaciones alpujarreñas, como Lanjarón, Órgiva, Torvizcón, Almegíjar, Cádiar, Pampaneira, Bubión, Capileira, Trevélez, Paterna del Río, Laujar, Canjáyar y Ohanes. Asumiendo que una pequeña parte de estos daños hayan podido tener su origen en factores de tipo técnico, la mayor parte de las inestabilidades producidas por las intensas precipitaciones están en origen controladas por factores geológicos y geomorfológicos, que condicionan el comportamiento del terreno, su capacidad portante y la estabilidad de los taludes de las obras lineales. Las roturas derivan de la dificultad para estimar las propiedades resistentes de los macizos rocosos y las áreas que presentan movimientos de carácter lento pero continuo. Este proyecto pretende crear una metodología que, con la ayuda de las nuevas tecnologías, pueda abordar este análisis considerando primero todas las variables que determinan las propiedades mecánicas de un macizo rocoso (litología, estructura, discontinuidades, permeabilidad, etc), y Capítulo-01_Introducción Pág 8 después cuantificar los parámetros dependientes directamente del medio físico y el clima: pendiente, escorrentía superficial, procesos de acarcavamiento, presencia de manantiales, vegetación, humedad, etc. La aplicación de métodos fotogramétricos de alta precisión (imágenes aéreas LIDAR y Laser- Escaner terrestre) para generar MDTs muy detallados y que permitan evaluar las velocidades de los movimientos en laderas y taludes es una novedad importante en el estudio de movimientos en masa en nuestro país. Su aplicación junto con técnicas de teledetección permite el reconocimiento preciso de movimientos de superficie que pueden pasar desapercibidos al reconocimiento sobre el terreno en áreas de extensión variable. El uso integrado de todas estas técnicas junto con la Interferometría SAR Diferencial (DInSAR), pone en manos de las administraciones una herramienta de un inmenso valor para su aplicación a lo largo de todas las fases por las que pasa una obra lineal, desde su proyecto hasta su necesario mantenimiento, sirviendo de arma para prevenir, detectar y estudiar, con un elevado grado de detalle, las inestabilidades de ladera que afectan a las carreteras. Un ejemplo de aplicabilidad de la metodología aquí propuesta, llevada a cabo entre los años 2005- 2007 por este equipo de investigación (Azañón et al, 2006), fue el Deslizamiento de Diezma, en la Autovía A-92 a su paso por la localidad de Diezma (Granada). Las nuevas tecnologías han permitido que en la actualidad se disponga de datos sobre el territorio de gran resolución y detalle. En el caso de Andalucía se dispone de varias ortofotografías con suficiente resolución como para poder realizar comparaciones fotogramétricas en las que se detecten procesos superficiales asociados a laderas y taludes. Por otra parte, los modelos digitales del terreno tienen un detalle inferior a 5 m/pixel y las tecnologías de radar terrestre o aéreo permiten detectar movimientos del terreno submilimétricos. Por tanto, ahora es el momento de cuantificar procesos de rotura, erosión y/o depósito en taludes de infraestructuras lineales que permitan anticipar patologías de amplio espectro que pudieran llegar a aislar núcleos de población. Los métodos comentados anteriormente se complementarán con un análisis numérico por métodos de elementos finitos. Al tratarse de diferentes tipologías de inestabilidades de ladera (desprendimientos, deslizamientos, flujos etc.), se aplicarán diferentes modelizaciones, tales como Phase 2, Rockyfor 3D y Slide. El objetivo de la aplicación de estos programas es calcular un valor crítico del llamado factor de reducción de la resistencia (Strengh Reduction Factor, SRF) del talud o ladera, que representa la relación entre la resistencia del material y las tensiones inducidas. Todo ello permitirá la elaboración de un mapa de susceptibilidad a los movimientos de las laderas y/o los taludes, basado en los resultados de este análisis numérico. De esta forma, a los métodos tradicionales de análisis de la susceptibilidad, basados en el estudio de los factores condicionantes, se añadirían datos empíricos obtenidos con la modelización numérica, lo que reforzaría sin duda alguna la veracidad del análisis, suponiendo una novedad metodológica destacable. En el caso del área piloto de este proyecto, la Alpujarra, un estudio de estas características tiene un impacto socio-económico muy alto ya que posibilita la prevención de patologías en infraestructuras que son la única vía de comunicación entre núcleos de población. En una zona con una topografía tan abrupta y coeficientes de escorrentía tan altos como la Alpujarra, la erosión fluvial es un proceso muy activo, que puede producir acarcavamiento con velocidades de avance vertical y horizontal de decímetros a metros por año. Este proceso es, a su vez, el causante de inestabilidades, desprendimientos y deslizamientos en los pies de las laderas naturales y de los taludes antrópicamente generados y ligados a las obras lineales. El efecto de estas inestabilidades de ladera es el progresivo descalce del terreno hasta alcanzar zonas de media ladera e incluso de cabecera de las cuencas vertientes. Este efecto termina alcanzando a las poblaciones e infraestructuras Capítulo-01_Introducción Pág 9 (carreteras, canalizaciones, senderos, infraestructuras eléctricas, etc) situadas sobre las cuencas de drenaje con mayores tasas de erosión. Debido a las características geológico-tectónicas, geomorfológicas y climáticas de la zona piloto, los resultados de este proyecto son extrapolables a otras partes del mundo, como los Apeninos, Grecia, Marruecos o Latinoamérica, donde hay numerosas regiones que presentan características litológicas, orográficas y de infraestructuras similares a las de la Alpujarra de Granada. Capítulo-01_Introducción Pág 10 1.3.- OBJETIVOS El objetivo principal de este proyecto es investigar una serie de inestabilidades en torno a los taludes de infraestructuras lineales dezonas de montaña y su evolución a través de las nuevas tecnologías de captura de datos del terreno, con el fin último de validar una metodología de previsión y control de dichas inestabilidades extrapolable a cualquier parte del mundo que presente unas características geológicas, geomorfológicas y climáticas similares. Al durar este proyecto tan solo un año, los objetivos concretos a llevar a cabo serán: - Caracterización geológica y geomorfológica de las distintas inestabilidades de ladera a partir de una cartografía detallada a pequeña escala (1:5.000). Velocidad, factores condicionantes y desencadenantes. - Caracterización geotécnica y mineralógica de las distintas inestabilidades (propiedades mecánicas y composición mineralógica del material afectado por la inestabilidad y análisis muy detallado de la superficie de inestabilidad). - Elaboración de Modelos Digitales del Terreno (MDT) de alta precisión a partir de imágenes LIDAR y de Laser-Escáner terrestre de los sectores afectados por las inestabilidades. Este análisis, repetido durante tres años sucesivos, permitirá evaluar las velocidades globales de movimiento de las principales inestabilidades, la distribución de velocidades dentro de cada inestabilidad y variación a lo largo del tiempo. En este análisis, estimamos que alcanzaremos precisiones del orden del decímetro en los MDT generados con imágenes LIDAR y del orden del centímetro en los MDT generados a partir de imágenes adquiridas con el Laser-Escáner terrestre. - Volcado en ArcGIS de toda la información generada para el análisis espacial y temporal de la misma. - Análisis del tipo y características de medidas correctoras que pueden ser más eficaces para estas patologías. Capítulo-01_Introducción Pág 11 1.4.- ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO DE LOS TRABAJOS SOBRE INESTABILIDADES DE LADERA EN RELACIÓN CON INFRAESTRUCTURAS LINEALES Debido al elevado impacto económico que supone la pérdida de bienes y servicios así como el impacto social que supone la pérdida de vidas humanas, como consecuencia de los efectos derivados de los movimientos de ladera, son numerosos los trabajos de investigación, a nivel mundial, realizados sobre los movimientos de ladera, su afección a las infraestructuras lineales e intento de prevención y mitigación. Por la similitud con este proyecto, de toda la documentación consultada, destacan los trabajos de Jaiswal et al (2011) para el establecimiento de un modelo de peligrosidad al Sur de la India en una zona en la que coexisten una carretera y una vía de ferrocarril, donde se han inventariado más de 900 deslizamientos y en la cual los eventos de lluvias torrenciales son el factor desencadenante. También destaca el trabajo de Oztekin and Topal (2005) los cuales utilizan los Sistemas de Información Geográfica para la elaboración de un mapa de susceptibilidad, que sirva para la ejecución de medidas correctoras en las zonas de mayor riesgo en una carretera principal de Turkía, ensanchada y acondicionada por el rápido incremento de la población. En la misma línea destacan los trabajos de Suh et al (2011), Bunce et al (1997), Palma et al (2012). A nivel nacional destacan los trabajos de Azañón et al (2006) y Rodríguez-Peces et al (2011, 2013) los cuales utilizan la misma metodología propuesta para este proyecto para la predicción y mitigación de futuras reactivaciones de deslizamientos de ladera asociadas a principales vías de comunicación; y los trabajos de Irigaray et al (2000, 2010). Ayala et al, en 1987 ya publicó datos sobre el impacto económico y social de los riesgos geológicos en España para el periodo 1987-2016, indicando que las pérdidas por deslizamiento rondaban los 4,5 a 5,3 millones de euros, según la hipótesis de riesgo medio o alto respectivamente. Esta cifra se podría reducir con la identificación del problema y la aplicación de medidas de prevención y mitigación, reduciéndose las pérdidas al 90%. Los movimientos de ladera son los fenómenos naturales más predecibles y controlables en comparación con otros fenómenos como los terremotos (Brabb, 1991). Una de las principales medidas para la prevención y mitigación de las pérdidas producidas por los procesos de inestabilidad de ladera es la elaboración de mapas de inventario, susceptibilidad, peligrosidad y vulnerabilidad o riesgo del terreno (Corominas, 1987; Brabb et al, 1991; Chacón et a 1996; Chacón 2005 y 2006). Los mapas de susceptibilidad son los más adecuados para los movimientos de ladera, ya que muestran la distribución de la probabilidad espacial de que un proceso de riesgo tenga lugar en una localización específica durante un periodo de tiempo indeterminado. Proporcionan el “dónde” (Brabb, 1984). Sin embargo, un estudio completo debería analizar la peligrosidad. Se define “Peligrosidad”, de acuerdo con la terminología desarrollada por la comisión de movimientos de ladera de la Asociación Internacional de Ingeniería Geológica (IAEG) para el UNESCO, en 1978, (Varnes, 1984) como “la probabilidad de que suceda un fenómeno natural potencialmente dañino en un lugar y momento dados”. Los mapas de peligrosidad, en los que interviene la probabilidad temporal, deben proporcionar información sobre la probabilidad de ocurrencia de movimiento, tratan de dar información de “cuándo” se esperan los movimientos de ladera. Históricamente estos mapas no tenían capacidad de predecir la probabilidad temporal de ocurrencia (Corominas y Moya 2008). Pero se ha observado que se puede evaluar por el cálculo de la probabilidad de fallo de la pendiente o rotura del talud (Hoek, 2007), a través del análisis de frecuencia de movimiento en el pasado o reactivación de los mismos. La evaluación de la peligrosidad de la exposición a los movimientos de ladera constituye una valiosa herramienta en la planificación territorial, en la evaluación de la exposición a riesgos de las infraestructuras y poblaciones o para la protección civil, que no puede ser sustituida de forma directa por los mapas de susceptibilidad. Capítulo-01_Introducción Pág 12 Finalmente, los mapas de vulnerabilidad o riesgo indican el grado de afección de los bienes e infraestructuras (vulnerabilidad) o la valoración económica (riesgo).Tanto los mapas de peligrosidad como de vulnerabilidad o riesgo son más difíciles de obtener para este tipo de procesos. La estimación de la probabilidad de rotura del talud, en el caso de macizos rocosos implica un análisis cinemático previo, como base para la evaluación del factor de seguridad (Goodman y Bray 1976; Hoek y Bray 1981; Kumsar et al., 2000), ya que su estabilidad está controlada por la presencia de discontinuidades, cuya intersección genera los procesos inestables. Para la generación de mapas de peligrosidad en movimientos de ladera, no existe un procedimiento normalizado, sino que hay diferentes enfoques y metodologías en función de las necesidades. El incremento del espectro de los movimientos de ladera hace difícil la definición de una metodología única para determinar la peligrosidad frente a los movimientos de ladera (Guzzetti, 2002). La obtención del mapa de peligrosidad puede hacerse a través del mapa de susceptibilidad, derivado de la correlación entre el inventario de movimientos de ladera y los factores determinantes, por métodos estadísticos bivariantes-métodos de la matriz (De Graff y Romesburg, 1980; Irigaray 1995; Irigaray et al 1999 y 2007). Éste llevará implícito una medida de la magnitud de movimiento, ya que este método clasifica las zonas, de alta o baja susceptibilidad, en función del área movilizada en cada combinación de clases de factores determinantes. Por lo que respecta a la susceptibilidad (que expresa la mayor o menor tendencia del terreno a la generación de movimientos de ladera) puede ser evaluada pordos métodos: 1) métodos basados en técnicas y/o modelos fundamentados en las leyes físicas y mecanismo de equilibrio de fuerzas, y 2) métodos basados en técnicas estadísticas fundamentadas en el principio del actualismo, donde los SIG son de gran utilidad. A su vez en el análisis de susceptibilidad a los movimientos de ladera en SIG se diferencias distintas metodologías: 2.1 métodos empíricos, 2.2 métodos estadísticos cuantitativos (multivariante y/o bivariante) y 2.3 métodos basados en parámetros físicos o métodos deterministas. La aparición del SIG ha constituido un adelanto en el proceso de estudio del medio físico, en general, y de la inestabilidad regional de las vertientes en particular. Pero, debido al carácter genérico del SIG, se precisa de aplicaciones concretas enfocadas al problema de inestabilidad de vertientes. En este sentido se han creado diferentes herramientas específicas para la estimación de la estabilidad como: SINMAP (Pack et al, 1998, SHALSTAB (Montgomery y Dietrich, 1994), AHP (Marinoni, 2004), Arc-SDM (Kemp et al, 2001), L-SVm (Jiménez- Perálvarez et al, 2009), GISLAN (Azañón et al, 2006). Como se ha indicado en párrafos superiores, la metodología desarrollada en un SIG ofrece facilidad para la elaboración de mapas de susceptibilidad y peligrosidad ante movimientos de ladera, sin embargo, son menos frecuentes los ejemplos en taludes rocosos (Irigaray et al 2003, 2010). La estabilidad de taludes rocosos ha sido aproximado por diferentes métodos (Scavia et al, 1990; Griffith y Lane, 1999; Chen et al, 2007) entre los que destacan: 1) Análisis Cinemático: método geométrico que determina los distintos tipos de rotura posibles, según las relaciones angulares entre las discontinuidades y el talud, los resultados únicamente indican si la rotura es o no geométricamente posible. Se utiliza la de proyección estereográfica. 2) Método de Equilibrio Límite: indica que la rotura de una roca fracturada se produce a lo largo de una superficie de discontinuidad cuando el esfuerzo de cizalla supera la resistencia Capítulo-01_Introducción Pág 13 a la cizalla sobre la superficie de rotura. Este tipo de análisis e ha realizado tradicionalmente mediante el cálculo determinista del Factor de Seguridad. Entre los mapas de peligrosidad publicados se pueden diferenciar: mapas basados en series temporales o eventos singulares de movimientos de ladera y cantidad de lluvia (obtenidos a partir de mapas de densidad de movimientos de ladera o a partir de mapas de susceptibilidad) (Carrasco et al, 2003; Corominas et al, 2003; Remoldo et al, 2004), y mapas basados en el análisis de terremotos de magnitud y periodo de retorno conocido y de los movimientos de ladera desencadenados. Para calcular la probabilidad de ocurrencia de los movimientos de ladera durante un periodo establecido, por lo general, se obtiene de los catálogos de movimientos históricos (Guzzetti et al, 2005). En las últimas dos décadas, la mejora en los procedimientos de captura automática de datos, metodologías de análisis y tratamiento, y en los equipos capaces de realizar operaciones complejas han supuesto un avance importante en la estimación de la peligrosidad a los movimientos del terreno. Igualmente importante es el empleo de técnicas precisas de adquisición de datos como la instrumentación topográfica, GPS, Láser Escáner, fotogrametría terrestre y aérea, los sistemas LIDAR, y teledetección (con sensores de alta resolución) que permiten el análisis preciso de los movimientos de ladera. Entre estas técnicas la fotogrametría aérea digital o los sensores remotos de alta resolución son los más adecuados para la delimitación y cartografía precisas de los movimientos de ladera, especialmente en áreas con una cubierta vegetal continua en las que las huellas de los movimientos de ladera se pueden seguir sin dificultad. Los análisis posteriores son llevados a cabo en SIG. Existen varios trabajos de referencia de la última década que han utilizado vuelos fotogramétricos de diferentes fechas para identificar y medir el desplazamiento y la deformación de la masa deslizada en grandes flujos de movimiento lento (Baldi et al., 2008; Corsini et al., 2009; Prokesova et al., 2010.; Fabris et al, 2011). Se ha llegado a explotar la técnica fotogramétrica para generar MDTs mediante fotografías aéreas antiguas, aumentando así el intervalo de tiempo estudiado y observando cambios más significativos en las laderas. Hapke (2005) aplica esta técnica para analizar el cambio de las laderas a lo largo de diversos tramos de la costa del llamado Big Sur de California alguno de ellos atravesados por la autopista I-1. La posibilidad de utilizar imágenes de vuelos antiguos ofrece una capacidad a esta técnica que todavía no poseen los métodos más modernos de teledetección utilizados para el estudio de la inestabilidad de laderas. Con respecto a la utilización de drones (UAV) para la obtención de fotografías aéreas de alta resolución, se han encontrado varias publicaciones recientes que hacen referencia al estudio de los deslizamientos mediante esta nueva tecnología. Niethammer et al. (2012) y Stumpf et al. (2013) estudian el deslizamiento de Super-Sauze en los Alpes franceses mediante un MDT de muy alta resolución obtenido con la citada técnica. Pueden medir desplazamientos e identificar grietas a lo largo de la ladera similares a las crevasses de los glaciares. Lucieer et al. (2013). Debido a lo novedoso de esta técnica y a la necesidad de realizar un análisis sobre su aplicabilidad, los estudios llevados a cabo tan solo se han centrado en deslizamientos activos sobradamente conocidos que presentan una morfología clara y unas dimensiones significativas. No se han encontrado publicaciones donde se haya aplicado la técnica a zonas más complejas o a un caso similar a nuestro objeto de estudio. En cuanto a la aplicación principal del Láser Escáner al estudio de los movimientos de ladera destaca la caracterización de taludes rocosos mediante la elaboración de perfiles precisos y el Capítulo-01_Introducción Pág 14 cálculo de las orientaciones de las discontinuidades (Bornaz et al., 2002; Slob et al., 2002). Por otro lado, obteniendo varias reconstrucciones tridimensionales de taludes o paredes rocosas a partir de TLS se pueden observar cambios producidos por deformaciones difícilmente percibidas a simple vista (Teza et al. 2007; Monserrat and Crosetto 2008; Abellan et al. 2009; Oppikofer et al. 2009). Por tanto, el TLS está indicado principalmente para el estudio de desprendimientos de rocas, aunque también ha sido aplicado a la delineación de los límites de grandes deslizamientos y estimar su volumen (Corsini et al., 2009; Dunning et al., 2009). La aplicación específica de esta técnica al estudio de taludes de carreteras se refleja en trabajos como los de Dunning et al. (2009), Sturzenegger et al. (2011) o Ye Duan et al. (2011). Todos ellos describen como la técnica del TLS se ha utilizado para obtener las orientaciones de las discontinuidades del macizo rocoso y a partir de ellas definir la geometría y modo de los posibles deslizamientos/desprendimientos en diversos tramos de carreteras del Himalaya, autopistas que atraviesan las montañas rocosas en Canadá y en Estados Unidos. Recientemente, el potencial de esta técnica al caso de estudio propuesto viene justificada por el trabajo presentado por Hernández et al. (2012). Estos autores mediante dos campañas TLS, llevadas a cabo en un intervalo de 14 días, logran detectar deformación en un talud de la autopista A-44 que ya se había deslizado a causa de las lluvias en el invierno 2009/10. Además, con los datos obtenidos pueden estimar el volumen del material movilizado. En la actualidad, los sistemas LIDAR son una de las técnicas de estudio de deslizamientos queestá teniendo un mayor desarrollo (Carter et al. 2001; Slob et al. 2002; Haugerud et al. 2003; Slob and Hack 2004). Evidencia de ello son los numerosos trabajos publicados en las revistas especializadas en el ámbito internacional. Los MDTs de alta resolución obtenidos mediante LiDAR se aplican en la cartografía e inventario de deslizamientos (Ardizzone et al. 2007; Jaboyedoff et al. 2008a), monitoreo de la deformación en laderas (Gordon et al. 2001), estimación de velocidades de desplazamientos en flujos lentos (Teza et al. 2007; Oppikofer et al. 2008; Abellan et al. 2010) e incluso a análisis estructural a escala regional que puede ser utilizado en análisis de desprendimientos de rocas para reconocimiento de areas fuente y definición de modos y geometrias de desprendimiento (Jaboyedoff et al. 2009b). La incorporación de los MDTs derivados de datos LiDAR han supuesto también la mejora de modelos de susceptibilidad de deslizamientos basados en técnicas estadísticas (Chigira et al. 2004; Haneberg et al. 2005; Jaboyedoff et al. 2008a) y de la modelización dinámica de procesos como los desprendimientos, deslizamientos y flujos de derrubios (Janeras et al., 2004; Agliardi and Crosta 2003; Lan et al. 2007; Horton et al., 2008; Stolz and Huggel, 2008). A pesar a la amplia bibliografía dedicada a la aplicación del LiDAR a los deslizamientos, no se han encontrado trabajos específicos sobre la aplicación de esta técnica a taludes de carreteras. En algunos casos, los MDTs obtenidos mediante LiDAR son utilizados en tramos de carreteras para identificar los deslizamientos preexistentes o forman parte de los datos de entrada de modelos estadísticos utilizados para generar modelos de susceptibilidad. Capítulo-01_Introducción Pág 15 Figura 1.1.- A) Resta entre los modelos digitales generados a partir de LIDAR aerotransportado en vuelos realizados en Noviembre de 2005 y Noviembre de 2007 (Azañón et al., en prensa). La escala de colores refleja en metros las elevaciones del terreno (colores amarillos y rojos) y los hundimientos o la erosión (colores azules y morados) entre ambas fechas. Obsérvese como se marca en cabecera, parte izquierda, el abombamiento del terreno que rompió en el año 2010 produciendo la reactivación parcial del deslizamiento (Rodríguez-Peces et al., 2013) Capítulo-01_Introducción Pág 16 Un ejemplo de aplicabilidad de la metodología propuesta en este proyecto, ya utilizada en infraestructuras lineales, y que ha sido llevada a cabo por este equipo de investigación (Azañón et al, 2006), fue el deslizamiento de Diezma, en la Autovía A-92 a su paso por la localidad de Diezma (Granada) (Fig. 1.1). Para este proyecto se contrató el primer vuelo equipado con la tecnología LIDAR aerotrasportada realizado en España. La aplicación de técnicas de teledetección, interferometría SAR Diferencial (DInSAR), fotogrametría y LIDAR, supuso un paso importante en el estudio del terreno con fines constructivos, así como en el estudio de los riesgos geológicos que amenazan a las redes de infraestructuras. El uso integrado de estas técnicas con fotogramas históricos puso en manos de las administraciones una herramienta de inmenso valor en la fase de planificación de grandes obras lineales, así como en el estudio y seguimiento de puntos conflictivos desde el punto de vista de la estabilidad. Tras la realización de una reconstrucción de la historia del deslizamiento, con el cálculo de los factores de seguridad en las distintas fases (Rodríguez-Peces et al, 2011), junto con el análisis de la efectividad de las medidas de contención y aplicación de tecnologías de teledetección, fotogrametría y sistemas LIDAR, los resultados predijeron una futura reactivación del deslizamiento como consecuencia de futuros eventos de lluvias torrenciales o terremotos de 4.0-5.0 de magnitud, predicción que se cumplió 5 años después tras un importante evento de precipitación (Rodríguez-Peces et al., 2013). Capítulo-02_Metodología Pág 17 CAPÍTULO 2.- METODOLOGÍA A continuación se realiza una descripción de los métodos utilizados en el estudio del tramo de la carretera A-348 comprendida entre las poblaciones de Torvizcón-Cádiar. Primero se realiza una descripción general de cada metodología con respecto a su aplicación en el estudio de la inestabilidad de las laderas y posteriormente se realiza una explicación de los procedimientos específicos utilizados en este proyecto. En este trabajo se ha trabajado a diferentes escalas, con diferentes tecnologías y en varios intervalos temporales: a) el que coincide con la duración del proyecto (máximo 15 meses) y b) el periodo 2001-2015 para observar tanto las modificaciones realizadas sobre la carretera como el periodo de lluvias intensas que desencadenó la mayor parte de los deslizamientos en el tramo estudiado El primer periodo que coincide con la duración del proyecto ha sido el elegido para recabar los datos principales de este proyecto. Se han utilizado las técnicas que permiten obtener modelos digitales del terreno de alta resolución a través de métodos Láser (aéreos y terrestres), así como técnicas fotogramétricas clásicas pero que permiten llegar a una alta precisión (no tripuladas). Durante el segundo periodo se han analizado imágenes de archivo del tramo de carretera estudiado mediante técnicas fotogramétricas y de teledetección. Con respecto a las primeras, se utilizarán los vuelos y modelos digitales del terreno disponibles para analizar posibles diferencias en el terreno. Con respecto a las técnicas de teledetección se han analizado imágenes de los satélites SPOT y aplicado la interferometría sobre las imágenes radar de los satélites ENVISAT y ALOS. Además se han realizado diversas campañas de campo para determinar las zonas de inestabilidad, caracterizar su volumen, la deformación producida y el tipo de rotura. Este inventario de campo se ha cotejado además con los datos obtenidos del análisis de las imágenes satelitales, imágenes aéreas, modelos digitales del terreno multitemporales y con los datos pluviométricos. 2.1.- ESTUDIO DE CAMPO A lo largo del proyecto se han llevado a cabo continuas campañas de campo para apoyar los trabajos de gabinete. Los estudios de campo han sido los siguientes: a) Confección de un inventario de patologías en el tramo de carretera A-348 relacionadas con actividad de deslizamientos. Se ha explorado con detalle todo el tramo estudiado en busca de daños y afecciones ocasionadas por los movimientos de ladera. Parte de esta información ha servido de apoyo para realizar los trabajos posteriores como el inventario de deslizamientos o el análisis de las medidas de contención/prevención existentes en la carretera. Por otro lado, ha sido utilizada de base para hacer un análisis comparativo de las patologías existentes en los en los años 2009/2010. b) Elaboración de un inventario de deslizamientos. Se ha realizado un inventario de deslizamientos mediante visitas de campo apoyadas por la fotointerpretación de fotos aéreas, el inventario de patologías y el estudio detallado de los modelos digitales del terreno. En este caso, el trabajo de campo se realizó para observar el estado actual de las Capítulo-02_Metodología Pág 18 laderas afectadas por deslizamientos y comprobar los datos obtenidos por el resto de metodologías. c) Levantamiento de estaciones geomecánicas. Debido a que las condiciones de afloramiento en la zona de estudio no son las mejores aunque se esté analizando un macizo rocoso, se llevaron a cabo diversas visitas al campo para inspeccionar el tramo de carretera y localizar los puntos más adecuados para realizar el mayor número posible de estaciones geomecánicas. Estas últimas se levantaron en diversas campañas decampo que han servido de base para los análisis cinemáticos y de estabilidad. Capítulo-02_Metodología Pág 19 2.2.- DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE REFERENCIA Un peso importante del proyecto recae en las técnicas geodésicas. Por ello, antes de explicar las diferentes metodologías es importante definir el sistema de referencia y marco de referencia en el que van a estar los datos con los que se va a trabajar, tema esencial cuando se trata de datos de diferente procedencia: Fotogrametría Aérea, UAV, TLS, ALS, Fotogrametría Histórica y LiDAR. La georreferenciación de los datos es unos de los temas más importantes y delicados, cuando se quiere hacer cualquier estudio multitemporal, ya que el nivel de calidad en la georreferenciación influye directamente en los resultados finales del estudio. Desde una perspectiva de la calidad de la Información Geográfica (IG), el aspecto posicional de la información geográfica es definitorio y por ello es el elemento de la calidad de los datos espaciales más extendido y evaluado por las organizaciones productoras de cartografía. Se necesita una buena calidad posicional cuando se van a utilizar de manera conjunta Conjuntos de Datos Geográficos (CDG), como ocurre en nuestro caso. Comportamientos posicionales diferentes de los CDG significan la existencia de una distorsión posicional entre ellos, y una barrera a la interoperabilidad efectiva de los mismos, aspecto muy importante en estudios como el que se trata en este proyecto. Por lo tanto, lo primero a realizar es la elección del Sistema y Marco de Referencia Geodésico. En este caso se ha elegido el oficial en España según Real Decreto 1071/2007 de 27 de Julio “Se adopta el sistema ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989) como sistema de referencia geodésico oficial en España para la referenciación geográfica y cartográfica en el ámbito de la Península Ibérica y las Islas Baleares. En el caso de las Islas Canarias, se adopta el sistema REGCAN95. Ambos sistemas tienen asociado el elipsoide GRS80 y están materializados por el marco que define la Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales, REGENTE, y sus densificaciones”. En cuanto a la referencia Altimétrica se ha elegido la altura elipsoidal con respecto al elipsoide oficial GRS80. Para el proceso de georreferenciación se ha utilizado como instrumentación equipos GNSS (GNSS Leica System 1200 y Leica VIVA GS15) facilitados por la Universidad de Jaén (Fig. 2.1), materializando y observando bases de referencia en la zona de estudio, mediante Método Estático Diferencial (Fig. 2.2). Se ha utilizado Estaciones GNSS permanentes de la Red Andaluza de Posicionamiento (RAP) (Fig. 2.3). Figura 2.1.- Equipo GNSS de la Universidad de Jaén Capítulo-02_Metodología Pág 20 Figura 2.1.- Continuación Capítulo-02_Metodología Pág 21 Figura 2.2.- Método estático diferencial El Método Estático Diferencial consiste en el clásico posicionamiento para la medida de distancias con gran precisión (5mm + 1ppm) en el que dos o más receptores se estacionan y observan durante un periodo mínimo de media hora, una o dos (o más), según la redundancia y precisión necesarias, y en función de la configuración de la constelación local y distancia a observar. Los resultados obtenidos pueden alcanzar precisiones muy altas, teóricamente hasta niveles milimétricos. Este método es el empleado para medir distancias mayores de 20 kilómetros con toda precisión (Fig. 2.3). En este caso, se ha utilizado la estación de Granada y Motril, por lo que se tienen distancias aproximadas de 20-40 km. El tiempo de observación mínimo por base ha sido de 2 horas. Figura 2.3.- Estaciones permanentes de la Red Andaluza de Posicionamiento (RAP) Capítulo-02_Metodología Pág 22 Conocidas las coordenadas espaciales de estas bases, la observación de los demás puntos necesarios para el desarrollo del trabajo (Puntos de Control (PC)) se ha realizado mediante método RTK (Fig. 2.4). Este método consiste en la obtención de coordenadas en tiempo real con precisión centimétrica (1 ó 2 cm + 1ppm). Usualmente se aplica este método a posicionamientos cinemáticos, aunque también permite posicionamientos estáticos. Es un método diferencial o relativo. El receptor fijo (bases anteriores) o referencia estará en modo estático en un punto de coordenadas conocidas, mientras el receptor móvil o “rover”, es el receptor en movimiento del cual se determinarán las coordenadas en tiempo real. Precisa de transmisión por algún sistema de telecomunicaciones (vía radio-modem, GSM, GPRS, por satélite u otros) entre REFERENCIA y ROVER, hecho que restringe la utilización de este método (dependencia del alcance de la transmisión). Capítulo-02_Metodología Pág 23 Figura 2.4.- Método RTK para la observación de Puntos de Control (PC) Capítulo-02_Metodología Pág 24 2.3.- MÉTODOS LÁSER Los métodos Láser son técnicas de teledetección en las que se calcula la distancia existente entre el equipo de medición y el terreno mediante la medición del tiempo que tarda el pulso láser en alcanzar una superficie y volver de nuevo al equipo. Los principios y fundamentos teóricos y prácticos de estos métodos vienen recogidos en dos libros de reciente publicación: Topographic laser ranging and scanning (Shan and Toth, 2008) y Laser Scanning for the Environmental Sciences (Heritage and Large, 2009). Jaboyedoff et al. (2012), en la revista científica internacional Natural Hazards, realiza una completa revisión de las aplicaciones de estos métodos aplicados al estudio de los movimientos del terreno, incluyendo una pequeña reseña a los citados libros de referencia. Este trabajo de revisión incluye algunas consideraciones de interés: - Los MDT de alta resolución generados a partir de los datos obtenidos por escáneres láser probablemente serán en el futuro una herramienta esencial para el análisis de movimientos de ladera. - La tendencia actual indica que los países más desarrollados podrán tener MDTs de alta resolución de su superficie en los próximos 10 años. Actualmente, el Instituto Geográfico Nacional (IGN) ya tiene disponible un MDT de 5 m de resolución del territorio nacional elaborado mediante tecnología LiDAR. Esto abre grandes posibilidades a la hora de inventariar y estudiar deslizamientos. - Los sistemas de captura de información (i.e. sensores láser) han tenido un amplio desarrollo en los últimos años pero el problema actual es el tratamiento de la gran cantidad de datos que generan. - Los MDTs de alta resolución abren un amplio abanico de posibilidades para analizar los fenómenos de inestabilidad de laderas incrementando rápidamente sus aplicaciones y mejorando los resultados de la modelización de estos procesos. - Las aplicaciones de los métodos láser a los movimientos de ladera es un tema de investigación de rápido desarrollo con el potencial de continuar ofreciendo resultados innovadores a lo largo de los próximos 5-10 años. Por las razones expuestas, la exploración de las diversas aplicaciones de estos métodos para el estudio de la estabilidad de taludes tiene un gran interés dado su potencial, para generar resultados innovadores desde el punto de vista teórico y aplicado. Los métodos láser aplicados a deslizamientos engloban el escáner láser montado sobre plataforma terrestre (Terrestrial Laser Scanner, TLS) y aérea (Laser Imaging Detection and Ranging, LiDAR). A continuación se describen estos dos grupos de técnicas, haciendo mención a comentarios específicos incluidos en la revisión de Jaboyedoff et al. (2012) y ejemplos de su aplicación a problemas similares a nuestro caso de estudio, inestabilidades de taludes de carreteras.2.3.1.- Escáner láser montado sobre plataforma terrestre (Terrestrial Laser Scanner, TLS): El escáner Láser montado sobre plataforma terrestre está constituido por un emisor láser y dos espejos inclinados. Como se ha indicado, la distancia entre el equipo y el escenario estudiado se mide a partir del tiempo que tarda el pulso láser en alcanzar el escenario y volver de nuevo al equipo. La posición relativa del punto del escenario radiado se determina a partir de la medida de la desviación de los espejos. Además, la fuerza de la señal de retorno puede ser utilizada a su vez para conocer las características espectrales del objeto irradiado (Tomás et al., 2005). En una sola sesión se pueden tomar sin esfuerzo un millón de medidas que necesitan un tratamiento posterior para Capítulo-02_Metodología Pág 25 elaborar un MDT de alta precisión. La densidad de puntos normalmente está en el rango entre 0.5 y 100 puntos/m2 (Jaboyedoff et al., 2012). Para la realización de los trabajos con TLS se han utilizado los escáneres laser terrestres Optech- Ilris 3D y Leica C10, facilitados por la Universidad de Jaén (UJAEN) y el Grupo de Investigación Sistemas Fotogramétricos y Topométricos (SFT http://coello.ujaen.es/investigacion/websft/) de la UJAEN. Además, a estos instrumentos se han acoplado equipos GNSS (citados anteriormente) para la obtención de la posición en cada escaneo. A continuación se describen sus características (Fig. 2.5) : Alcance entre 3 y 1500 m Velocidad de Almacenamiento de 2500 puntos/seg Precisión en distancias de 7mm/100m Precisión posicional de 8mm/100m Campo de visión de 40⁰ x 40⁰ Cámara digital integrada (sensor CMOS) Alcance entre 0.1 y 300 m Velocidad de almacenamiento de hasta 50,000 puntos/seg Precisión en distancias de 6mm/50m Precisión en posición de 4mm/50m Campo de visión de 360⁰ x 270⁰ Cámara digital de 4 Megapíxeles Compensador de doble eje http://coello.ujaen.es/investigacion/websft/ Capítulo-02_Metodología Pág 26 Figura 2.5.- Foto de los escáneres laser terrestre Optech-Ilris 3D y Leica C10 y características de estos Para comprender mejor la metodología de trabajo se muestra un esquema del flujo general de trabajo con TLS (Fig. 2.6). Figura 2.6.- Esquema del flujo general de trabajo con TLS La primera parte de este esquema, “capturas de datos”, es en la que se centra este apartado. En esta etapa se debe tener en cuenta la situación y características del objeto a analizar, así como los datos que son necesarios obtener para conseguir los objetivos finales planteados. Lo más habitual es que se necesite realizar más de un escaneado para poder cubrir la totalidad del objeto y evitar las oclusiones. Además de la nube de puntos, se ha de valorar el tomar más datos adicionales ya que estos podrían servir para mejorar el resultado final, dar robustez a los modelos matemáticos que se apliquen, etc. Capítulo-02_Metodología Pág 27 El esquema de trabajo seguido para la realización de esta etapa consta de los siguientes apartados, para cada captura de datos (Fig. 2.7): Escáner montado sobre trípode y base nivelante Dos o más escaneados por zona Resolución media de escaneado (separación media entre puntos) de 2 a 5 cm Determinación mediante GNSS de la posición (X,Y,Z) del escáner en cada estación de escaneado Colocación en las zonas de dos o más dianas y medición de coordenadas de sus centros ’ Figura 2.6.- Esquema de trabajo en la captura de datos Un factor muy importante a tener en cuenta cuando se trabaja con TLS es saber a qué resolución se quiere trabajar, ya que en función de la resolución aumenta o disminuye el tiempo de captura de Capítulo-02_Metodología Pág 28 datos y el procesamiento de estos (se estima que por cada hora de captura de datos mediante TLS, son dos horas de procesamiento de los mismos). Otro factor a tener en cuenta es el entorno de trabajo. En este proyecto, al tener que estudiar los taludes de una carretera se han tenido que buscar zonas en los cuales se pueda aparcar sin obstaculizar el tráfico. Este factor condicionará el tipo de escáner a utilizar (alcance, campo de visión, etc.) así como el número de escaneados a realizar para cubrir la totalidad del talud. Para este proyecto se han realizado un total de 27 escaneos en los taludes de la carretera Torvizcón- Cádiar. 2.3.2.- Escáner láser aerotransportado (Laser Imaging Detection and Ranging, LiDAR): Un sistema LIDAR es un sistema complejo de componentes electrónicos compuesto por un emisor/receptor y un escáner láser muy potente, un receptor GPS que proporciona la posición y la altura del avión en cada momento, y un sistema inercial (IMU) que informa de los giros del avión y de su trayectoria (Fig. 2.7). El elemento principal de un sistema LIDAR es el escáner láser, que va aerotransportado y emite pulsos de luz infrarroja que servirán para determinar la distancia entre el sensor y los puntos del terreno. La longitud de onda de estos pulsos varía entre 500 y 1.500 nm, y su energía oscila entre los 10-5 y 10-3 J. A partir del tiempo que ha tardado cada rayo en ir y venir y de la velocidad de la luz, se deduce con facilidad la distancia a la que está el objeto estudiado. Aunque la toma de datos se puede realizar desde un avión o un helicóptero, la utilización de un helicóptero permite volar más lento, volar a diferentes alturas y, por tanto, obtener mayor densidad de puntos. Figura 2.7.- Esquema general de un Sistema LiDAR Aéreo Capítulo-02_Metodología Pág 29 Durante el vuelo, se toman medidas en los tres subsistemas de los que dispone el LiDAR: GPS, IMU y ALS (Airborne Laser Scanning) de forma independiente pero con una etiqueta de tiempos acorde con el tiempo GPS. Estas etiquetas serán las que permitan sincronizar todas las medidas en postproceso. Además de las medidas realizadas con el láser, es necesario conocer las coordenadas de la antena GPS y la posición del ALS respecto a esta antena para poder dotar de coordenadas WGS84 a los puntos del terreno. Las coordenadas de la antena en cada instante se conocerán después de hacer el postproceso en gabinete y la distancia entre ambos sistemas se habrá medido previamente con una estación total o con un distanciómetro de precisión. Finalmente, la orientación entre la antena GPS y el centro del ALS vendrá dada por los sistemas inerciales. Después del vuelo los datos GPS y los datos IMU se integran mediante un filtro Kalmann para determinar la trayectoria del vuelo y los giros en cada instante. Estos elementos más el ángulo de salida que ha formado el pulso láser con respecto a la vertical, se combinan para determinar la línea imaginaria que ha descrito el pulso láser en el espacio. Finalmente, la longitud del camino descrito por el rayo, los giros definidos por los sistemas inerciales y la posición del escáner láser obtenida a partir de las medidas GPS, se utilizarán para determinar las coordenadas WGS84 de los puntos medidos. Una vez se ha llegado a este punto se tienen que realizar dos conversiones más, del sistema WGS84 al datum nacional, y el paso de alturas elipsódicas a cotas ortométricas. Este procesamiento es necesario por varias razones, la más importante es porque asegura que los resultados pueden ser proporcionados en el sistema de referencia elegido por el cliente. Así todos los sistemas GPS utilizan el sistema de referencia WGS (World Geodetic System) o equivalentes como el ETRF que habitualmente deben ser transformados al sistema nacional, en el caso de nuestro país coordenadas UTM con datum de referencia ED50, mediante las transformaciones basadas en el empleo de los vértices de la red REGENTE.Los sistemas LIDAR son capaces de capturar grandes conjuntos de datos proporcionando un gran detalle en la representación de la superficie del terreno. La ventaja de la captura es aún mayor cuando se plantea que dicha captura se efectúa mediante medida directa (medida de distancias mediante un dispositivo láser). Por otro lado, otro aspecto importante a tener en cuenta que se trata de un sensor activo por lo que los datos pueden ser capturados en condiciones consideradas como desfavorables por otros sensores (cámara fotográfica, por ejemplo). Así es posible el trabajo con sistemas LIDAR durante la noche, las únicas limitaciones prácticas son las que provocan problemas en la transmisión de la luz a través de la atmósfera como es el caso de lluvia, niebla o nevadas. Como ventajas del LIDAR cabe destacar: -Obtención directa de medidas de elevación del terreno -Permite obtener datos atravesando los distintos elementos que encuentre el láser hasta llegar al terreno -Trabajo a cualquier hora del día, incluso de noche -No necesita buenas condiciones de climatología -Alta densidad de puntos medidos. -Altas precisiones y fiabilidad del sistema -Menos problemas de ocultación -Tiempos cortos de grabación y de proceso de datos -Configuración estable del equipamiento mecánico Capítulo-02_Metodología Pág 30 -Proceso productivo más corto -Eliminación de la fase fotogramétrica de correlación para la obtención del MDT. -Obtención directa de la ortofotografía a partir del vuelo y el MDT. -Económico para grandes áreas de trabajo -Alta precisión de los modelos generados en torno a 15 cm Como inconvenientes se puede destacar: -Su coste económico -Procesado de gran cantidad de datos. -Mayor tiempo de vuelo que para un vuelo fotogramétrico, la superficie que abarca en una pasada no es la misma que una fotografía, por lo que para cubrir la misma zona que con un vuelo fotogramétrico hay que sobrevolar la zona más veces. -La precisión a escalas muy grandes puede ser problemática, ya que depende demasiado de la calidad del sistema inercial -Problemas para la delimitación automática de líneas de ruptura, debiendo ser extraídas mediante otros métodos como, por ejemplo, sistemas fotogramétricos Capítulo-02_Metodología Pág 31 2.4.- MÉTODOS FOTOGRAMÉTRICOS La fotogrametría es una técnica utilizada para determinar la geometría de los objetos a partir de imágenes fotográficas. Básicamente es un método de medición de coordenadas 3D que utiliza fotografías junto con puntos de referencia topográficos. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada en topografía para generar modelos digitales del terreno (MDT) mediante fotografías aéreas. Existen dos métodos fotogramétricos principales. El primero de ellos es la fotogrametría terrestre, o de corto alcance, en la que, como su nombre indica, los pares de fotogramas se obtienen desde tierra estacionando el instrumental a distancias inferiores a 200 metros de la zona a restituir, proporcionando una precisión de hasta 40 mm (Tomás et al., 2005). Este es un sistema especialmente adaptado a procesos de desprendimientos y deslizamientos superficiales que ocupan áreas reducidas como aquellos que afectan a paredes rocosas o taludes. Esta técnica, además de útil para medir discontinuidades en zonas de difícil acceso o peligrosas, presenta costes menores, en comparación con técnicas más modernas como el escáner láser terrestre, y sus equipos e instrumentos son fácilmente transportables (Haneberg, 2008). No obstante, los nuevos métodos láser de medida han dejado en un segundo plano a esta técnica aunque puede ser complementaria a ellos. El trabajo de Haneberg (2008) sirve de referencia sobre la aplicación la fotogrametría terrestre a carreteras. En su artículo describe dos casos de estudio centrados en el análisis de taludes de dos autopistas de Estados Unidos. La fotogrametría aérea o satelital, también denominada de largo alcance, constituye el segundo método fotogramétrico. En este caso, la cámara se sitúa sobre una plataforma espacial (satélite) o aérea (avión o helicóptero). La fotogrametría satélite obtiene precisiones bajas para analizar movimientos de ladera por lo que la técnica utilizada habitualmente para estudiar este tipo de fenómenos es la fotogrametría aérea, tomando fotografías a una la altura de vuelo inferior a 1000 metros. La precisión obtenida con la fotogrametría aérea es de unos 100 mm, barriendo amplias áreas (Tomás et al., 2005). Mediante el procesado de las imágenes obtenidas se pueden obtener MDTs de alta precisión que pueden ser utilizados para el análisis a escala de ladera. Además, la comparación de los MDTs obtenidos en diferentes intervalos de tiempo a través de esta técnica, permite identificar los cambios superficiales que se han producido en una zona. La principal ventaja de la fotogrametría es que permite obtener una visión global de la zona deformada y no sólo de algunos puntos de la misma, tal y como ocurre con otros métodos de control de deformaciones (Tomás et al., 2005). La última y más innovadora aplicación de la fotogrametría aérea es la utilización de fotografías aéreas de alta resolución obtenidas mediante un vehículo aéreo no tripulado (VANT) o dron (Unmanned Aerial Vehicles, UAV). Para este proyecto se han recopilado los vuelos fotogramétricos correspondientes a las campañas de 2013, 2010, 2008, 2004 y 2001 procedentes de la Universidad de Jaén, IECA e IGN (Tabla 1). Los datos fotogramétricos utilizados presentan una resolución del modelo de 2 m. Capítulo-02_Metodología Pág 32 Tabla 1 Fecha de las campañas de fotogrametría solicitadas a los distintos organismos y su estado/incidencias Hay que tener en cuenta, tanto para los modelos fotogramétricos como para los modelos obtenidos mediante LiDAR, que es de gran importancia la correcta correspondencia entre las campañas de estudio para obtener resultado correctos en los deslizamientos, y que no sean errores provocados por la falta de correspondencia entre sistemas. Por este motivo de forma similar a lo realizado para los vuelos LiDAR, para los vuelos fotogramétricos se ha llevado a cabo un proceso de orientación y conflacción de los resultados en un mismo sistema de referencia. El primer síntoma de que dos campañas no se encuentran en el mismo sistema de referencia, es que el histograma de diferencias no se encuentra centrado en el 0, de manera que si aparece un offset es indicador que los modelos no están nivelados, pudiendo ser este error altimétrico, planimétrico o un conjunto de ambos. Una vez centrado, debemos comprobar la desviación típica de esos valores, de manera que datos con una mayor desviación típica serán más difíciles de detectar las diferencias, debido a que el valor de la incertidumbre que se introduce es mayor que para conjuntos de datos con menores desviaciones típicas. Figura 2.8.- Histogramas de una misma zona. Datos LiDAR en azul y fatos Fotogramétricos en rojo Campaña Origen Tipo Datos Incidencia 2013 IGN Fotogrametría Orto y Modelos Terminiados 2010 IGN Fotogrametría Orto y Modelos Terminiados 2008 IGN Fotogrametría Orto y Modelos Terminiados/ Orto de mala calidad 2008 IECA Fotogrametría Imágenes pendientes de tratar por su mejor calidad 2004 IECA Fotogrametría Imágenes pendientes de tratar 2001 IECA Fotogrametría Orto y modelo casi terminado Capítulo-02_Metodología Pág 33 Para corroborar esto aquí tenemos dos histogramas de una misma zona para diferencias obtenidas con datos LiDAR (Azul) y con datos fotogramétricos a 2 metros de equidistancia (Rojo) (Fig. 2.8). Esto se corresponde a los resultados obtenidos de manera visual, ya que es mucho más sencilla la detección de movimientos en los modelos LiDAR que en los fotogramétricos,debido a la mayor incertidumbre que poseen éstos por su menor resolución y consecuente suavizado de las superficies. Para la mayoría de los vuelos se han realizado dos niveles de orientación fotogramétrica, uno solo con puntos de control altimétricos y una posterior con putos de control completos (altimétricos y planimétricos. Sin embargo, para el vuelo 2001 se han hecho tres niveles de orientación primero comparando el modelo obtenido a partir de la orientación inicial con el LiDAR, el segundo comparando el modelo obtenido a partir de la orientación del vuelo con puntos de control altimétrico con el LiDAR y el tercero comparando el modelo obtenido a partir de la orientación del vuelo con puntos de control total con el LiDAR. En este tercer paso ya se tien un histograma centrado en el cero A continuación se describe el procesado del vuelo 2001: El vuelo de 2001 tiene un GSD de 30 cm aproximadamente, y las imágenes recibidas están comprimidas con mister sid, un formato de compresión de imágenes que produce un deterioro en la misma, siendo más complicado la medición de detalles en las mismas. Este vuelo fue entregado con unos parámetros de orientación externa, que fueron utilizados como aproximaciones previas para la realización de aerotriangulación. Una vez conseguido un ajuste del bloque inferior a 0,6 pixeles se puede dar por cerrado el proceso de orientación del bloque (Fig. 2.9). Min Dist. 0 Max Dist. 16.53 Mean Dist. 0.037 Sigma 0.783 Figura 2.9.- Resultados del vuelo de 2001 ajustado sin puntos de control Observando el histograma se puede comprobar que el modelo de 2001 se encuentra por debajo del modelo de referencia en torno 90 cm, valor que no se encuentra en tolerancia según las precisiones de los vuelos usados. Capítulo-02_Metodología Pág 34 Posteriormente, el procesado ha continuado con la realización de un chequeo de orientación, que asegure un sistema de referencia común, para ello se ha utilizado como base el vuelo de 2010. Min Dist. 0 Max Dist. 33.077 Mean Dist. 0.055 Sigma 0.957 Figura 2.10. Resultados del vuelo de 2001 ajustado con puntos de control Introduciendo los puntos de control, se reduce el sistematismo a 0.6 metros(Fig. 2.10), pero esta vez con signo contrario, sin embargo sigue estando fuera de rango por lo que procedemos a ajustar los parámetros de manera iterativa y liberando los parámetros de vuelo para poder ajustar correctamente con el vuelo de referencia (Fig. 2.11). Min Dist. 0 Max Dist. 22.052 Mean Dist. 0.014 Sigma 0.474 Figura 2.11. Resultados del vuelo de 2001 ajustado con puntos de control liberando parámetros de orientación Capítulo-02_Metodología Pág 35 Con este procedimiento se consigue centrar el error en torno a los 20 cm, valor inferior al de las imágenes utilizadas, por lo que los resultados obtenidos en este proceso son considerados válidos para la comparación entre ambos vuelos (Fig. 2.12). Figura 2.12. Resultados del vuelo de 2001 para el cuadrante 1079. Capítulo-02_Metodología Pág 36 Figura 2.12. Continuación En la Fig. 2.13 se presenta los resultados del vuelo de 2001 para el cuadrante 1125. Figura 2.13. Resultados del vuelo de 2001 para el cuadrante 1125 Capítulo-02_Metodología Pág 37 Figura 2.13. Continuación En este proyecto también se han aplicado métodos fotogramétricos a imágenes tomadas por vehículos aéreos no tripulados (UAV). Para la realización del trabajo con UAV, se ha utilizado un vehículo aéreo no tripulado ligero el cual ha sido facilitado por el grupo de investigación SFT de la Capítulo-02_Metodología Pág 38 UJAEN. 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. Su manejo se realiza por control remoto con una estación móvil de campo, aunque el vuelo puede ser programado con un sistema de navegación por coordenadas (way point navigation) (Fig. 2.14). Figura 2.14. UAV utilizado para el proyecto El modelo UAV utilizado tiene un peso de unos 2,2 Kg y permite 750 gr de peso adicional para la incorporación de baterías y de una cámara fotográfica. En este dron las baterías disponibles confieren una autonomía de vuelo de 20 minutos y la cámara fotográfica utilizada ha sido una Sony Nex-5N (de 14,2 mp) El esquema general de trabajo con un UAV es similar al de vuelos fotogramétricos. Este esquema ha constado de tres puntos: • Planificación del Vuelo • Ejecución • Apoyo Terrestre Fotogramétrico (Puntos de Control) La planificación del vuelo se ha realizado mediante el software de navegación por coordenadas, adquirido junto a la plataforma ASTEC FALCON 8 (Figura 2.15). Capítulo-02_Metodología Pág 39 Fig. 2.15. Software de navegación por coordenadas adquirido A partir de los parámetros suministrados (entre otros: la altura y ángulo de observación, número de pasadas, disparos por pasada, solapamientos y punto de inicio) se obtiene la planificación del vuelo, almacenada en un archivo KML, y que debe ser analizada para comprobar que el recubrimiento de la zona es el correcto. Previamente se ha llevado a cabo una planificación de las campañas de campo para que las zonas quedaran totalmente cubiertas y con un tamaño de pixel sobre el terreno del orden de 2-3 cm (GSD=2-3 cm). En todos los casos se ha tenido en cuenta la limitación por altura de vuelo (400 ft). En total se han planificado cinco zonas de vuelo con un total de 119 fotografías aéreas. En cuanto al apoyo fotogramétrico (Fig. 2.16), se han utilizado dianas de tamaño apropiado para su fácil identificación en las fotografías. Su colocación ha sido de forma uniforme por toda la zona de Capítulo-02_Metodología Pág 40 vuelo para la obtención de buenos resultados en el proceso de Aerotriangulación. Los centros de las dianas han sido medidos mediante GPS-RTK, para la obtención de sus coordenadas espaciales. Figura 2.16.-Dianas colocadas para el apoyo fotogramétrico Todas las ventajas que tiene esta nueva tecnología, es la causante del gran auge que está teniendo en múltiples áreas y aplicaciones. Esto no supone que sea una alternativa buena al cambio metodológico (reemplazamiento), ya que solo la ejecución de estos vuelos conlleva numerosos inconvenientes. Es por eso, que el uso de esta tecnología está actualmente regulada mediante el Real Decreto-ley 8/2014 del 4 de Julio, en el que se limitan los campos de actuación, siendo esta el principal factor a tener en cuenta. Un factor muy importante es la climatología, y más aún, atendiendo a la zona de estudio en la que nos encontramos. La temperatura, el viento, la lluvia, etc., afectan directamente en el uso de esta tecnología. Capítulo-02_Metodología Pág 41 Además, como en cualquier proyecto de vuelo fotogramétrico, hay que planificar también la hora del día, ya que la posición del sol puede producir sombras significativas atendiendo al nivel de detalle en el que se está trabajando (Fig. 2.17). Figura 2.17.-Efecto de la sombra en la calidad de la imagen Por último, atendiendo al apoyo fotogramétrico, el más idóneo para el proceso de Aerotriangulación es tener una configuración de puntos de control en el que se tengan cubiertas las zonas externas. El cumplimiento de este factor es complicado, a causa de, la dificultad y orografía del terreno. Capítulo-02_Metodología Pág 42 2.5.- ANÁLISIS DE IMAGENES SATÉLITE 2.5.1.- Cálculo del Índice de Vegetación Normalizado (NDVI) Para este proyecto se han adquirido una serie
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