Aplicación de datos del mes: Deslizamientos de tierra

Deslizamiento de tierra en Langtang Vally tras el terremoto del 25 de abril en Nepal. Imagen: NASA.

Los deslaves, o deslizamientos de tierra, son un peligro geológico que puede causar daños extremos a la infraestructura, y la pérdida de vidas. Se pueden definir como la falla de una pendiente que conduce a una variedad de movimientos en el suelo, incluyendo caídas de rocas y flujos de escombros. Los deslaves pueden ser inducidos por una serie de condiciones climáticas extremas o geológicas, como inundaciones, erupciones volcánicas y terremotos. Los terremotos severos frecuentemente generan deslaves generalizados, que pueden causar daños a las carreteras y cortar los ríos. En algunos terremotos, los derrumbes resultantes causan daños mayores que el movimiento de tierra inicial. Las erupciones volcánicas pueden causar grandes fallas en las pendientes, mientras que los fenómenos meteorológicos extremos, como los tifones, pueden causar inundaciones y desestabilización del suelo, lo que a su vez induce deslizamientos de tierra.

Contenido

¿Para qué se utiliza la información satelital sobre deslizamientos de tierra?

¿Cómo se mapean los deslizamientos desde el espacio?

¿Cómo puedo acceder a los datos relevantes?

¿Cómo se utilizan los datos para la gestión del riesgo de desastres y respuestas de emergencia?

 

¿Para qué se utiliza la información satelital sobre deslizamientos?

Dado que su presencia a menudo está vinculada a otros peligros naturales, los datos satelitales pueden jugar un papel clave en el monitoreo de áreas donde pueden ocurrir deslizamientos de tierra y en la identificación de ubicaciones de deslaves para misiones de rescate y respuesta. Un número de países e instituciones internacionales ahora están utilizando datos satelitales para crear de manera rápida y efectiva mapas de inventario y riesgo, para ayudar a combatir el riesgo que representan los deslaves para las poblaciones. La causa física de los deslizamientos de tierra no se puede eliminar, pero a través de la gestión efectiva del uso del suelo y las prácticas de ingeniería basadas en una combinación de investigaciones satelitales, aéreas y terrestres, su riesgo puede reducirse considerablemente.

Las tecnologías de observación de la Tierra también se están utilizando cada vez más en situaciones de respuesta a desastres, por ejemplo, para dirigir el apoyo logístico y de emergencia a las áreas afectadas por deslizamientos de tierra y mapear el daño que han causado para planificar la recuperación.

El mapeo de áreas de riesgo y el monitoreo de deslizamientos de tierra se pueden realizar utilizando plataformas de imágenes satelitales y aéreas, y se están desarrollando constantemente nuevas metodologías.

 

¿Cómo se mapean los deslizamientos desde el espacio?

Las imágenes satelitales de deslizamientos de tierra se pueden utilizar de varias maneras; por ejemplo, para la reducción del riesgo de desastres a través del mapeo y análisis de áreas susceptibles a deslizamientos de tierra, y la respuesta a desastres a través del mapeo de eventos poco después de que ocurran. El mapeo y monitoreo de peligros de deslizamientos incluye una serie de tareas diferentes que incluyen detección, mapeo rápido, registro de información sobre el mecanismo de falla y monitoreo a largo plazo. En la práctica, estos factores están interrelacionados y no deben considerarse de forma aislada.

Para seleccionar los tipos de datos más apropiados y las técnicas de procesamiento que se deben aplicar para reducir el riesgo de deslaves y responder a desastres, es necesario comprender los efectos de los deslizamientos de tierra en el medio ambiente en un área en particular. Además, la selección de tecnología óptima debe considerar la integración de las estrategias de observación en las estrategias de gestión de riesgos actuales dentro de las diferentes comunidades. Los métodos de mapeo de eventos de deslizamiento y susceptibilidad son diversos y a menudo varían según el terreno, el financiamiento disponible y el propósito del mapeo.

Para la evaluación de los riesgos y daños de deslizamientos de tierra, las imágenes ópticas previas y posteriores al evento, procesadas mediante análisis de imágenes y técnicas de detección de cambios pueden ser eficientes y rentables. Las imágenes ópticas pueden resaltar los cambios en la cobertura del suelo, mientras que los DEM derivados de LiDAR pueden indicar el volumen de material movido por los procesos de erosión. El radar de apertura sintético interferométrico diferencial (DInSAR) puede detectar deslizamientos de movimiento lento, su extensión, velocidad y áreas susceptibles a la erosión.

Preparación para el peligro de deslizamiento de tierra 

La tasa de desplazamiento de un deslave es el factor más crítico en la detección de deslizamientos y en la identificación de los riesgos asociados y respuesta humana. Debido a la dificultad de detectar deslizamientos en movimiento, el enfoque geomorfológico convencional de la preparación de mapas de peligro a través de la identificación de la ocurrencia pasada de deslizamientos puede ser muy útil. Esto también puede aumentar la posibilidad de detectar futuros deslizamientos en movimiento, y ciertas áreas pueden ser priorizadas para la exploración remota de sensores.

La primera etapa del mapeo de la susceptibilidad de una región a los deslizamientos de tierra implica la creación de un inventario de deslizamientos pasados conocidos. El mapeo del inventario de deslizamientos de tierra se puede realizar utilizando imágenes satelitales o fotografías aéreas, superpuestas a DEM de resolución de 10-20 m para permitir el análisis en 3D del paisaje. Una vez que se conoce una ubicación de deslizamiento, es necesario obtener las características del deslizamiento, como el mecanismo de falla, el mecanismo de progresiones y el tamaño y cinemática de la falla. Esto puede ayudar tanto en el mapeo rápido como en el monitoreo a largo plazo.

Para evaluar la probabilidad de que se produzca un deslave, es necesario buscar características específicas que puedan hacer que una ubicación particular sea susceptible a una. Suponiendo que los deslizamientos ocurrirán en el futuro en base a las mismas condiciones que los produjeron en el pasado, las evaluaciones de susceptibilidad se pueden usar para predecir la ubicación geográfica de los deslizamientos futuros. Se pueden agrupar varios atributos en unidades discretas para analizar los factores que potencialmente contribuyen a la susceptibilidad a deslaves. En el contexto de la susceptibilidad a deslaves, los atributos son la pendiente, el tipo de suelo y la medida de la concentración del flujo terrestre de los eventos de lluvias intensas. Cada combinación específica representa una unidad de condición única (UCU), una parcela de terreno donde un conjunto de atributos se combinan de una manera única. Si un deslizamiento de tierra ha ocurrido en un conjunto particular de condiciones de pendiente/suelo/flujo entonces, si esas condiciones ocurren en otro lugar, esas ubicaciones también serán susceptibles a deslizamientos de tierra. La frecuencia espacial de los deslizamientos de tierra puede determinarse dentro de cada unidad de condición única a través del mapeo de deslizamientos anteriores utilizando datos de detección remota y confirmación de campo si hay suficientes recursos disponibles. La probabilidad de que ocurra un deslizamiento de tierra dada una combinación única de factores se da por la densidad del deslizamiento en esa unidad de condición única específica. Se puede inferir que las áreas con UCU similares tienen una probabilidad similar de que ocurran deslizamientos de tierra.

Sin embargo, aún no se ha utilizado ningún enfoque único para cartografiar la susceptibilidad de los deslizamientos de turba, roca y tierra, tanto en el interior como en la costa. El desafío radica en idear una metodología que sea aplicable a varios tipos de terreno diferentes utilizando datos disponibles de forma abierta y métodos de bajo costo.

Es probable que, con el tiempo, cambie la susceptibilidad de un área a los deslizamientos de tierra a medida que cambian las condiciones, como los cambios en la humedad del suelo, la pedogénesis, la cobertura de la tierra y el desarrollo de las raíces en áreas boscosas. Las precipitaciones varían temporal y espacialmente, y es probable que influyan en la ocurrencia de deslizamientos de tierra dentro del paisaje. Por lo tanto, los mapas de peligro de deslave deben actualizarse continuamente. La tasa de desplazamiento de un deslave es un factor crítico en la aplicación de técnicas particulares de detección remota en respuesta a estos. Algunos métodos pueden no ser lo suficientemente sensibles como para medir de manera confiable un desplazamiento muy lento, mientras que otros no tienen resolución temporal lo suficientemente alta como para monitorear masas en movimiento más rápido.

Respuesta de peligro de deslizamiento

Hay una variedad de posibles enfoques para mapear movimientos masivos utilizando imágenes satelitales. Los sensores ópticos pasivos se pueden usar para mapear deslizamientos de tierra pero tienen baja precisión (métrica); sin embargo, algunos sensores ópticos pasivos satelitales como Landsat, Aster, Spot 1-4, Formosat, EO-1 y DMC tienen resolución media y pueden mapear deslizamientos de tierra de más de unos cuantos cientos de metros cuadrados. El análisis de imágenes satelitales de alta resolución es el método más útil para deslizamientos de tierra moderados a rápidos. Las imágenes se obtienen con frecuencia de los satélites IKONOS, Quickbird, RapidEye, World-View 2, Pleiades o Geoeye-1, y se utilizan para analizar objetos o cambios en las imágenes. Sin embargo, los desplazamientos deben ser notables para ser medidos, ya que la resolución temporal está en el rango de días, semanas o meses. La capacidad de visualización estéreo de sensores como TerraSAR-X, ALOSPRISM, SPOT, IKONOS, Worldview-2 y Quickbird, así como la capacidad InSAR de un solo paso de Tandem-X hace posible crear modelos digitales detallados de elevación, que permiten el cálculo del volumen de cicatrices por erosión y escombros de deslizamientos.

La detección remota de deslizamientos de tierra y erosión con imágenes ópticas puede ser un desafío debido a la falta de firmas espectrales únicas asociadas con el movimiento de masas. La presencia de suelo expuesto o un cambio en la vegetación pueden ser factores identificadores; sin embargo, estas características son heterogéneas en todas las escalas espaciales. En los viejos derrumbes, las características "agudas" se erosionan rápidamente y con la intemperie y la vegetación, las distinciones se vuelven borrosas. A menudo, la única característica visible que queda es una región ligeramente redonda y un hueco, que es difícil de ver con imágenes de satélite.

También es difícil usar información espectral de una sola fecha para determinar la escala de movimiento, ya que esto no permite observar cambios en el paisaje. El conocimiento contextual de la geología y los suelos de un área, junto con los datos multitemporales, puede ayudar enormemente en la identificación de deslizamientos utilizando imágenes ópticas.

El radar de apertura sintética (SAR) a menudo puede ser el primer sensor en producir imágenes de eventos de deslizamientos de tierra debido a su capacidad para hacer mapas a través de las nubes y por la noche. La retrodispersión de SAR y las imágenes resultantes dependen de los parámetros dieléctricos de la superficie (conductividad eléctrica) y la rugosidad de la característica que se está visualizando. Sin embargo, una firma distintiva de retrodispersión por lo general no puede asociarse de manera única con las características mixtas y ásperas en un deslizamiento de tierra como los suelos expuestos y la vegetación caída. Si hay datos de referencia disponibles, entonces la diferenciación de las imágenes de retrodispersión previas y posteriores al evento puede detectar cambios asociados con deslaves individuales. La polarimetría SAR también puede ser una herramienta valiosa para cartografiar los deslaves pasados ​​y la erosión en un área, debido a la sensibilidad de la retrodispersión del radar al tamaño, forma, orientación y propiedades dieléctricas de la superficie en diferentes polarizaciones. La precisión del SAR depende de la resolución de la imagen, y se pueden obtener mejores resultados con sensores de mayor resolución, como RADARSAT-2, COSMO-SkyMed y TerraSAR-X. La interferometría de radar satelital es muy útil para movimientos de tierra lentos o muy lentos.

La precisión del SAR también depende de la similitud de la geometría de visualización del sensor que adquiere las imágenes; sin embargo, las diferencias se pueden compensar parcialmente si hay un DEM exacto disponible. Si se adquieren imágenes con un gran lapso de tiempo, lo más probable es que haya cambios adicionales en la cobertura del suelo que no estén relacionados con deslaves, lo que puede producir señales falsas positivas.

Las tecnologías de escaneo láser se pueden utilizar para obtener imágenes de deslizamientos con modelos digitales de elevación de alta resolución. Las características morfológicas de los deslaves y las áreas donde los procesos del canal están operando también pueden ser delineadas por DEMs creados usando LiDAR. Los DEM de alta resolución aún no son una herramienta común para las investigaciones de deslizamientos, pero se están desarrollando nuevas técnicas y aplicaciones.

LiDAR y SAR también pueden proporcionar información sobre la deformación posterior al evento en caso de un terremoto o movimiento a lo largo de un límite de falla. Los mapas de deformación se utilizan para modelar diversos procesos geofísicos responsables de este movimiento y para determinar el riesgo asociado de movimientos masivos.

Consideraciones para seleccionar las herramientas apropiadas  

Hay una serie de factores a tener en cuenta al considerar qué herramientas específicas usar para el mapeo y respuesta de deslizamientos de tierra. Si bien las técnicas terrestres suelen ser de mayor resolución, los datos satelitales pueden tener varias ventajas en términos de cobertura, accesibilidad y monitoreo a largo plazo. El mapeo poco después de un deslizamiento de tierra es importante en sitios donde la morfología del deslizamiento de tierra puede cambiar rápidamente, ya sea debido a una nueva actividad de deslizamiento de tierra o la intervención humana. Esto permitirá una mejor comprensión del deslizamiento de tierra y bajo qué condiciones pueden ocurrir tales eventos en el futuro. Es muy raro que existan sistemas basados ​​en tierra cuando se producen fallas de pendiente repentinas, mientras que las imágenes satelitales se pueden usar para evaluar el estado posterior al fallo de deslizamientos de tierra rápidos, a intervalos definidos.

La resolución temporal también se debe tener en cuenta, y detalla el tiempo de revisión de los sensores remotos. Cuanto mayor sea la resolución temporal, mayor será la posibilidad de detectar cambios repentinos en el paisaje.

La cobertura también debe considerarse al seleccionar la técnica más adecuada, que puede expresarse en términos de su rango o un valor típico del ancho de la franja o área cubierta durante una sola pasada de un satélite. Los sensores ópticos pasivos de resolución media y espaciales como Landsat, Aster, Spot, EO-1 y DMC son capaces de lograr una gran cobertura, en el rango de miles de km2. El uso de dichos satélites es preferible en estudios a escala regional en lugar de aplicaciones específicas del sitio.

La teledetección basada en el espacio es una herramienta importante para la detección de deslizamientos de tierra activos e inactivos en áreas amplias, especialmente donde las características del terreno dificultan el acceso directo al sitio. Las imágenes adquiridas se pueden usar para priorizar áreas para futuras investigaciones y para el monitoreo a largo plazo si existe una alta probabilidad de deslizamientos recurrentes. Esto se puede usar para implementar sistemas de alerta temprana y verificar la efectividad de las medidas correctivas.

¿Cómo podemos acceder a los datos relevantes ? 

Los factores que influyen en la velocidad y la escala de los deslaves incluyen la cobertura del suelo y el tipo de vegetación, factores topográficos como la pendiente y aspecto, los efectos climáticos y las características del suelo, como el grado de compactación y la materia orgánica. Hay varios tipos diferentes de deslizamientos de tierra, que incluyen caídas, deslizamientos de rotación, deslizamientos de traslación, flujos y deslizamientos de tierra complejos y compuestos. Esto ha llevado a una serie de metodologías para la identificación y caracterización de deslizamientos de tierra, y una serie de tipos de datos que son útiles para diferentes situaciones, como la precipitación, la cobertura de la tierra y los datos de humedad del suelo.

La disponibilidad de datos relevantes dependerá de la etapa del ciclo del desastre que se está mapeando, la región en cuestión y las finanzas de los interesados. Es posible que los datos de mayor resolución no estén disponibles, y la resolución temporal puede variar ampliamente.

En el caso del mapeo de riesgos de deslaves, las fotografías geográficas, imágenes aéreas y datos satelitales pueden estar disponibles en el estudio geológico de una región o país. En caso de que se produzca un desastre, varias organizaciones harán disponible información relevante de datos satelitales y de crowdsourcing para el mapeo de ubicaciones de deslizamientos de tierra como el Centro de Desastres del Pacífico, el Centro Aeroespacial Alemán, el Servicio de Gestión de Emergencias de Copérnicus y la Carta Internacional: El espacio y los grandes desastres, que serán activados. El USGS (United States Geological Survey) también opera un Sistema de Distribución de Datos de Riesgo, que recopila imágenes satelitales para el área en la que ocurrió el desastre.

Para una respuesta rápida a eventos desastrosos puede haber costos adicionales asociados con la programación de satélites, en comparación con los conjuntos de datos adquiridos operativamente.

Enlaces a datos:

Datos SAR:

  • Imágenes del satélite Cosmo-Skymed/SAR (ESA); Se puede utilizar para múltiples peligros naturales y es gratis con algunas restricciones (Link a los datos).
  • Las imágenes de Envisat/ASAR están disponibles de forma gratuita de parte de la ESA, con algunas restricciones (Link a los datos).
  • Las imágenes de RADARSAT-1&2/SAR están disponibles con restricciones a través de la Agencia Espacial Canadiense (Link a los datos).
  • Las imágenes satelitales de Sentinel-1 y las imágenes aéreas se pueden obtener libremente de la ESA (Link a los datos).
  • Las imágenes de Terra-SAR-X están disponibles de forma gratuita con restricciones; sin embargo, DLR brinda acceso limitado a los investigadores principales al presentar una propuesta de proyecto (Link a los datos).

Imágenes ópticas:

  • Las imágenes SPOT, incluidas las imágenes satelitales y aéreas, están disponibles de forma gratuita con restricciones, por ejemplo, con la presentación de una propuesta de proyecto (Link a los datos).

Modelos digitales de elevación:

Daos de Precipitación:

  • ITHACA proporciona un sistema de detección de precipitaciones extremas (Link a los datos).
  • Hay varios proveedores de datos de estimación de lluvia gratuitos, tanto a nivel mundial como regional, por ejemplo, NASA TRMM  (Link a los datos).
  • Para obtener una descripción general de la precipitación, consulte la Aplicación de Datos del Mes sobre la precipitación (Link a la aplicación del mes).

Datos de humedad del suelo:

  • La Agencia Espacial Europea tiene un conjunto de datos gratuito sobre la humedad global del suelo de entre 1978 y 2010 (Link a los datos).
  • Para obtener una descripción general de los datos de humedad del suelo, consulte la Aplicación de Aatos del Mes sobre la humedad del suelo (Link a la aplicación del mes).

Datos de cubertura del suelo:

  • El Comité Directivo Internacional para el Mapeo Global (The International Steering Committee for Global Mapping, ISCGM, por sus siglas en inglés) proporciona datos de exportación disponibles de forma gratuita, sobre la cobertura global del suelo a través del Global Map-Global Land Cover (GLCNMO) (Link a los datos).
  • El USGS Earth Explorer también proporciona datos de uso y cobertura del suelo de forma gratuita (Link a los datos).
  • Para obtener una descripción general de los datos de cobertura terrestre, consulte la Aplicación de Datos del mes sobre cobertura terrestre (Link a la aplpicacion del mes).

Datos específicos del peligro de deslizamiento:

  • El USGS Earth Explorer proporciona libremente datos base y específicos de riesgo, incluidos datos de exportación, mapas y visualizaciones de datos  (Link a los datos).
  • Los datos específicos sobre riesgo de deslaves globales están disponibles de forma gratuita en Center for Hazards and Risk Research (Link a los datos).
  • Los datos del Hazards Data Distribution Explorer  del USGS están disponibles de forma gratuita con restricciones. (Link a los datos).
  • La NASA tiene un mapa web de posibles ubicaciones de deslizamientos de tierra (Link a los datos).
  • Precipitaciones globales provocadas por deslizamientos de tierra de la NASA (Link a los datos).  

 

¿Cómo se utilizan los datos para la gestión del riesgo de desastres y la respuesta de emergencia? 

Estudio de caso para la gestión del riesgo de desastres 

Hay una serie de ejemplos tanto en la literatura académica como en las instituciones de gestión de riesgos con datos satelitales a nivel de país, que se utilizan para ayudar a crear mapas de inventario de deslizamientos de tierra, mapas de peligro y mapas de susceptibilidad. El método de creación de unidades de condición únicas para definir áreas de mayor probabilidad de deslizamiento de tierra descrito en la sección 2 (¿Cómo se mapean los deslizamientos desde el espacio?) ha sido utilizado, por ejemplo, por el Servicio Geológico de Irlanda (GSI, 2013), en los Apeninos del norte de Italia (Clerici et al., 2002), el área Cekmece de Turquía (Duman et al., 2005) y el valle del río Serchio en Italia (Federici et al., 2007).

Agostini et al (2013) llevaron a cabo un estudio sobre el uso de la teledetección para estudios de deslizamientos en Europa. Descubrieron que la mayoría de los usuarios e investigadores involucrados en la gestión del riesgo de desastres utilizaron una combinación de imágenes ópticas, de radar y aéreas para mapear deslaves, y usaron radares satelitales para el monitoreo de estos. Los datos de teledetección se utilizaron para la detección y el mapeo de deslizamientos de tierra a gran escala y se integraron con mapas geológicos y modelos digitales de terreno para ofrecer una visión más clara de los factores causales de los deslizamientos de tierra.

Ciampalini et al. (2014) crearon una base de datos geólica de deslizamientos de tierra, que incluye un mapa de inventario de deslizamientos de tierra para la provincia de Messina en Italia, utilizando sensores remotos. Italia se ve fuertemente afectada por deslaves que provocan un numero significante de damnificados y daños económicos. En la provincia de Messina, los deslizamientos de tierra son recurrentes y de gran magnitud debido a la morfología y litología del área, junto con la tectónica activa y los eventos de lluvia de alta intensidad. La base de datos geólica se creó utilizando el satélite SAR SARS1/2, ENVISAT, RADARSAT-1, TerraSAR-X y COSMO-SKYMed, junto con mediciones in situ utilizando GBInSAR. Estas técnicas avanzadas de monitoreo se utilizaron para monitorear la deformación de la pendiente a largo plazo y delinear áreas de alta susceptibilidad. Los datos fueron utilizados para producir una serie de mapas de zonación de riesgo y susceptibilidad de deslizamientos de tierra, que están siendo utilizados por las autoridades de Protección Civil para gestionar el riesgo en la región.

Figure and Table: Figura y tabla: Zonación de riesgo de deslizamiento de tierra para el pueblo de Altolia (Messina). Los cuatro niveles de riesgo se decidieron siguiendo la descripción de la tabla (arriba) considerando las características de los edificios (daños y distancia desde el lecho del río) y la velocidad de deformación del terreno detectada por los sensores SAR. Las flechas de color azul claro corresponden con las principales direcciones de flujo de los arroyos Giampilieri y Mandarina. Fuente: Ciampalini, A., et al., La percepción remota como herramienta para el desarrollo de bases de datos de deslizamientos de tierra: el caso de la base de datos geólica de la Provincia de Messina (Italia), Geomorfología (2015),  http://dx.doi.org/10.1016/j.geomorph.2015.01.029

Estudio de caso para respuestas de emergencia

Tras el terremoto de magnitud 7.8 en Nepal el 25 de abril de 2015, debido a la topografía montañosa de la zona se produjo un gran número de deslizamientos de tierra. Los deslizamientos provocados por el terremoto fueron un peligro importante para la población de Nepal y causaron un gran número de víctimas.

Las imágenes satelitales se utilizaron ampliamente en la región para ayudar a evaluar las necesidades y áreas de interés para los equipos de respuesta a emergencias, identificar carreteras bloqueadas e infraestructura dañada por deslizamientos de tierra, y áreas potencialmente inestables. Los datos satelitales brindaron una amplia cobertura a una serie de áreas inaccesibles, y varias instituciones, como el Centro de Desastres del Pacífico, crearon mapas de deslizamientos de tierra de Nepal utilizando imágenes satelitales y datos de precipitación.

Un equipo de científicos patrocinado por la NASA usó imágenes satelitales para identificar ubicaciones de deslaves, caracterizar peligros adicionales para crear mapas de peligros. Las fuentes de datos incluyeron satélites Landsat, satélites EO-1, ASTER, WorldView y GeoEye, e información topográfica accesible en Google Earth. Los diferentes equipos de científicos utilizaron varias metodologías, por ejemplo, utilizando imágenes de RADARSAT-2 previas y posteriores al evento. Otros grupos, como Digital Globe y HOT-OSM, utilizaron crowdsourcing para mapear rápidamente los deslizamientos de las imágenes de satélite con la ayuda de miles de voluntarios en todo el mundo.

Figura: Inventario de deslizamientos de tierra del terremoto de Nepal. Fuente: International Charter on Space and Major Disasters.