Densificación del Modelo de Predicción de Trayectorias GNSS VEL-Ar utilizando datos de interferometría satelital
Densificación del Modelo de Predicción de Trayectorias GNSS VEL-Ar utilizando datos de interferometría satelital
![Nota Gómez Densificación del Modelo de Predicción de Trayectorias GNSS](https://i.imgur.com/3sbPSya.png" "Nota Gómez Densificación del Modelo de Predicción de Trayectorias GNSS")
Por Demián D. Gómez, Hernán Guagni, Federico Ibarra, Sergio Cimbaro, Mara A. Figueroa, y Franco S. Sobrero
La realización tradicional de un Marco de Referencia geodésico terrestre asumía coordenadas aparentemente fijas en el tiempo. Actualmente, gracias a la alta precisión de las mediciones GNSS, es posible observar y cuantificar la deformación causada por ciertos procesos geodinámicos, como el movimiento secular de placas tectónicas, o deformación cosísmica y postsísmica producida por terremotos. Esta deformación debe ser tenida en cuenta al utilizar Marcos de Referencia modernos para establecer una relación espacial consistente entre objetos georreferenciados en distintas épocas.
El proceso de “traducción” de coordenadas observadas en una época determinada a coordenadas en la época de referencia se lo conoce como “reducción a la época convencional”. Para realizar dicha reducción sobre puntos geográficos desconocidos (medidos por primera vez), es necesario contar con un modelo que considere todos los efectos geodinámicos observables. La nueva versión de dicho modelo, denominado “Velocidades Argentinas” (VEL-Ar), incluye los efectos del sismo de Maule, Chile de 2010 y del sismo de Illapel, Chile en 2015.
Desde julio de 2022, se encuentra disponible al público el Modelo de Predicción de Trayectorias (TPM, por sus siglas en inglés) de la República Argentina, conocido como VEL-Ar v2.0. Esta versión de VEL-Ar permite la transformación entre épocas del Marco de Referencia POSGAR07b, una realización de POSGAR07 basada en IGS 2014. POSGAR07b es el Marco de Referencia que utiliza VEL-Ar para mantener en vigencia POSGAR07 utilizando las más innovadoras técnicas de procesamiento y ajuste de trayectorias que hacen posible conservar las coordenadas oficiales del marco de referencia en el tiempo. Las validaciones de VEL-Ar v2.0 arrojaron un error cuadrático medio cercano a los 3 cm, con magnitudes de errores menores a 5 cm en el 92% de las pruebas, e inferiores a 2 cm en el 81%, con un sesgo en los residuos de alrededor de 1 mm para las componentes norte y este. Además de la mejora en el modelado de los efectos geodinámicos del sismo de Maule (Chile) (FIGURA 1) de febrero de 2010 (disponibles en la primera versión de VEL-Ar), VEL-Ar v2.0 incorpora los efectos co y post-sísmicos del sismo magnitud-momento 8.3 ocurrido en Illapel (Chile) (FIGURA 1) el 16 de septiembre de 2015.
FIGURA 1. Desplazamientos co-sísmicos modelados con VEL-Ar v2.0 debido a los sismos de Maule en 2010 (a) y de Illapel en 2015 (b)
Fuente: Gómez et al. (2023)
Nota: las curvas de nivel muestran los desplazamientos co-sísmicos en magnitud con la escala de colores representando magnitud del desplazamiento en escala logarítmica. Las flechas representan la dirección (normalizada) de dichos desplazamientos. La línea azul de trazos representa las zonas de ruptura de ambos sismos.
La actualización regular de VEL-Ar es necesaria para modelar cualquier desplazamiento co y post-sísmico que afecte a las coordenadas del Marco de Referencia Geodésico Nacional POSGAR07. En el caso del último terremoto ocurrido en Illapel, este generó desplazamientos de alrededor de 12 cm (en dirección predominantemente oeste) cerca del área de ruptura del sismo, en el oeste de la provincia de San Juan. Desde el punto de vista de deformación post-sísmica, Illapel generó, durante los primeros dos años posteriores al sismo, una deformación promedio en la dirección oeste de más de 2,5 cm por año. En la actualidad, casi 9 años después del terremoto, la deformación continúa siendo de alrededor de 1 cm por año. La incorporación de los efectos de este sismo de gran magnitud mejora sustancialmente el acceso al marco de referencia oficial POSGAR07 para usuarios realizando posicionamiento diferencial geodésico preciso y para aquellos usuarios utilizando el servicio PPP-Ar de posicionamiento puntual preciso GNSS (Fernández & Guagni, 2023).
Las mejoras significativas en VEL-Ar v2.0 son, en parte, producto del desarrollo científico y técnico emanado de la colaboración entre el Instituto Geográfico Nacional (IGN) y la Universidad del Estado de Ohio (OSU, por sus siglas en inglés). Sin embargo, las observaciones fundamentales utilizadas para la creación de VEL-Ar v2.0 se basan en años de mediciones de estaciones GNSS continuas y de campaña. En particular, la incorporación de los efectos geodinámicos del sismo de Illapel fue posible gracias a campañas de medición realizadas sobre puntos pasivos y a la instalación y mantenimiento de estaciones GNSS permanentes. Estas actividades son el resultado del trabajo conjunto entre el IGN, OSU y la Universidad de Memphis, Estados Unidos, en colaboración con la Universidad Nacional de San Juan, la Dirección de Geodesia y Catastro de San Juan y del Colegio de Profesionales de la Agrimensura de la provincia de San Juan.
Adicionalmente, es importante destacar que durante los últimos cuatro años se ha trabajado fuertemente en otras provincias para fortalecer el monitoreo de la deformación de la zona de subducción entre las placas Sudamericana y de Nazca. Puntualmente, una colaboración similar a la de San Juan existe en las provincias del Neuquén y Mendoza, con la participación de la Direcciones de Catastro y los Colegios Profesionales de Agrimensura de ambas provincias cordilleranas. Dicho esfuerzo ha contribuido a la incorporación de seis estaciones GNSS permanentes al procesamiento de datos del Centro de Investigaciones Geodésicas Aplicadas (CIGA) que opera en el IGN, cuatro en la provincia del Neuquén y dos en la provincia de Mendoza.
A pesar de que aún hay mucho trabajo por hacer desde el punto de vista de cubrimiento territorial in situpara el monitoreo de deformación tectónica, el grupo de trabajo IGN+OSU busca incorporar datos satelitales al modelo de deformación VEL-Ar. Con la puesta en funcionamiento del tándem de satélites radar SAOCOM, y dada la disponibilidad de datos abiertos Sentinel, el grupo de investigación conjunto persigue el objetivo de utilizar estos datos satelitales para cubrir zonas de baja densidad de estaciones GNSS continuas. En este sentido, se están desarrollando técnicas para incorporar datos de interferometría radar a los modelos de deformación de VEL-Ar.
FIGURA 2. Serie de tiempo GNSS de la estación ESQU
Fuente: producción propia.
Nota: los puntos azules son observaciones diarias GNSS. De arriba hacia abajo: cambio de la coordenada en norte, este, y altura. Línea roja continua: Modelo Extendido de Trayectoria GNSS. Tablas en el margen izquierdo: información adicional sobre saltos mecánicos y geofísicos para norte, este y altura (año, día del año, coeficiente de relajación logarítmica, salto en milímetros o amplitud de la relajación logarítmica, según corresponda, y magnitud del sismo, si corresponde; “A” corresponde a salto ingresado automáticamente y “-” o “+” a un salto removido / agregado manualmente). Líneas azules o cyan verticales de trazos: saltos mecánicos causados por cambios de equipamiento o desplazamientos intencionales. Líneas rojas verticales de trazos: saltos geofísicos causados por un sismo. Línea gris de trazos: salto mecánico o geofísico desactivado (por razones de ajuste).
Diversas pruebas llevadas a cabo con el modelo VEL-Ar v2.0 permitieron demostrar la compatibilidad entre datos GNSS e InSAR, obtenidos del portal de datos COMET-LiCS para Sentinel-1A (Lazecký et al., 2020). Los ensayos mostraron que el modelo predice el 90% de las observaciones con errores inferiores a 5 cm (FIGURA 3). Queda aún por analizar el nivel de precisión alcanzable utilizando datos interferométricos de la constelación SAOCOM. Dado que los mismos corresponden a la banda L (a diferencia de Sentinel-1A, que es banda C) se espera obtener una mayor coherencia entre adquisiciones, que en consecuencia proveería un mayor número de píxeles con información confiable y de calidad.
La contracara de la mayor longitud de onda de la banda L reside en la menor sensibilidad para registrar deformaciones; sin embargo, estudios realizados previamente han alcanzado resultados comparables a los obtenidos con datos de Sentinel-1 (Roa et al., 2021). Respecto a la precisión de SAOCOM, modelos detallados sobre las distintas fuentes de error que afectan la fase interferométrica han determinado que, aún en los peores escenarios, los errores se encontrarían por debajo de los 3 cm, con un promedio de 1,25 cm para la mayoría de los casos (Euilladeset al., 2015). Estos valores están dentro del orden de magnitud de los errores reportados para VEL-Ar.
FIGURA 3. Residuos InSAR para el sismo de Illapel
Fuente: Gómez et al. (2023)
Nota: (a) Magnitud del residuo en función del desplazamiento co-sísmico en la dirección de la línea visual (LOS por sus siglas en inglés). La línea de trazos roja muestra el nivel de ruido habitual para observaciones GNSS de campaña. (b) Histograma de residuos mostrados en (a).
El principal limitante para la utilización de datos SAOCOM es la disponibilidad de los mismos. Los satélites que componen la constelación fueron lanzados en 2018 y 2020, abarcando únicamente los periodos post-sísmicos de los eventos mencionados. Sin embargo, SAOCOM estará disponible para modelar eventos futuros y las adquisiciones en zonas de interés pueden ser planificadas a intervalos regulares. Por otro lado, dado que la misión no fue planeada con fines interferométricos, únicamente las escenas adquiridas en modo Stripmappueden ser empleadas para el procesamiento InSAR. En cuanto al periodo de revisita, el tándem de satélites provee una base temporal de 8 días, pero en las zonas de interés aledañas a los Andes predominan bases temporales de 16 días. A pesar de estas consideraciones, los datos pueden ser de utilidad para completar brechas espaciales y temporales de información de Sentinel-1.
Visión a futuro
La estrategia desarrollada durante los últimos cinco años para la actualización de VEL-Ar dio como resultado un Modelo de Predicción de Trayectorias que otorga acceso simplificado y preciso al Marco de Referencia POSGAR07, para actividades como topografía, cartografía y catastro. La incorporación de datos satelitales al modelado de deformaciones permitirá en el futuro cercano incorporar nuevos efectos geodinámicos que, en la actualidad, no pueden ser considerados debido a la baja densidad (en algunas zonas) de estaciones GNSS permanentes de la Red Argentina de Monitoreo Satelital Continuo (RAMSAC). Adicionalmente, la información satelital permitirá elaborar modelos de deformación que cuenten con predicciones para la componente vertical de deformación, expandiendo la capacidad de VEL-Ar para su utilización conjunta con modelos tales como GEOIDE-Ar y demás aplicaciones relacionadas con alturas geométricas.
Bibliografía
Autoras
Demián D. Gómez. Doctor en Ciencias de la Tierra. Profesor Asistente en la División de Geodesia, Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad del Estado de Ohio y Colaborador del Instituto Geográfico Nacional. gomez.124@osu.edu
Hernán Guagni. Ingeniero Agrimensor. Director de Geodesia, Instituto Geográfico Nacional. hguagni@ign.gob.ar
Federico Ibarra. Doctor en Ciencias Geológicas y de la Tierra. Investigador, Dirección de Planificación, Investigación y Desarrollo, Instituto Geográfico Nacional. fibarra@ign.gob.ar
Sergio Cimbaro. Agrimensor. Instituto Geográfico Nacional. scimbaro@ign.gob.ar
Mara A. Figueroa. Máster en Tecnologías de la Información Geográfica. Estudiante doctoral en la División de Geodesia, Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad del Estado de Ohio. figueroaberroca.1@osu.edu
Franco S. Sobrero . Máster en Geodesia. Estudiante doctoral en la División de Geodesia, Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad del Estado de Ohio. sobrero.1@osu.edu