Aplicación de vehículos no tripulados y técnicas GNSS en el análisis de la actividad de movimientos de ladera: Aplicación a casos en la cuenca de Loja–Ecuador

Laburpena

La presente tesis doctoral tuvo como finalidad estudiar tres laderas inestables ubicadas en la ciudad de Loja, Provincia de Loja – Ecuador mediante el empleo vehículos aéreos no tripulados (VANT) o remotamente pilotados (VARP) apoyado en técnicas GNSS. Las tres zonas, ubicadas en materiales sedimentarios de la cuenca de Loja (arcillas, limolitas, areniscas y conglomerados, fundamentalmente), corresponde a los parajes de Victoria, Colinas Lojanas y El Plateado. Los estudios se realizaron empleando los productos fotogramétricos derivados de los vuelos con VANT, como son las ortoimágenes y los modelos digitales de elevación (MDE), con una resolución de 0.10 m. Los objetivos son la caracterización geomorfológica de los movimientos y áreas inestables, así como la medida de desplazamientos mediante diversas técnicas que permitan conocer la evolución de las laderas en el periodo analizado. Con ello se contribuirá a un mayor conocimiento de los movimientos de ladera en una zona de alta incidencia como la cuenca de Loja y se ensayarán metodologías de estudio aplicables a otras zonas montañosas. Las técnicas GNSS permitieron la obtención de posiciones de puntos superficiales tanto para medir desplazamientos como para determinar las coordenadas de los puntos de apoyo fotogramétrico denominados puntos de control (Ground Control Points – GCP). Con el vehículo aéreo no tripulado se obtuvieron fotografías aéreas de las zonas de estudio, que luego de ser procesadas en un software basado en algoritmos Structure from Motion, derivaron en dos productos fotogramétricos: ortoimágenes y modelos digitales de superficies (MDS). La observación de las ortoimágenes con el apoyo de los MDS posibilitó la realización de una zonificación de los movimientos de ladera estudiados, diferenciando sus rasgos y elementos característicos como escarpes, cabecera, cuerpo y pie. Además, los MDS de distintas fechas se compararon a través del cálculo de modelos de diferencias (MdD) y distancias 3D entre las superficies, así como mediante perfiles longitudinales y transversales. Por otra parte, a partir de los MDS se generaron, en un sistema de información geográfica (SIG), diversos parámetros morfométricos recogidos en modelos de pendiente, orientación de la pendiente, sombreado, índice de posición topográfica (TPI), índice de rugosidad del terreno (TRI) e índice topográfico de humedad (TWI). Mediante análisis estadístico zonal y sobre perfiles, se caracterizaron con detalle cada uno de los elementos de los movimientos de ladera y, en general, de las áreas inestables, en función de los parámetros morfométricos considerados. Adicionalmente, a partir de los modelos TPI se extrajeron líneas de ruptura de la pendiente que corresponden a rasgos características de los movimientos como la coronación y base de los escarpes o la línea que marca la punta o frente del pie de los movimientos. Finalmente, se emplearon distintas técnicas para medir desplazamientos dentro de los movimientos estudiados. Además de los MdD y distancias 3D, se midieron puntos GNSS sobre terreno y se extrajeron puntos desde los productos VANT (ortoimágenes y MDS) a partir de los cuales se calcularon desplazamientos tanto horizontales como verticales. Adicionalmente, se ensayaron técnicas basadas en el análisis digital de imágenes, en este caso sobre las ortoimágenes, que permiten estimar fundamentalmente desplazamientos horizontales de forma automática. Los resultados obtenidos han permitido en primer lugar obtener modelos precisos de la superficie del terreno con una incertidumbre a priori de 0.15 m para los desplazamientos horizontales y verticales establecida a partir de la resolución de las imágenes VANT y los errores en los puntos de chequeo y control. Tras la comprobación de los desplazamientos en áreas estables de las zonas de trabajo, la incertidumbre final o límite de detección de los desplazamientos horizontales se fijó en 0.15 m y en 0.25 m para los desplazamientos verticales. El análisis zonal para la caracterización de los movimientos permite establecer que los factores que mejor diferencian entre sus elementos son la pendiente y el TPI, aunque el resto de los factores (orientación, sombreado y rugosidad) también contribuyen a la identificación local de los elementos. La pendiente permite distinguir generalmente los sectores más activos de los menos activos, pero especialmente diferenciar los escarpes y los pies de los movimientos. El TPI y, particularmente, las líneas de ruptura de la pendiente son decisivas a la hora de identificar los limites superiores (coronación) e inferiores de los escarpes, así como el frente o punta de los pies de los movimientos, sobre todo cuando se remuestrean los modelos a una menor resolución (1 m en este trabajo). El TWI, por su parte, aporta información relevante en cuanto a cómo se acumula el agua de escorrentía en el terreno y cómo se configuran las redes hidrográficas externas e internas a los movimientos, lo que tiene gran importancia en la estabilidad y dinámica de las laderas. La comparación de los modelos derivados de distintas fechas posibilita además obtener información sobre la evolución del movimiento; y en algunos casos, como en la comparación de líneas extraídas del TPI, medir incluso desplazamientos. Por su parte, las técnicas para la medida de desplazamientos muestran una compatibilidad y coherencia bastante grande entre ellas, tanto para la medida de desplazamientos horizontales (puntos GNSS, puntos extraídos desde VANT y análisis de correlación de imágenes), como los verticales (puntos GNSS, puntos VANT y MdD) y totales (distancias 3D). No obstante, muestran diferencias entre ellos que se discuten en el texto, junto a las ventajas e limitaciones de cada uno de ellos. En conjunto, las distintas técnicas muestran la evolución natural de la superficie del terreno en los movimientos de ladera y áreas inestables, que es a desplazarse hacia abajo (por retracción de escarpes o por descenso real del terreno) y hacia delante (avance del material y en menor medida pequeños ascensos reales en algunos sectores). Además, permiten estimar tasas de desplazamiento que informan sobre su cinemática. De todo el análisis realizado, incorporando la observación sinóptica que aportan los perfiles se ha podido reconstruir el punto de partida de las zonas estudiadas y su evolución a lo largo del periodo de monitorización. Así, en primer lugar, en la zona de Victoria se tienen un área de reptación con deformación muy lenta de la superficie (tasas inferiores a 0.1 m/mes en el periodo analizado) y cambios suaves en la morfología de la ladera en sus sectores más activo y menos activo. En la zona de Colinas Lojanas se ha detectado un flujo de tierras en estado preparatorioincipiente con tasa muy lenta de desplazamiento (en torno a 0.1 m/mes en los dos periodos analizados), más activo en el pie, afectando a una carretera y arruinando varias construcciones. Finalmente, en la zona del Plateado se ha observado un flujo de tierras en estado avanzado con un escarpe, cuerpo y pie bien desarrollados, tasa de desplazamiento lenta (hasta 1 m/mes en algunos sectores), que afecta a una carretera y probablemente la deforma. La observación de todos los elementos, la organización de la red hidrográfica mediante el TWI y algunos datos geotécnicos permiten aventurar algunas observaciones sobre la estabilidad y dinámica de los movimientos estudiados. Como conclusión final se puede apuntar que la obtención de modelos precisos de la superficie (ortoimágenes y MDS), a partir de captura de imágenes con VANT, su precisa georreferenciación y su procesado fotogramétrico, ha permitido la caracterización geomorfológica detallada de movimientos de ladera y áreas inestables, así como la medida de desplazamientos y el conocimiento de la cinemática del movimiento. En general se aprecia una buena coherencia, compatibilidad y complementariedad entre todas las técnicas empleadas.