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Aplicación de datos de radar con técnicas interferométricas en el diagnóstico de subsidencia en campos de hidrocarburos

Aplicación de datos de radar con técnicas interferométricas en el diagnóstico de subsidencia en campos de hidrocarburos

Nardy Liliana Neiza Mora1, Elena Posada2

Resumen Con el fin de diagnosticar la subsidencia y los cambios de desplazamiento del terreno en campos de exploración y explotación de hidrocarburos, mediante la utilización de datos de imágenes de radar, y evaluar los diferentes sensores y tipo de información, según la banda y el rango de longitud de onda, se aplicaron metodologías de procesamiento digital, de acuerdo con las técnicas interferométricas Radar de Apertura Sintética, (SAR), y Técnica de Pixeles Coherentes, (CPT). Estas permitieron aislar el módulo de la fase, según la extracción del componente de la deformación lineal y la correspondiente a otra no lineal. La descripción detallada de la técnica CPT puede encontrarse en Mora et al. (2003) y Mora (2004). El cálculo del componente lineal incluye la estimación de la velocidad media de deformación y el error de

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Geóloga, Msc Geomática (Universidad Nacional de Colombia). Centro de Investigación y Desarrollo en Información Geográfica (CIAF), Grupo Percepción Remota y Aplicaciones Geográficas (PR/AG) - Instituto Agustín Codazzi (IGAC) sede Bogotá. Carrera 30 No. 48-51, Bogotá (Colombia). Correos electrónicos: [email protected] - [email protected]. Ingeniera Forestal; Máster en Ingeniería Forestal y Especialista en Procesamiento Imágenes. Jefe (E) del Centro de Investigación y Desarrollo en Información Geográfica (CIAF). Instituto Geográfico Agustín Codazzi. E-mail: [email protected].

los cambios de las diferencias de alturas de cada par interferométrico de las escenas de las imágenes de radar. Para establecer las variaciones y relacionarlas con fenómenos de subsidencia se trabajó con imágenes de RadarSat-2 del año 2009 y Alos Palsar de 2007, 2008 y 2009. Se generaron mapas de coherencia con cada par de imágenes y con suministro de tipo de polarimetría, para determinar el desplazamiento y realizar el análisis de los interferogramas, estableciendo los movimientos de subsidencia en el sector sur de la cuenca sedimentaria de hidrocarburo del Valle Superior del Magdalena, en el departamento del Tolima. Palabras claves Subsidencia, cambios de desplazamiento, técnica de pixeles coherentes e interferométricas SAR, campos de hidrocarburos.

Application of radar data with interferometric techniques in the diagnosis of subsidencia in hydrocarbon fields Abstract To diagnose the subsidence and changes in ground displacement in areas of exploration and exploitation of hydrocarbons by using radar imagery data and evaluate different kinds of sensors and information under the band and the wavelength range was applied digital processing methodologies as interferometric SAR (Synthetic Aperture Radar) and CPT (Coherent Pixels Technique), allowing the module to isolate the phase according to the extraction of the component of the linear deformation and for other nonlinear. The technical description of the CPT can be found in Mora et al. (2003) and Mora (2004). The calcu-

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lation of the linear component includes the estimation of the average velocity of deformation and failure of the changes of height differences of each pair of scenes interferometric radar imagery. To determine changes and relate them to phenomena of subsidence work with Radarsat-2 images 2009 and images of ALOS PALSAR the years 2007, 2008 and 2009 and were generated maps consistent with each pair of images according to research methodology, and the provision of such polarimetry to determine the movement and make the analysis of the interferograms and to establish the movements of subsidence in the southern sector of the sedimentary basin hydrocarbon Upper Magdalena Valley in department of Tolima. Key words Subsidence, shift changes, Coherent Pixels Technique and interferometric SAR, oil fields.

Aplicación de datos de radar con técnicas interferométricas en el diagnóstico de subsidencia en campos de hidrocarburos

Introducción El aprovechamiento de técnicas, en procesos digitales, de datos recolectados por sensores remotos, indicando propiedades del terreno y el manejo de las características de ciertos datos correlacionados a métodos y modelos geofísicos, en este caso con datos de imágenes de radar aplicados a identificar y diagnosticar fenómenos de subsidencia, y relacionados con cambios en alturas del terreno para la parte sur de la cuenca sedimentaria de exploración y explotación de hidrocarburos del Valle Superior del Magdalena, ayudó al entendimiento de los procesos geológicos, e indicó los sitios de procesos dinámicos locales. Mediante los primeros interferogramas y mapas de desplazamiento vertical se determinó el estado de referencia del terreno y se comparó con fechas anteriores y posteriores, apoyando la evaluación de fenómenos de subsidencia en la zona de estudio, que para futuros monitoreos con técnicas de medición de radar (Apertura Sintética de Datos de Radar [SAR]) y empleando la metodología de trabajo propuesta representa un avance en la aplicación de los datos de este tipo de sensor remoto. Además, es un adelanto al diagnóstico y evaluación para futuras zonas con presencia de fenómenos de subsidencia, en las cuencas sedimentarias de prospección y producción en hidrocarburos y sus derivados, muy útil a las empresas del petróleo, a la comunidad cercana a sectores de prospección y de gran aporte a la geociencias y geomática en el territorio colombiano. Por su parte, la Agencia Nacional de Hidrocarburos (ANH), encargada de promover el aprovechamiento óptimo y sostenible de los recursos hidrocarburíferos del país, y miembro de la Comisión Colombiana del Espacio (CCE), desde el 2008 incluye dentro de su plan de acción el uso tecnologías geoespaciales y sensores remotos con el propósito de permitir suplir las necesidades de infor-

mación para la gestión del conocimiento en aspectos técnicos de utilidad para el sector. Es por eso que bajo el primer proyecto del convenio de cooperación 40932009, entre el Centro Internacional de Física (CIF), el Centro de Investigación y Desarrrollo en Información Geográfica (CIAF), el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) y el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación (Colciencias), se realizó el trabajo de investigación, enmarcado por la formulación y validación de la metodología de este tipo de información, proporcionada por los sensores de radar. Para evaluar los datos de radar aplicados al diagnóstico y caracterización de fenómenos de subsidencia, se utilizaron procesos o aplicaciones de algoritmos matemáticos desarrollados según los principios físicos de las técnicas interferométricas IfSaR, InSaR, DinSaR y PolinSaR y fueron ejecutados por los softwares Erdas Imagine, Envi 4.7 y PolSaRpro. Allí se desarrolla la técnica de procesamiento digital CPT, Técnica de los Píxeles Coherentes (Coherent Pixel Technique). La aplicación de IfSAR, InSAR DinSAR y PolinSaR se está realizando desde hace algunos años, debido al gran potencial que representa en diferentes aplicaciones geológicas, principalmente en el monitoreo y en la medición de los fenómenos de subsidencia. Este tema se ha convertido en un problema ambiental y económico para los gobiernos del mundo; tal es el caso de Estados Unidos, donde más del 80% de las áreas identificadas con procesos de subsidencia se encuentran asociadas a la extracción de gas y petróleo y a la extracción de aguas subterráneas para diferentes fines (National Reserach Council, 1991). Desde principios de los años 90 los sumideros y los hundimientos amplios y poco profundos (WSSFs) han sido el mayor problema de las playas del mar

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Muerto en Israel y Jordania, identificados y caracterizados con la aplicación de la técnica de InSAR (Baer et al., 2010). En la ciudad de Shanghái existe el fenómeno de la subsidencia desde 1921, por la retirada del nivel freático del subsuelo y el rápido desarrollo de la infraestructura urbana. Ha sido medida y/o monitoreada utilizando la interferometría de radar para generar mapas de grandes áreas, utilizando la menor cantidad de recursos (en comparación directa con los métodos tradicionales de agrimensura). Se utilizaron técnicas de PolinSAR y una forma avanzada del DInSAR convencional para la medición de la tasa de subsidencia de la ciudad de Shanghái (Damoah-Afari y Ding, 2010). Para la aplicación de la metodología de trabajo y determinación de fenómenos de subsidencia, en Colombia se eligió la zona de estudio en Saldaña, en la cuenca del Valle Superior del Magdalena, por ser la segunda cuenca sedimentaria de hidrocarburos de producción, de importancia en el territorio nacional y por el suministro de imágenes radar con algunas características interferométricas. Se realizó una búsqueda en el Banco Nacional de Imágenes (BNI) del IGAC y se encontraron dos imágenes de RadarSat-2 en formato CEOS con un tipo de producto SGF (Path Imag, procesamiento que alinea la escena paralela a la órbita del satélite y los datos son convertidos a un rango base mediante multi-looked) y una SLC (Single-look Complex, con un nivel de datos procesados que ha sido corregido por los errores recibidos por el satélite e incluye información de latitud y longitud, con datos en una óptima resolución disponible para cada beam mode y con la información de fase y amplitud de los datos originales SAR), respectivamente. Las imágenes de RadarSart-2 están suministradas en un modo fino, con las cuatro polarizaciones (Quad Fine), característica óptima para el análisis de

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interferogramas y mapas de coherencia; pero con este sensor no se pudieron establecer mapas de desplazamiento ni aplicación de técnicas DinSaR por los problemas orbitales que presentaron estas imágenes. Para la validación de la metodología de trabajo y poder llevar a cabo todos los procesos digitales y la determinación de áreas con fenómenos de subsidencia, se eligieron imágenes (Quad Fine), con formato VEXCEL en un modo de operación de toma de FBDH (Modo Fino) y PLRM (Modo Polarimétrico), con un nivel de adquisición 1.1 correspondiente a productos SCL de Alos Palsar, imágenes interferométricas con combinaciones cruzadas HH+HV y con las cuatro polarizaciones correspondientes a la zona de interés.

1. Marco conceptual El Radar de Apertura Sintética (SAR, Synthetic Aperture Radar) opera mediante el efecto físico de Doopler ayudando a la observación realizada cuando hay un movimiento relativo entre el objeto y el sensor y a su resolución espacial. El sistema SAR registra los pulsos de un mismo objeto en la superficie, en momentos distintos de la trayectoria del sensor. El SAR es un sistema de iluminación lateral que origina una imagen de la superficie terrestre. Su movimiento a lo largo de la trayectoria hace que el radar ilumine hacia el lado de la dirección de vuelo, originando franjas continuas y paralelas entre sí, de la superficie en observación, registrando la información de las microondas que se reflejan. Esta señal registrada se graba a bordo del sensor, que se procesa apropiadamente para formar una imagen digital. El primer satélite que incluyó la técnica InSaR fue SeaSat, con datos de los años 80. En los 90 el potencial de esta

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técnica fue desarrollado bajo el lanzamiento de ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RadarSat-1 y ERS-2 (1995). Estas plataformas proporcionaron las órbitas estables, bien definidas y las líneas de fondo cortas necesarias para InSaR. Más recientemente, en la misión de la NASA STS-99 en febrero de 2000, se utilizó una antena del SaR con el fin de recopilar los datos para misión de la topografía terrestre. En 2002 ESA lanzó su propio instrumento SaR, diseñado como sucesor de ERS, a bordo de Envisat. Mientras que la mayoría de InSaR hasta la fecha ha utilizado los sensores de la banda C, las misiones recientes tales como Alos PalSaR y TerraSaR-

X están ampliando los datos disponibles en las bandas L y X para mejores precisiones de altimetría. La Agencia Espacial Japonesa (JAXA) ha definido un escenario estándar de observación para ALOS a partir de criterios climáticos, es decir, ha creado un archivo mundial de imágenes complementarias con una resolución de 2.5 m en pancromática, resolución 10 m en multiespectral y resoluciones de 10 m a 100 m para el radar (Palsar). Para las adquisiciones en modo rutina se activan alternativamente por defecto cuatro modalidades:

Tabla 1. Características datos imágenes Alos-Palsar Modalidad Palsar

Resolución

Polarización

Corredor

FBS Fine Resolution

10 m

Single HH

70 km

FBD Fine Resolution

20 m

Dual HH+HV

70 km

SL ScanSAR

100 m

Single HH

350 km

P Fine Polarimetric

30 m

HH+HV+VH+VV

30 km

Los softwares que procesan con técnicas SaR, con disponibilidad para el uso libre y académicos son: ▪▪ IMAGINE InSAR, paquete con proceso comercial encajado adentro Erdas Imagine, manejado con código es C++. ▪▪ ROI PAC, software libre producido por la NASA y basado en UNIX. ▪▪ DORIS– programa realizado por la Universidad de Delft de la tecnología, basado en código C++, mediante una multiplataforma portable. Distribuido bajo la licencia de GLP. ▪▪ GAMMA, software comercial que consiste en diversos módulos y cubren la informática del SAR, interferometría, interferometría diferenciada (DinSaR), y el análisis interferométrico, funciona en Solaris, Linux, OS X, Windows y en la plataforma Mac para los institutos de investigación. ▪▪ SARscape- software comercial que consiste en diversos módulos que

cubren la informática del SAR y realiza interferometría de ScanSAR, interferometría diferenciada del SAR, Scatterers persistentes, polarimetría e interferometría polarimétrica, funcionando como extensión de ArcView y de ENVI bajo OS de Windows, de Linux y de Mac. ▪▪ PULSAR- software comercial, basado en UNIX. ▪▪ DIAPASON- software comercial, convertido originalmente por la agencia francesa del espacio CNES y mantenido por Altamira Information, basado en UNIX y Windows. ▪▪ PolSaR-Pro- software libre, desarrollado por la agencia europea ESA por un consorcio formado por IETR de la Universidad de Rennes. La misión TanDem fue realizada en 1995 por los dos satélites ERS, con una separación de un día para este propósito. Una segunda opción para generar modelos digitales del terreno es utilizar dos

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antenas con una cierta distancia de separación en la misma plataforma, adquiriendo imágenes al mismo tiempo. Esta aplicación fue seguida por la NASA con la misión SRTM en el año 2000. Las técnicas persistentes o permanentes del Scatterer son un desarrollo relativamente reciente de InSaR convencional, y estudian los pixeles que siguen siendo coherentes sobre una secuencia de interferogramas. En 1999, investigadores del politécnico Di Milano (Italia), desarrollaron un nuevo acercamiento de la multiimagen, que busca en el apilado de las imágenes objetos en la tierra con reflexiones constantes y estables. Estos objetos podían ser del tamaño de un pixel o mayores al pixel secundario clasificado, y están presentes en cada imagen del apilado. Ellos patentaron la tecnología en 1999 y crearon la compañía spin-off Europa Tele-Rilevamento para comercializarla y realizar la investigación en curso. Uno de los productos InSaR es el modelo digital de elevación (DEM) reconstruido a nivel mundial mediante el “two-pass”, paso doble del satélite capturando imágenes radar; entre estos está el SRTM de 90 y 30 m de resolución, con problemas en las latitudes altas en el primero, con áreas de cobertura pobre y donde los datasets alternativos deben ser encontrados y corregidos. Algunos centros de investigación y otras compañías desarrollaron sus propios algoritmos, que también superan las limitaciones de InSAR. En la literatura científica, estas técnicas se refieren colectivamente como técnicas persistentes de la interferometría o de la PSI del Scatterer. La interferometría persistente del Scatterer con el término (PSI) fue creada por la ESA para definir la segunda generación de las técnicas de la interferometría del radar. Tales técnicas han sido comúnmente utilizadas en las áreas urbanas con las porciones de estructuras permanentes; por ejemplo, fue utilizada para el estudio de las ciudades europeas (proyecto de Terrafirma, conducido por el satélite de

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NPA traz). Durante 5 años, este servicio ha entregado la información referente a hundimiento y levantamientos urbanos, estabilidad y deslizamientos, deformación sísmica y volcánica, las líneas de la costa y los llanos de la inundación. Las técnicas interferométricas pueden dividirse en convencionales y avanzadas. Las primeras permiten la combinación de dos imágenes SAR para obtener el movimiento del terreno, al cual se le añade un término de error debido a la componente de fase ruidosa y atmosférica. Las técnicas avanzadas van más allá, pues permiten aislar completamente el término de la fase debido al movimiento. En este último grupo está la denominada técnica de los píxeles coherentes (Figura 1). En ella, el procesado de la señal se divide en dos fases, la correspondiente a la extracción del componente de una deformación lineal y la correspondiente al cálculo de otra no lineal. El cálculo del componente lineal incluye la estimación de la velocidad media de deformación y el error del modelo digital del terreno (MDT). El término no lineal se determina aplicando un filtrado espacio-temporal para la extracción de los artefactos atmosféricos y los componentes de baja y alta resolución de la deformación no lineal. Esta es precisamente una de las principales ventajas de esta técnica avanzada frente a la Interferometría SAR convencional: el hecho de que el componente atmosférico puede ser aislado por el comportamiento variable en el tiempo y en el espacio de los artefactos atmosféricos frente al comportamiento estático del término de movimiento no lineal. La Figura 6 muestra un diagrama de flujo simplificado del procesado, y la descripción detallada de la técnica CPT puede encontrarse en Mora et al. (2003) y Mora (2004). La interferometría SAR es una técnica basada en la combinación de dos imágenes SAR de la misma escena, adquirida desde puntos de vista ligeramente diferentes. Las imágenes SAR expresan la distribu-

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ción espacial de la amplitud y la fase de los ecos radar registrados por el sistema (reflectividad) correspondiente a los objetos presentes en la escena o área barrida por el satélite. La combinación de dos imágenes SAR de la misma escena, tomadas en instantes diferentes, da como resultado una nueva imagen conocida como interferograma. El interferograma se genera multiplicando una imagen por el complejo conjugado de la otra. Así, la fase del interferograma corresponde a la diferencia de fase de ambas imágenes SAR, calculada pixel a pixel. La fase de cada imagen SAR está relacionada con la distancia entre las antenas y la tierra y por lo tanto con la geometría de la escena. El interferograma representa la variación de la fase (int) entre las dos imágenes, y la fiabilidad en su estimación depende de la coherencia, parámetro que sirve para caracterizar y medir todas las fuentes de de correlación. Esta fase puede expresarse como (Hanssen, 2001; Mora, 2004):

ΔΨ ruido constituye el factor de degradación de la componente de la fase interferométrica. La interferometría Single-passs Polarimetric SAR (PoLInSaR) es una de las alternativas eficientes que combina los beneficios de la polarimetría con una medida directa de la geometría detectada y que el software de Envi y PolsaR-pro lo incluyen en su registro de programa y están conceptualizados por lo general en los módulos de polarimetría-interferometría.

Imágenes SAR Corregistración Coherencia

Interferogramas MDT externo

Coherencia diferencial Interferogramas difer.

ΔΨ int = ΔΨ compT + ΔΨ topo + ΔΨ + ΔΨ atmos + ΔΨ ruido (1) mov

Ajuste de función del modelo a los pixeles coherentes

ΔΨ compT es la componente de tierra plana relacionada con la distancia en rango. es la fase topográfica.

ΔΨ mov es la componente de la fase interferométrica debida al desplazamiento del terreno entre dos imágenes SAR medida en la dirección de rango (o Line Of Sight, LOS). ΔΨ atmos es la componente de la fase relacionada con los fenómenos atmosféricos.

Pixeles coherentes

donde

ΔΨ topo

Información órbita

Velocidad lineal Error del MDT Filtro espacio-temporal

Artefacto atmosféricos Mov. No lineal de baja resol. Mov. No lineal de alta resol. Movimiento total pixeles coherentes

Figura 1. Esquema simplificado de la Técnica de Pixeles Coherentes (CPT) Fuente: Blanco, P. et al., Monitoreo de la subsidencia del terreno en la vega media del río Segura mediante Interferometría SAR diferencial –DInSAR. Revista Gaceta 39 -2006.

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Figura 2. Localización de zona de estudio parte sur de la Cuenca del Valle Superior del Magdalena

2. Metodología Para el desarrollo de la metodología y uso de datos de radar en la medición de fenómenos de subsidencia se trabajó el sector de Saldaña, departamento

del Tolima (Figura 2), perteneciente a la parte sur de la cuenca sedimentaria de hidrocarburos del Valle Superior del Magdalena (VSM).

Las imágenes interferométricas corresponden a:

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Imagen

Codificación Imagen

Formato

Pase Orbital

Polarización

RadarSat-2

R- R2_26FEB2009QP

CEOS

Descendente

HH HV VH VV

CEOS

Descendente

HH HV VH VV

RadarSat-2

2RS2_OK4419_PK58273

Alos-Palsar

5- PASL100090408033716

VEXCEL

Ascendente

HH HV VH VV

Alos-Palsar

4- PASL100090610033955

VEXCEL

Ascendente

HH HV VH VV

Alos-Palsar

3- W0435143001-02_0040

VEXCEL

Ascendente

HH HV VH VV

Alos-Palsar

0- PASL100070610034508

VEXCEL

Ascendente

HH + HV

Alos-Palsar

1- PASL100080612034139

VEXCEL

Ascendente

HH + HV

Alos-Palsar

6- PASL100090615034614

VEXCEL

Ascendente

HH + HV

Alos-Palsar

2- PASL100080728034143

VEXCEL

Ascendente

HH + HV

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El desarrollo del procesamiento digital tuvo en cuenta cinco (5) etapas descritas a continuación, las cuales se llevaron a cabo para utilizar los datos de las imágenes de radar y hacer el diagnóstico de los fenómenos de subsidencia en la parte sur de la cuenca:

to VEXCEL original de las imágenes de Alos Palsar se realizó bajo el programa especializado de Erdas 2010 (módulo Radar), de acuerdo con el diagrama de flujo de trabajo de la Figura 3. El tipo de producto entregado de las imágenes Palsar corresponde a un FBDH (Modo Fino) y PLRM (Modo Polarimétrico), con un nivel de adquisición L-1.1 correspondiente a productos SCL (Single-look Complex, con un nivel de datos procesados que ha sido corregido por los errores recibidos por el satélite e incluye información de latitud y longitud, con datos en una óptima resolución disponible para cada beam mode y con la información de fase y amplitud de los datos originales SAR).

2.1 ETAPA I. Evaluación de los datos y del formato original de las imágenes El desarrollo del despliegue de datos y el manejo del formato CEOS original de las imágenes de RadarSat-2 se realizaron bajo el programa especializado de Envi (módulo SaRscape), y el del forma-

I. Evaluación de los datos y formatos CEOS y VEXCEL de las imágenes suministradas para la aplicación y sustracción de zonas de subducción en la parte sur del Valle Superior del Magdalena, zona de Saldaña.

II. Corregistro de imágenes base

III. Generación de interferogramas de los pares polarimétricos de los Alos Palsar. Utilización de técnicas InSar.

IV. Generación de imágenes de coherencia de los pares polarimétricos de Alos Palsar. Técnica de Pixeles Coherentes.

V. Generación de imágenes de desplazamiento del par de polarimétrico de radar. Técnicas DinSaR

Datos Originales Radar

Importación Datos

Formatos CEOS VEXCEL

Datos Originales Orbitales

Formatos Imágenes SCL

Coregistro

Mapa Coherencia

Parámetros

Producto Final

Interferograma

Importación Datos Orbitales Genéricos

I Procesamiento Digital de los Datos Originales

Efemérides Orbitales

Imagen Fase

II Corregistro Imágenes de Fase

Parámetros Mapa Desplazamiento

III Generación de Interferogramas

IV

Productos Finales

V

Figura 3. Diagrama de flujo de trabajo de procesamiento digital interferométrico de imágenes SAR. Fuente: Modificado de Aplicación de la interferometría radar de satélite para el estudio de las deformaciones del terreno producidas por los terremotos de Bam (Irán, 2003), L’Aquila (Italia, 2009) y Pedro Muñoz (España, 2007)

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Este formato de datos está dado en la geometría del rango de inclinación y el tipo de datos es de 32 bits, tal como se requiere para procesamiento interferométrico.

2.2 ETAPAS II a V. Procesos de interferometría

Figura 4. Metodología de análisis Interferogramas Sintéticos y Filtrados

Una vez realizada la importación de datos e imágenes bajo el esquema y formatos del software especializado se generaron mapas en formatos .img y .tif para poder trabajarlos y visualizarlos. La Figura 5 muestra la cobertura de algunas de las imágenes Alos Palsar y los resultados según la metodología propuesta para generación de interferogramas.

La cadena de proceso digital empleada para la obtención de interferogramas varía de acuerdo con el software utilizado y la aplicación, pero normalmente incluye registro de imágenes, remuestreo y registro, cálculo del interferograma, filtrado del interferograma, desenrollado de fase, paso de fase desenrollada a alturas y georreferenciación. Dentro del flujo de trabajo para la generación de interferogramas los pasos realizados fueron: ▪▪ Proceso de aplanamiento ▪▪ Utilización de filtros ▪▪ Desenrollado de fase ▪▪ Refinamiento orbital En la extracción de fase se invierten las funciones trigonométricas, obteniéndose con ambigüedad en el número de ciclos. Esto hace que la imagen interferométrica conste de una serie de franjas claras y oscuras en el rango de (–π,+ π) moduladas por la superficie y las propiedades de la superficie terrestre del área observada. Es así como para derivar correctamente la altura de cada punto, hay que reconstruir las diferencias de fase que se crean en el interferograma y es necesario obtener el número de ciclos sin ambigüedad, de tal modo que la imagen sea continua y sin franjas. A esta reconstrucción se le denomina desenrollado de fase y consiste en interpretar las variaciones de alturas o variaciones de distancias. Luego, en el refinamiento orbital se realiza el corregistro de las imágenes, según los parámetros orbitales de cada imagen, donde la imagen símil o “esclava” se alinea con la imagen de referencia o “máster”, y se realiza el cálculo de la fase, dependiendo del elipsoide de referencia. Esto con el fin de estimar y obtener mapas de desplazamiento mediante el reaplanamiento del interferograma y puntos de control.

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3. Resultados y discusiones Se realizan las técnicas adecuadas de corregistro con el fin de obtener los interferogramas para cada polarización. Los algoritmos fueron trabajados directamente con la matriz de dispersión, que es un descriptor polarimétrico de primer orden. El corregistro se basa en la correlación cruzada de las amplitudes al cuadrado de las dos imágenes. Los interferogramas se generan de manera similar a la correlación estándar; los puntos de registro son aquellos que maximizan la coherencia, tanto en amplitud como en fase de la longitud de onda (llamada coherencia compleja), y se multiplica punto a punto la señal de la imagen símil o secundaria por la señal compleja de la imagen referencia.

Figura 5 (arriba). Interferogramas imágenes

Los resultados de interferogramas sintéticos y filtrados se pueden observar en la Figura 4, así como la metodología para el análisis de resultados en el proceso de interferometría para la generación de mapas coherentes y mapas de desplazamiento. Estos pasos se realizan con cada una de las polarimetrías, además de analizar el estado de interferogramas de fase. En la Figura 5 se muestran los interferogramas sintéticos y filtrados correspondientes al proceso interferométrico de las imágenes con fechas 8 de abril (5), 15 de junio (4) y 10 de junio (6) de 2009; siendo estas de fechas cercanas, se realizó la técnica DinSar para establecer el estado actual del terreno utilizando la imagen seis (6) como referencia y las imágenes cuatro (4) y cinco (5) como símiles. La imagen de referencia se estableció porque cubre el total del área de las dos imágenes símiles y tiene las cuatro polarizaciones, estableciendo relación con las otras dos imágenes que tienen polarización HH y HV. Teniendo el desenrollado de fase y los interferogramas reconstruidos se genera el Modelo Digital de Elevación, (DEM). Para ello se invirtió el modelo

geométrico ajustado de la imagen principal, dependiendo de las diferencias de fase reconstruidas, obteniendo el producto georreferenciado, mediante la técnica DinSaR para generación de mapas de desplazamiento, los cuales se presentan a continuación y según las diferentes combinaciones posibles realizadas que se pueden visualizar en las Figuras 6 y 7.

Figura 6. Mapas de desplazamiento vertical detectado por el sensor Alos Palsar entre junio de 2007 y julio de 2008 en el sector sur (Saldaña) de la cuenca del Valle Superior del Magdalena

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En la Figura 7 se muestran los mapas de desplazamiento correspondientes a las escenas SAR en polarización HH y HV, reflejando cambios de altura altos (negativos) en los meses del abril y junio de 2009 en sectores sobre el río Magdalena, en las llanuras de las poblaciones de Prado, Purificación y Saldaña, asociados a sectores de posibles cultivos y otras actividades de uso del suelo, por lo que estos resultados para diagnóstico de subsidencia en sectores de exploración y explotación de hidrocarburos no son influyentes. Sin embargo, para un período de dos años (2007 a 2009) el mapa de desplazamiento de las imágenes 5-0, en la Figura 7 arroja resultados de altos positivos hacia el bloque cabalgante de la Falla Oriental del Magdalena, sobre el campo de exploración de Pechui (Ecopetrol) y el campo de explotación del Espinal (Petrobras).

Figura 7. Mapas de Desplazamiento vertical generados para el sector sur (Saldaña) de la cuenca del VSM

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Desde la generación del interferograma sintético se observan cambios en la superficie hacia el sector occidental en la margen izquierda del río Magdalena sobre campos de producción como Abanico y Espinal, que en el mapa de desplazamiento (Figura 7) dan alturas negativas indicando una leve subsidencia que es marcada por el límite de la Falla del Prado, en este sector. Hacia el sector del sinclinal, oriental, marca alturas negativas, indicando cambios de superficie que se pueden asociar a áreas con fenómenos de subsidencia por explotación de hidrocarburos, debido a la cercanía con el eje del anticlinal allí expuesto; también se ven cambios en la zona de exploración de Guasimo, hacia la población del Guamo. De igual forma, en las regiones de poblaciones como Saldaña y Purificación, registrados en el interferograma final (Figura 10). En el área de intercepción de los dos ríos se observa un sector con gran variabilidad, en medio de sus meandros, que presenta cambios asociados a cultivos por ser esta zona.

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Los mapas de desplazamiento indican, para el periodo de dos años sobre los campos de open roun 2010, una estabilidad del terreno, mostrando cambios graduales en toda el área de la imagen SAR, presentándose alturas negativas hacia el sureste de esta escena y valores más estables sobre las zonas de las Fallas de Altamizal y de Colombia. La estructura geológica de la Falla (de Prado) Oriental del Magdalena no presenta cambios de coherencia apreciables que estén generando subsidencia, asociados a esta estructura geológica; sin embargo, se necesita realizar mayor procesamiento digital riguroso y conocer la historia sísmica de la zona y su comportamiento, mediante puntos de control de GPS para verificar el movimiento o los movimientos del sector. Se debe comparar con algún registro de producción y evolución geológica en el sector Saldaña sobre la cuenca sedimentaria del sur del Valle Superior del Magdalena, ya que la variabilidad y el cambio de las alturas está dando el mapa de coherencia que se observa en los interferogramas. Se recomienda que una vez realizado el procesamiento digital interferométrico y se genere

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Figura 8. Procesamiento digital y técnicas interferométricas de las imágenes RadarSat

un mapa en un formato de imagen, se trabaje suprimiendo la vegetación o se siga un procedimiento para poder extraer la capa de vegetación de las imágenes de radar como identificación de canopic en estas zonas de bosque, para estar seguros de los cambios que se están presentando. En la Figura 8 se observan los resultados de interferogramas y mapas de cohe-

rencia de las imágenes RadarSat-2 del 2009, entre febrero y mayo. Hay cambios de coherencia en las regiones de poblaciones como Saldaña y Purificación. En el área de intercepción de los dos ríos se observa un sector con gran variabilidad, en medio de sus meandros, que presenta cambios asociados a cultivos. Se debe comparar con algún registro de producción y evolución geológica en el sector de Saldaña, sobre la cuenca se-

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geoespaciales que proporcionan de forma rápida el diagnóstico de subsidencia asociado a campos de hidrocarburos.

Figura 9. Comparación del mapa de desplazamiento vertical Polarización HV con Unidades Geológicas

dimentaria del sur del Valle Superior del Magdalena, pues con la variabilidad y el cambio de las alturas, registrados en los mapas de coherencia que se observan en los interferogramas, están presentes en las zonas de bosque tropical. Aunque los procesos digitales aplicados han sido los mismos para las dos fuentes de sensores, con los datos de RadarSat-2 no se logró realizar el refinamiento de fase y los productos de mapas de coherencia no son ajustados a su geoposicionamiento, según los datos orbitales originales sumistrados; por lo tanto, no se presentan los productos de mapas de desplazamiento derivados de este sensor. Por el contrario, con los datos del sensor Alos Palsar se generaron los mapas de desplazamiento respectivos y se ven sus diferencias. Sin embargo, para seguir realizando este tipo de técnicas de procesamiento y establecer un diagnóstico de las cuencas sedimentarias y de campos de hidrocarburos de producción, de exploración o simplemente establecer el estado actual de cada cuenca, es necesario combinar tipos de datos de sensores remotos con datos directamente tomados en el terreno. Además, seguir realizando extracción de datos con procesos y técnicas de sensores aerotransportados, para evitar co registros tan ambiguos como el que generan los pases orbitales de los sensores satelitales, pero que por su temporalidad y cubrimiento en la toma de datos son las mejores herramientas

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La Figura 9 muestra el mapa de desplazamiento vertical detectado por el sensor Alos Palsar, en un periodo de un año (2007 a 2008), con Polarización HV en el sector sur (Saldaña), en zonas de la cuenca del Valle Superior del Magdalena; y se compara con sus unidades geológicas. Es la zona con mayor contraste entre los movimientos verticales detectados por técnicas de sensores remotos o teledetección relacionado a la tectónica allí existente, donde los movimientos de subsidencia son bajos y orientados según la dirección de la Falla del Prado. Por el contrario, se ve un moderado levantamiento del terreno percibido por los datos radar, que delimita el cabalgamiento de la Falla de Altamira y está presente al este de la Falla de Colombia, dentro del área del campo exploratorio denominado Villarrica Norte. Sin embargo, con los datos del mismo sensor, pero con las escenas de mayor detalle y menor cubrimiento, se observa que los movimientos verticales asociados a subsidencia de mayor rango (Figura 7) se encuentran en la zona orientada al noroeste, sobre el campo de producción denominado Espinal. Con la escena contigua y con los datos de radar de la escena de similares características, del sensor Alos Palsar, también se detecta una zona de moderado hundimiento, en el área exploratoria del campo Pechi, fenómenos asociados a subsidencia, que deben ser estudiados de acuerdo con el comportamiento de la geología de extensión de la cuenca sedimentaria y su tectónica. Al relacionar técnicas interferométricas de datos radar en cuencas sedimentarias con fenómenos de subsidencia, hay que tener en cuenta que los datos provenientes son de sensores remotos y de satélite, con un periodo de aparición desde el 2001 y con tomas específicas para estas técnicas de pro-

Aplicación de datos de radar con técnicas interferométricas en el diagnóstico de subsidencia en campos de hidrocarburos

cesamiento digital desde el 2006. Por tanto, para establecer una correlación de estos fenómenos con la evolución de la cuenca es necesario saber a priori el comportamiento de esta y relacionarla con la historia de explotación del recurso natural cuando se realiza la asociación con campos de producción de hidrocarburos. También se debe establecer por medio de otros recursos de imágenes el estado actual de las cuencas sedimentarias, que aún no han sido explotadas y que en un futuro pueden ser productoras. Además de diagnosticar su estado actual, se deben utilizar estas técnicas para el monitoreo y chequeo de cada campo o región de las cuencas sedimentarias para una mejor aproximación en la evaluación de subsidencia.

Conclusiones En la búsqueda y adquisición de imágenes SAR para procesos y técnicas interferométricas se debe tener en cuenta que el producto siempre esté en la geometría del rango de inclinación, y sea SLC (Single Look Complex). En el caso de RadarSat los productos con estas características corresponden al sensor RadarSat-2 y en el caso de imágenes Alos-Palsar a los productos FBD y PLR que utilizan un nivel de números complejos. Es necesario continuar investigando técnicas de interferometría y realizar más combinaciones con las siete imágenes Alos Palsar, y demás sensores SAR posibles para realizar la cuantificación del diagnóstico de las zonas de subsidencia en este sector, además de evaluarlos con los datos y localización de pozos y su producción. Para una mejor verificación y chequeo de procesamiento de las imágenes Alos-Palsar se recomienda realizar las mismas técnicas interferométricas de InSaR, CPT y DinSaR con el módulo de

SaRscape de Envi y realizar las diferentes comparaciones de resultados. Las especificaciones para realizar diagnósticos de subsidencia dentro de las zonas de las cuencas sedimentarias de exploración y explotación de hidrocarburos y sus derivados son: ▪▪ Adquirir imágenes de radar de la misma zona, del mismo sensor, del mismo pase orbital (ascendente o descendente) y en lo posible polarimétricas (para el desarrollo de combinaciones) para conocer y establecer el estado de la superficie de terreno, con ello se aplican técnicas interferométricas. ▪▪ Además, tener dos o más imágenes de la misma zona y con las mismas características anteriores para determinar cambios de estado de la superficie, asociados a fenómenos de subsidencia por exploración y explotación de este recurso natural o al mismo comportamiento geológico actual de la zona. ▪▪ El par interferométrico o de referencia no debe tener una línea base mayor a 200 m para evitar incertidumbre en la generación de modelo de referencia para la superficie del terreno, y con un barrido bueno para evitar mayores ajustes y correcciones geométricas en la imagen. ▪▪ Es necesario tener varias imágenes polarimétricas y realizar múltiples interferogramas y mapas de coherencia (por lo menos 12) para un análisis riguroso; además, saber y entender la historia geológica de cada cuenca sedimentaria o del sector por analizar, que presenta la imagen, al igual que tener datos de producción y explotación hidrocarburífera para dar explicación a los sitios con fenómenos de subsidencia que se presenten con los procesamientos digitales de las imágenes de radar y hacer su respectiva validación.

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▪▪ Con imágenes de pase orbital ascendente y descendente se realiza una mejor comparación de productos de mapas generados, que sería lo más conveniente en el desarrollo de este tipo de diagnóstico y análisis, aunque implicaría tener el doble de imágenes para su desarrollo. Dependiendo de las expectativas y el costo, se tendría en cuenta para el desarrollo completo en determinación de fenómenos de subsidencia y evaluación de cuencas sedimentarias de hidrocarburos.

Se deben seguir aplicando metodologías y pruebas con esta clase de técnicas y con diferentes sensores para lograr establecer y realizar una valoración de cuencas sedimentarias en el territorio colombiano, que ayuden y sean parte del diagnóstico, evaluación y monitoreo tanto en el sector minero-energético como en la caracterización del estado actual de las cuencas que ayuden al diagnóstico y entendimiento de amenazas naturales, dentro de la gestión del riesgo y para la debida planificación territorial.

Glosario ERSDAC Siglas en inglés “Earth Remote Sensing Data Analysis Center” cuyo significado es Centro de Análisis de Datos de la Tierra Provenientes de Sensores Remotos, localizado en Japón. CEOS Formato digital original definido por el Comité de Satélites de Observación de la Tierra (CEOS ’Committee on Earth Observation Satellites’) para imágenes de datos de sensores remotos. VEXCEL Formato digital original según el procesador distribuido por ERSDAC and JAXA, Agencia espacial japonesa.

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