Detecção de deslocamentos na superfície da Barragem de Germano com Interferometria Diferencial de imagens SAR (DInSAR)

Autores

¹Negrão, P.; ²Mura, J.C.

¹INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE) Email: priscila.negrao@inpe.br
²INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE) Email: mura@dpi.inpe.br

Resumo

Em ambientes de mineração a céu aberto ocorrem instabilidades em estruturas como taludes, pilhas e barragens de rejeito ou material estéril, entre outras. Devido à ocorrência dessas instabilidades, é fundamental o monitoramento dessas estruturas. Os sistemas de monitoramento quantitativo em minas a céu aberto geralmente envolvem instrumentos para medidas de movimentações superficiais e subterrâneas. No contexto de movimentações superficiais, a interferometria diferencial com dados de radar de abertura sintética (Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar – DInSAR) se destaca por ser uma técnica que permite a detecção de deslocamentos da ordem de centímetros e até milímetros em uma extensa área, o que permite uma visualização sinóptica da deformação em toda a mina. Essa técnica é derivada da interferometria (InSAR) e visa a detecção de deslocamentos ocorridos entre as aquisições das imagens a partir da diferença de fase do sinal de pixels homólogos. As imagens devem ser, necessariamente, adquiridas em instantes distintos. Para uma melhor amostragem e modelagem do fenômeno da deformação são utilizadas técnicas avançadas com séries temporais de imagens SAR. Tendo em vista o potencial da DInSAR para o monitoramento de instabilidades na mineração, o objetivo do trabalho é realizar essa técnica, em sua forma avançada, com uma série temporal imagens (DInSAR Time Series – DTS) para a detecção de deslocamentos superficiais na Barragem de Germano. Tal barragem está inserida na mina de ferro a céu aberto de mesmo nome, localizada no município de Mariana, Minas Gerais. Nessa mina também estava localizada a Barragem do Fundão, que se rompeu em 5 de novembro de 2015. Para realizar o trabalho foi utilizado um conjunto de 30 imagens do satélite TerraSAR-X, de comprimento de onda de 3,1cm, no formato SLC (Single Look Complex) adquiridas entre 11 de novembro de 2015 e 18 de outubro de 2016 a cada 11 dias, em órbita ascendente e com ângulo de incidência médio de 35°. Além das imagens, é necessário dispor de um modelo digital de elevação (MDE) preciso para poder remover a componente da topografia na diferença de fase e associar a diferença ao deslocamento. Neste trabalho foi usado um MDE com resolução de 2m, provido pela empresa VISIONA Tecnologia Espacial e gerado a partir de tríplete de imagens estereoscópicas do satélite Pléiades 1A (0,5m de resolução espacial). Existem diversas abordagens para a realização de técnicas avançadas DInSAR com série temporal de imagens, podendo elas variar em critérios como: configuração da linha de base, critério de seleção de pixel e modelo de deformação. Neste trabalho foi realizada a abordagem DTS com uma configuração de linhas de base curtas. Para isso foram definidos valores máximos para as linhas de base temporal e espacial de 35 dias e 900m, respectivamente. Com isso foram selecionados 77 pares de imagens para a realização da diferença de fase, também denominados de pares interferométricos ou interferogramas. A realização da diferença de fase nos pares interferométricos selecionados não é feita para todos os pixels da imagem. Foram selecionados então pixels segundo o critério de coerência, que é de uma medida da variabilidade da diferença de fase, ou fase interferométrica. Esse critério apresenta valores entre 0 e 1, sendo 0 para pouca coerência e alta variabilidade e 1 para alta coerência e baixa variabilidade. Como nessa técnica são utilizadas imagens adquiridas em datas distintas pode haver perda de coerência devido a mudanças nas caraterísticas dos alvos. O valor de coerência mínima utilizado neste trabalho foi de 0,4. A análise temporal DInSAR foi realizada para a pilha de 77 interferogramas diferenciais, cujos valores de deformação temporal dos pixels selecionados foram determinados pela solução de mínimos-quadrados com base no método de inversão SVD (Single Value Decomposition), após o processo de desdobramento de fase (phase unwrapping) com o algoritmo MCF (minimum Cost Flow). A solução do sistema de equações é o valor de deformação na linha de visada do radar (Line of Sight – LoS) ocorrida entre as datas subsequentes. Com essa solução foi possível obter um mapa com a velocidade de deslocamento, gerar gráficos que apresentam o valor da deformação para cada data de aquisição das imagens e determinar o valor do deslocamento acumulado para cada pixel analisado. O deslocamento acumulado é o valor total de deslocamento sofrido desde a data da primeira imagem adquirida até a última. A Barragem de Germano pode ser setorizada nas sub-estruturas Baia 3, Sela e Tulipa, Selinha e Barramento Principal. A Baia 3 é destinada a receber os rejeitos finos (lamas) provenientes do processo de tratamento do minério de ferro e nela foram encontrados deslocamentos de até -80mm (taxa de deslocamento de -87,42mm/ano). Os diques de Selinha e Sela e Tulipa são estruturas construídas em rejeito compactado para o barramento de selas topográficas. No dique de selinha foram encontrados deslocamentos de até -30mm (taxa de -32,78mm/ano) enquanto no dique de Sela e Tulipa encontrou-se deslocamentos de até -20mm (taxa de -21,86mm/ano). O Barramento Principal também foi construído em rejeito compactado e possui 160m de altura e nele encontrou-se valores de deslocamento de até 50mm (taxa de -54,64 mm/ano). Esses deslocamentos negativos indicam subsidência. Os maiores valores de subsidência foram encontrados no reservatório da Baia 3 e isso se dá pela acomodação do rejeito. Com este trabalho constatou-se que a série temporal de Interferometria Diferencial (DTS) é uma ferramenta muito eficaz para monitoramento de estruturas em ambientes de mineração uma vez que permitiu a detecção de deslocamentos superficiais da ordem de milímetros em uma extensa área sem a necessidade de visitas a campo. Os resultados obtidos com a técnica permitem derivar informações para planejamento preditivo e avaliação de riscos no monitoramento da barragem.

Keywords

DInSAR; TerraSAR-X; Barragem de Germano

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