Estimación de cambios topográficos asociados a la erupción del Volcán del Fuego (Guatemala) en junio del 2018 usando modelos digitales de elevación de alta resolución

Eruption of the Fuego volcano in Guatemala in January 2018. Image: NASA.

Un Modelo Digital de Elevación (MDE) es una simulación de las alturas del terreno para una superficie determinada. En ambientes volcánicos activos, es posible utilizar MDEs antes y después de una erupción para evaluar los cambios topográficos después de una erupción y pueden ser usados para estimar el volumen del material expulsado durante la erupción.

En este artículo se presenta los resultados de la comparación de un MDE generado después de la erupción del 3 de junio del 2018 usando imágenes multiespectrales del satélite SPOT-7 adquiridas en agosto del 2018 y un MDE derivado de datos históricos del satélite radar ALOS-PALSAR (Advanced Land Observation Satellite) del año 2012. De manera específica se comparan los perfiles topográficos en varios sitios de la barranca Las Lajas para identificar zonas en la parte alta de la barranca, cercanas al domo activo, donde hubo una erosión sustancial de masa y otras zonas en la parte baja, donde se depositó parte de este material. Dicha comparación permite identificar el colapso parcial de la barranca en la cercanía al domo y desencadenó flujos masivos incandescentes que enterraron comunidades en la zona sureste del Volcán como San Miguel Los Lotes y El Rodeo; causando la muerte de 113 personas, 197 desaparecidos, 28 heridos y más de 3,000 personas desplazadas según registros de Coordinadora Nacional para la Reducción de Desastres (CONRED).

1. Volcán de Fuego (Guatemala)

El Volcán del Fuego (VF) se ubica en las coordenadas 14.47°N, 90.88°W a 40 km de la ciudad de Guatemala. Es considerado uno de los volcanes más activos en Centro-América. En los últimos 50 años este volcán ha manifestado más de 500 erupciones. El 3 de junio de 2018 presentó una de las actividades más violentas en su historia eruptiva reciente, caracterizada por una columna de ceniza con una altura mayor a los 20 km. El colapso del domo volcánico provocó un flujo piroclástico que se desplazó 11 kilómetros a lo largo de la barranca las Lajas sobre la ladera este del volcán, alcanzando las comunidades San Miguel Los Lotes, El Rodeo y otras en menor grado.

2. Morfologia

El Volcán de Fuego es parte de un complejo de volcanes antiguos y recientes que incluyen los volcanes Fuego y Acatenango. Se caracteriza por presentar pendientes mayores 37° hacia la parte proximal al cono; y pie de montes y alargadas planicies hacia la zona distal del volcán. Presenta una meseta activa hacia el noreste (antiguo Volcán Meseta), laderas abruptas y barrancas que se forman desde el cono hasta las planicies, donde se unen a los ríos Coyolate y Achiguate. En el extremo noreste se une con el Volcán Acatenango. El volcán de Fuego ha estado activo desde hace varios siglos, como lo han documentado historiadores desde la época de la conquista de Guatemala por los españoles.

3. Datos empleados

3.1. Imágenes Multiespectrales SPOT-7 para la generación de Modelos Digitales de Elevación de alta resolución.

Figura 1. Antena Recepción México – Nueva Generación (ERMEX-NG), México.
Figura 1. Antena Recepción México – Nueva Generación (ERMEX-NG), México. (Fuente: https://www.gob.mx/siap).

En agosto del 2019 se adquirieron dos imágenes SPOT-7 (Satellite Pour l'Observation de la Terre) a partir de la colaboración entre ONU-SPIDER, la Universidad Autónoma de Estado de México (gestor registrado) y la Antena Recepción México – Nueva Generación (ERMEX-NG); que se encuentra bajo la dirección del Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera (SIAP) (Figura 1).

3.2 Características técnicas del par estereoscópico SPOT-7

La constelación SPOT es uno de los pocos sensores de órbitas medias con capacidad estereoscópica para generar MDE de alta resolución a partir de su imagen pancromática (1.5 m de resolución pixel), con una revisita de cada 26 días, cubriendo áreas mayores a los 3,500 km2 y con una cobertura de nubosidad menor al 5%.

La capacidad estereoscópica de SPOT es factible debido a que las imágenes son adquiridas a lo largo de la misma órbita, pero con posiciones y orientaciones distintas; es decir, ambas tomas se encuentran iluminando la misma zona pero a partir de diferentes puntos de observación. La capacidad estereoscópica de SPOT-7 funciona bajo una simple configuración geométrica conocida como “vista ágil”, lo cual implica una posición y orientación adaptable con respeto al objeto a observar.

Figura 2. Representación de la adquisición telemétrica con capacidad estereoscópica de imágenes SPOT-7 para el Volcán del Fuego, Guatemala.
Figura 2. Representación de la adquisición telemétrica con capacidad estereoscópica de imágenes SPOT-7 para el Volcán del Fuego, Guatemala.

De acuerdo con la Figura 3, el sensor realiza una primera adquisición denominada “FW” y después otra adquisición trasera “BW” y repite el proceso una vez más y finaliza la adquisición estereopar después de los 180 segundos. Es posible adquirir una cobertura tri-estereo mediante una tercera adquisición sobre el nadir con hasta 30° de ángulo de incidencia.

Figura 3. Configuración geométrica de cómo se adquiere imágenes estéreo de SPOT-7
Figura 3. Configuración geométrica de cómo se adquiere imágenes estéreo de SPOT-7

3.3. Modelo Digital de Elevación de ALOS-PALSAR

Con el objeto de evaluar el cambio topográfico posterior a la erupción del 3 de junio del 2018, se utilizó un MDE derivado de datos históricos del satélite radar ALOS-PALSAR (Advanced Land Observation Satellite) del año 2012. El MDE fue adquirido mediante la plataforma web Alaska Satellite Facility (ASF), dicho modelo viene incluido en cada una de las imágenes radar descargables y fue generado a una resolución a 12.5m.

4. Método

Posterior a la generación del MDE a partir de la técnica estereoscópica utilizando imágenes SPOT-7, se realizó una comparación de perfiles topográficos para ambos MDE (ALOS-PALSAR y SPOT-7) escogiendo los transectos más representativos de cambio posteriores a la erupción tanto en el domo volcánico como a lo largo de la barranca Las Lajas. Tal es el caso del flanco este del Volcán, donde ocurrió el mayor desprendimiento del edificio asociado al colapso de un segmento de la barranca y a la secuencia de flujos piroclásticos desencadenados de manera subsecuente.

Por otra parte se realizó un proceso de fusión entre la imagen multiespectral de 6.5m y la pancromática de resolución 1.5m. El proceso de fusión implica conjuntar la radiometría que brindan cada una de las bandas que conforman el conjunto de datos multiespectrales pero respetando la alta resolución de pixel que brinda la imagen pancromática, permitiendo así observar un mayor detalle de las geoformas con la capacidad de una imagen multiespectral.

5. Resultados y recomendaciones

Figura 4. Modelo Digital de Elevación generado a partir de imágenes con capacidad estereoscópica SPOT-7, resolución 7 m. Ejemplo de la barranca Las Lajas
Figura 4. Modelo Digital de Elevación generado a partir de imágenes con capacidad estereoscópica SPOT-7, resolución 7 m. Ejemplo de la barranca Las Lajas.
Figura 5. Fotografía de la barranca las Lajas después de la explosión del 3 de junio de 2018 en el Volcán del Fuego. La línea punteada en rojo representa la cicatriz en la cabecera o zona proximal de la barranca. Las líneas en amarillo representan la dirección de los flujos piroclásticos (Cortesía Secretaría Ejecutiva de CONRED).
Figura 5. Fotografía de la barranca las Lajas después de la explosión del 3 de junio de 2018 en el Volcán del Fuego. La línea punteada en rojo representa la cicatriz en la cabecera o zona proximal de la barranca. Las líneas en amarillo representan la dirección de los flujos piroclásticos (Cortesía Secretaría Ejecutiva de CONRED).

Se generó un MDE con una resolución de 7 m utilizando las imágenes pancromáticas (1.5m) de SPOT-7, cubriendo una superficie de 3,000 km2 (Figura 4). Con la finalidad de obtener una mayor utilidad del MDE se realizaron cortes donde el Volcán presentó mayores modificaciones de la topografía como fue el flanco este; donde ocurrió parte del desprendimiento de material de la ladera y de la parta alta de la barranca Las Lajas y por donde descendieron los flujos piroclásticos subsecuentes que sepultaron a las comunidades de San Miguel Los Lotes y El Rodeo (Figura. 5)

Se generaron diez perfiles topográficos antes y después de la erupción de 2018 sobre la barranca Las Lajas y otras aledañas (Figura 6). Los perfiles A y B representan dos transectos del domo volcánico en orientaciones este-oeste y norte-sur respectivamente. En ambos casos se puede observar un cambio en la geoforma del domo al comparar los MDEs. Se detecta un incremento de hasta 50 m después de la erupción del 2018. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que la generación del MDE ALOS – PALSAR data del año 2012, y entre los años 2012 y 2018; el volcán mantuvo una actividad eruptiva que podría modificar los perfiles en alguno de estos años.

Los perfiles C y D mostraron cambios debido a procesos erosivos hacia las partes proximales de la barranca, los cuales se asocian a un desprendimiento de ladera aunado a la cicatriz ya existente. En particular, el perfil C muestra un socavamiento de hasta 30 metros de profundidad (MDE de SPOT-7) respecto a la cicatriz ya existente (MDE de ALOS-PALSAR). Por otra parte, a partir del perfil E se comienza a observar un proceso de acumulación de material.

Antes de la erupción del 2018 se observa una morfología típica en forma de “V”, característica de barrancas formadas por erosión fluvial. Posterior a la erupción los perfiles muestran una morfología más compleja caracterizada por depósito y acumulación de material (flujos piroclásticos). Se observa una mayor acumulación de material en el perfil F con un incremento de hasta 80m de altura con respecto al perfil extraído del MDE de ALOS PALSAR del 2012. Los perfiles G y H, que se ubican hacia la zona más distal del cráter, muestran cambios de menor dimensión. Sin embargo, para los perfiles I y J se observan continuas diferencias debido a la acumulación de material, cuyo espesor no supera los 9 metros de altura.

Figura 6. Comparación de perfiles topográficos empleando los modelos digitales de elevación ALOS-PALSAR y SPOT-7 en el domo y en varias zonas de la barranca Las Lajas.
Figura 6. Comparación de perfiles topográficos empleando los modelos digitales de elevación ALOS-PALSAR y SPOT-7 en el domo y en varias zonas de la barranca Las Lajas.

Por otra parte, como se mencionó en el apartado metodológico, se realizaron procesos de fusión entre las bandas multiespectrales y la banda pancromática de SPOT-7. Este tipo de tratamientos digitales aplicados a imágenes ópticas son de utilidad para la fotointerpretación de procesos geomorfológicos.

En las imágenes de la Figura 7a y 7b se muestran ejemplos de visualización de la imagen multiespectral original a 7.5 m en falso color (imágenes de la izquierda) y la imagen fusión utilizando la resolución de la imagen pancromática a 1.5m (imágenes de la derecha). Observe como las geoformas en las imágenes de la derecha se identifican con mayor detalle o resolución espacial en comparación con la imagen multiespectral original. De igual forma, es posible identificar a simple vista los canales fluviales superficiales que pueden ser asociados a procesos de lahar. Este tipo de información es útil para identificar zonas donde puede haber erosión y transporte de material durante época de lluvias.

Figura 7a. Comparación entre la imagen multiespectral convencional SPOT-7 con resolución de 7.5m y el resultado derivado del proceso de fusión con la imagen pancromática de1.5m de resolución para la zona más cercana al domo. Las letras mayúsculas en ambas imágenes representan los perfiles topográficos elaborados para el comparativo de la topografía.
Figura 7a. Comparación entre la imagen multiespectral convencional SPOT-7 con resolución de 7.5m y el resultado derivado del proceso de fusión con la imagen pancromática de1.5m de resolución para la zona más cercana al domo. Las letras mayúsculas en ambas imágenes representan los perfiles topográficos elaborados para el comparativo de la topografía.
Figura 7b. Comparación entre la imagen multiespectral convencional SPOT-7 con resolución de 7.5m y el resultado derivado del proceso de fusión con la imagen pancromática de1.5m de resolución para la zona de las faldas del volcán. Las letras mayúsculas en ambas imágenes representan los perfiles topográficos elaborados para el comparativo de la topografía.
Figura 7b. Comparación entre la imagen multiespectral convencional SPOT-7 con resolución de 7.5m y el resultado derivado del proceso de fusión con la imagen pancromática de1.5m de resolución para la zona de las faldas del volcán. Las letras mayúsculas en ambas imágenes representan los perfiles topográficos elaborados para el comparativo de la topografía.

Este ejercicio demuestra como es posible generar MDE e imágenes fusionadas de alta resolución a partir de la constelación SPOT 6 Y 7. Esta constelación SPOT es una de las pocas en la actualidad que cuenta con la capacidad para adquisición de imágenes con distinto ángulo de vista. Conociendo sus metadatos de adquisición, es relativamente fácil conformar un par de imágenes con capacidad estereoscópica. De esta forma, se puede hacer uso de todo el acervo histórico con el que se cuenta en diversas plataformas de acceso libre. La generación de MDE tiene un gran potencial para conocer los cambios y estimar volúmenes de material en volcanes activos con la finalidad de generar cartografía inmediata posterior al desastre que sea de utilidad para las autoridades a cargo de la protección civil.

Créditos

Este ejercicio ha sido realizado en conjunto con ONU-SPIDER, La Universidad Autónoma del Estado de México (UAEMEX), el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT) y la Antena de recepción México-Nueva Generación (ERMEX-NG).

Referencias

  • USGS (2001). Volcano Hazards at Fuego and Acatenango, Guatemala. Open-file Report 01-43. Disponible en: https://pubs.usgs.gov/of/2001/0431/
  • D. Ferres, R. Escobar Wolf (2018). Informe Técnico: Volcán de Fuego. Publicación de la organización no gubernamental Acción Contra el Hambre (ACH) con apoyo de la Agencia Española de Cooperación Internacional (AECID).
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