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Nuevas tecnologías geoespaciales aplicadas a la gestión de riesgos en entornos patrimoniales: la preservación de fortificaciones de tapia mediante teledetección, índices de vulnerabilidad y sistemas de información geográfica

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Publication date
2023
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2023-07-27
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Ortiz Calderón, María del Pilar
Ortiz Calderón, María del Rocío
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Abstract
La conservación del Patrimonio Cultural construido con tierra plantea muchas dificultades por su variabilidad, vulnerabilidad y extensión en el terreno. Hoy en día, los efectos del cambio antrópico-climático y su impacto en los entornos naturales y modelos sociodemográficos tradicionales aumentan los niveles de riesgo que afectan a este tipo de patrimonio. En este contexto, disponer de herramientas que posibiliten una gestión eficiente del riesgo es una prioridad para dar una respuesta rápida y asegurar la preservación de estos recursos tan singulares. Esta Tesis Doctoral plantea como hipótesis que adaptar los modelos de evaluación de riesgo tradicionales al registro de cambios climáticos y antrópicos puede ayudar a gestionar de manera más eficiente los recursos disponibles y minimizar los daños en este tipo de patrimonio. Partiendo de esta hipótesis, se propone como objetivo principal desarrollar un modelo integral y dinámico que evalúe el riesgo que afecta a las fortificaciones de tapia mediante la exploración de las posibilidades que las nuevas técnicas de análisis geoespacial ofrecen a esta línea de investigación. El nuevo modelo desarrollado en esta investigación considera la evaluación del riesgo como el resultado de 26 factores de peligrosidad y vulnerabilidad que operan conjuntamente. Las amenazas son divididas en 3 categorías: meteorológicas, hidrológicas-geofísicas y sociales; y la vulnerabilidad en 4 categorías: estado de conservación, características constructivas, características de uso y entorno inmediato. Las amenazas meteorológicas y climáticas han sido evaluadas implementando un flujo de trabajo en Google Earth Engine (GEE) para analizar estadísticamente grandes volúmenes de imágenes satelitales. El método propuesto está fundamentado en el uso de funciones, reductores estadísticos, índices y álgebra de mapas. Su uso ha permitido analizar la fiabilidad de los productos satelitales estimados para seleccionar aquellos que presentan mejor precisión y exactitud. El modelo propuesto ha empleado los reanálisis climáticos CHIRPS y PERSIANN y los recursos satelitales GSMAP, MODIS y LANDSAT. Su uso ha sido validado mediante el cartografiado de las amenazas climáticas y meteorológicas que afectan a la conservación de las fortificaciones de tapia de la región de Andalucía (España). Las peligrosidades geofísicas e hidrológicas han sido modeladas en esta Tesis Doctoral a partir de la cartografía propuesta en el modelo Art-Risk 1 (Ortiz et al, 2014; Moreno et al., 2022a) y las peligrosidades sociales han sido analizadas a partir de una adaptación de los indicadores del modelo Art-Risk 3 (Prieto et al., 2020), el uso de imágenes de vuelos históricos y la inspección in situ. La vulnerabilidad ha sido evaluada y cartografiada adaptando el modelo de matrices de tipo Leopold e índices de vulnerabilidad simples y expandidos del modelo Art-Risk 1 (Ortiz, 2014; Ortiz & Ortiz, 2016). La vulnerabilidad asociada a la composición de la tapia ha sido analizada mediante caracterización mineralógica por difracción de rayos X (DRX) en polvo y en agregados orientados para identificar las arcillas presentes en la fracción de finos de las tapias históricas. El uso de técnicas de análisis multirriesgo, Sistemas de Información Geográfica (SIG) y técnicas multicriterio como el Proceso Analítico Jerárquico (AHP) ha permitido ponderar y estructurar la evaluación conjunta de los 26 factores de riesgo en función de la percepción y el juicio de un grupo interdisciplinar de 14 expertos. El resultado principal de esta Tesis Doctoral es la elaboración de un flujo de trabajo que posibilita el uso masivo de series de imágenes satelitales e índices de vulnerabilidad para jerarquizar y cartografiar la exposición de las fortificaciones de tapia al riesgo. Entre sus ventajas destacan la rapidez con la que puede ser actualizada la información y la capacidad para monitorear los cambios ocurridos en amplios territorios y periodos climáticos de más de 30 años. Para su validación, este modelo ha sido aplicado en 31 municipios andaluces que conservan restos de fortificaciones de tapia. En total se han analizado 1405 lienzos y torreones de tapia pertenecientes a 57 fortificaciones históricas. Los resultados obtenidos han permitido: 1) cartografiar las amenazas meteorológicas, geofísicas, hidrológicas y sociales del territorio andaluz para las fortificaciones de tapia; 2) y clasificar las fortificaciones y lienzos según su vulnerabilidad y nivel de exposición al peligro y al riesgo para facilitar la toma de decisiones en su conservación. La evaluación de amenazas a través de la cartografía revela que en Andalucía los principales factores de peligrosidad son la sequía y las precipitaciones extremas, y se ha detectado una alta amenaza sísmica para las fortificaciones de tapia localizadas en las provincias de Granada y Almería. Además, se ha observado una tendencia generalizada al aumento de las temperaturas medias y máximas durante el verano y otoño, así como una prolongación de las sequías y un incremento de la densidad de vegetación en áreas semi-naturales. Según las herramientas desarrolladas para evaluar la vulnerabilidad de las fortificaciones de tapia de Andalucía, se ha podido obtener un listado jerarquizado de la vulnerabilidad que presentan las 57 fortificaciones analizadas. En términos generales, se han registrado valores leves-moderados de vulnerabilidad que están relacionados con el buen estado de conservación de la tapia y la existencia de refuerzos pétreos en los muros. Las fortificaciones que presentan una vulnerabilidad alta son aquellas que presentan un mal estado de conservación, han perdido los revestimientos y se ven expuestas al acceso de humedad al interior de los muros, lo que provoca la aparición de patologías y disminuye su durabilidad. En las zonas restauradas, la aparición de desplacados y arenización, se relaciona con agarres deficientes entre el núcleo original de los muros y los morteros de restauración. Los resultados obtenidos mediante DRX, ponen de manifiesto que aquellos tapiales con una proporción menor de filosilicatos y calcita tienden a presentar desplacados con mayor frecuencia. La cartografía de riesgo obtenida visibiliza la situación en la que se encuentra cada una de las fortificaciones analizadas y posibilita priorizar la urgencia de las restauraciones desde una perspectiva de la gestión del riesgo territorial. De este modo, el modelo integral de riesgo propuesto permite incluir un enfoque normalizado del riesgo en la diagnosis de las fortificaciones de tierra de acuerdo con la norma europea EN 16096:2012 y el Plan Nacional de Arquitectura Defensiva. En síntesis , la investigación desarrollada en esta Tesis Doctoral ofrece un método que puede ser replicado en otros lugares para modelar el peligro a partir del análisis de datos satelitales fiables, evaluar los factores que condicionan la vulnerabilidad mediante el uso de índices y ofrecer una alerta temprana de las fortificaciones de tapia expuestas a altos niveles de riesgo, que es más probable que se vean afectadas durante una emergencia.
The conservation of earthen heritage poses many challenges. Today, the effects of anthropogenic climate change and its impact on natural environments and traditional sociodemographic models increase the levels of risk that affect the conservation of this type of heritage site. In this context, having tools that enable efficient risk management is a priority to provide a rapid response and to ensure the preservation of these unique resources. The hypothesis of this Doctoral Thesis is t he adaptation and improvement of traditional risk assessment models through recording climate and anthropogenic changes since that can help to more efficiently manage available resources and minimise damage to this type of heritage. Based on this hypothesis, the main objective is to develop a comprehensive and dynamic model that assesses the risk that affects rammed earth fortifications by exploring the possibilities that new geospatial analysis techniques offer to this line of research. The new comprehensive model developed in this research considers risk assessment as the result of 26 hazard and vulnerability factors that operate together. The threats are divided into 3 categories: meteorological, hydrological-geophysical and social; and vulnerability into 4 categories: conservation status, construction characteristics, use and surroundings. Meteorological and climatic threats have been assessed by implementing a workflow on Google Earth Engine (GEE) to statistically analyse large volumes of satellite imagery. The proposed method is based on the use of functions, statistical reducers, indices and map algebra. Its use has made possible to analyse the reliability of estimated satellite products, selecting those that exhibit better precision and accuracy. The design model has used the CHIRPS and PERSIANN climate reanalyses and the GSMAP, MODIS and LANDSAT satellite resources. The use thereof has been validated through the mapping of the climatic and meteorological threats that affect the conservation of rammed earth fortifications in the region of Andalusia (Spain). The geophysical and hydrological hazards have been modelled based on the mapping proposed in the Art-Risk 1 model (Ortiz et al., 2014; Moreno et al., 2022a); in the case of social hazards were analysed using an adaptation of the Art-Risk 3 model indicators (Prieto et al., 2020) and the use of images from historical flights and on-site inspection. Vulnerability has been assessed and mapped adapting Leopold matrix model and Art-Risk 1 simple and expanded vulnerability indices (Ortiz, 2014; Ortiz & Ortiz, 2016). The vulnerability associated with the composition of the rammed earth has been analysed through mineral characterisation by X-Ray Diffraction (XRD) in powder and oriented aggregates to identify the clays present in the fine fraction of the historical rammed earth walls. The use of multi-risk analysis techniques, Geographic Information Systems (GIS) and multi-criteria techniques such as the Analytical Hierarchy Process (AHP) has made it possible to assess and structure the joint evaluation of the 26 risk factors based on the perception and judgement of an interdisciplinary group of 14 experts. The main result of this Doctoral Thesis is the development of a workflow that enables the massive use of satellite time-series imagery and vulnerability indices to rank and map the exposure of rammed earth wall fortifications to risk. Among its advantages are that information can be updated rapidly and the ability to monitor changes occurred over large territories in climatic periods of more than 30 years. In order to obtain validation, this model has been applied to 31 Andalusian municipalities that preserve the remains of rammed earth fortifications. In total, 1405 rammed earth ramparts and wall towers belonging to 57 historical fortifications have been analysed. The results obtained have enabled: 1) the mapping of the meteorological, geophysical, hydrological, and social threats that rammed earth fortifications are exposed to within the Andalusian territory; and 2) the classification of the fortifications according to their vulnerability and level of exposure to hazards and risk with the aim of facilitating decision-making regarding their conservation. The assessment of threats through mapping reveals that the main hazard factors in Andalusia are drought and extreme precipitation. An elevated seismic threat has been recorded for rammed earth fortifications located in the provinces of Granada and Almería. In addition, there has been a general trend towards higher average and maximum temperatures during summer and autumn, as well as a prolongation of droughts and an increase in vegetation density in semi-natural areas. Using the tools developed to assess the vulnerability of rammed earth fortifications in Andalusia, it was obtained a ranking list of the vulnerability exhibited by the 57 fortifications analysed. In general terms, it has been recorded low to moderate vulnerability values related to the good state of conservation of the rammed earth and the existence of stone reinforcements within the walls. Highly vulnerable fortifications are those that are in a poor state of conservation, have lost their coverings, and that are exposed to moisture seeping inside the walls, which causes the development of pathologies and decreases their durability. In the restored areas, the onset of spalling and sandblasting is related to deficient bonds between the original core of the walls and the mortars used in their restoration. The results obtained by XRD show that the earthen walls with a lower proportion of phyllosilicates and calcite tend to exhibit spalling more frequently. The state of each of the analysed fortifications is visible thanks to the risk mapping and this makes it possible to prioritise the urgency of restoration from a spatial risk management perspective. In this way, the proposed comprehensive risk model makes it possible to include a standardised risk approach in the diagnosis of rammed earth fortifications in accordance with the European Standard EN 16096:2012 and the National Defensive Architecture Plan. In summary, the research of this Doctoral Thesis offers a method that can be replicated in other locations in order to model the level of risk. This method is based on the analysis of reliable satellite data andthe assessment of vulnerability factors through the use of indices to provide early warning for rammed earth fortifications exposed to high levels of risk.
Doctoral program
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Research projects
Description
Programa de Doctorado en Historia y Estudios Humanísticos: Europa, América, Arte y Lenguas
Línea de Investigación: Historia y Estudios Humanísticos: Europa, América, Arte y Geografía
Clave Programa: DHH
Código Línea: 121
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