Prospecciones con georradar

Gianluca Catanzariti
Doctor en Geología
Christian Dietz
Doctor en Ciencias Químicas

El presente informe ha sido redactado tras las prospecciones geofísicas llevadas a cabo entre los años 2007-2011, en el yacimiento arqueológico de Numancia (Garray, Soria) en el ámbito de un proyecto de Investigación dirigido por el Prof. Alfredo Jimeno Martínez y adscrito al subprograma Juan de la Cierva 2009. El informe recoge los resultados de dos estudios realizados entre 2010 y 2011 dentro de los servicios de investigación prestados por el Centro de Arqueometría y Análisis Arqueológicos de la Universidad Complutense de Madrid, donde Gianluca Catanzariti ha sido empleado como Técnico de Apoyo de área geofísica. También se ilustran los resultados de otra prospección que le había sido encargada en 2007 al mismo autor de este informe, en el ámbito de su anterior labor de consultor geofísico.

Los trabajos más recientes se realizaron en dos puntos diferentes:

  • Un área de aproximadamente 1000 m2 ubicada en la Insula XXIII del yacimiento;
  • Una superficie de unos 400 m2 situada en la zona del campamento romano de Peña del Judío.

En el primer caso, el objetivo fue el mapeo de estructuras subyacentes en una parte del yacimiento ocupada por espacios habitativos que incluyen viviendas y zonas de talleres. En el segundo, se buscaron evidencias de estructuras antrópicas en uno de los supuestos campamentos romanos, con un interés enfocado a la búsqueda de colmataciones (fosos) y de restos del vallum. En cambio, el estudio de 2007 tuvo como objetivo la búsqueda de restos de la antigua muralla y fue desarrollado sobre una terraza de 960 m2 situada en la parte más oriental del yacimiento. Las investigaciones han tenido valor dúplice. Por un lado han querido representar una aproximación innovadora a la cuestión de la documentación arqueológica de las estructuras subyacentes, desarrollada en una óptica general que mira hacia la arqueología preventiva. Por otro, se ha tratado de estudios también dirigidos a la evaluación de las potencialidades de las técnicas radar dentro de las prerrogativas y de las exigencias de la arqueología, además de la experimentación de distintas soluciones técnicas y metodológicas para una eficaz representación de los resultados. En este sentido, las prospecciones en la Insula XXIII han sido también el objeto de una estancia de prácticas realizada por la estudiante Natalia Fuertes Zárate de la Universidad de Siena (Italia), dentro del programa de Master GTAR.C que la misma universidad ofrece.

Las prospecciones de 2007 han sido contrastadas con posteriores sondeos arqueológicos que han corroborado la coherencia de las interpretaciones formuladas, es decir que en correspondencia con las anomalías potencialmente adscritas a restos de la muralla fue documentada una estructura empedrada constituida por bloques de gran tamaño. Aunque resultó compatible, desde el punto de vista geofísico, con el objetivo buscado, las interpretaciones arqueológicas le atribuyeron un significado distinto. Los estudios en la Insula XXIII fueron realizados empleando una técnica de muestreo específicamente concebida para la elaboración de mapas radar de alta definición. En el área investigada se interceptaron seis trincheras realizadas en los años 60 por el arqueólogo alemán Schultz, por lo que tuvimos la posibilidad de contrastar nuestros resultados con las documentaciones arqueológicas de los antiguos sondeos. Las imágenes georadar obtenidas en este caso proporcionaron verdaderas "fotografías" del subsuelo capaces de describir también a ojos poco expertos la configuración arqueológica de la zona. Cabe remarcar que el trabajo en este sector quiso también abordar temas de cambios de orientaciones arquitectónicas a su vez relacionados con las distintas fases de ocupación que ha tenido el yacimiento, siendo la transición entre celtíbero-romana, la de mayor interés. En la práctica, estos cambios implican rotaciones de los ejes urbanísticos de muy pocos grados, por lo que su detección resulta compleja y debería basarse en la ejecución de sondeos arqueológicos de calibración específicamente dirigidos a corroborar los resultados geofísicos.

En el área de 400 m2 del Campamento de Peña del Judío fueron detectadas anomalías geofísicas superficiales que resultaron ser el efecto de variaciones litológicas de tipo natural, por lo que la búsqueda de estructuras antrópicas dio resultados negativos. Los datos han sido procesados primero con unos algoritmos de filtrado y correlación espacial compilados en Matlab por el Dr. Javier Pavón del Departamento de Geofísica y Meteorología de la UCM, para luego pasar al software GPR-Slice, desarrollado por el Geophysical Archaeometry Laboratory de Los Angeles(CA, USA). En el informe se proporciona una introducción metodológica sobre la técnica por georradar, se describe la instrumentación utilizada y las fase operativas de la adquisición de datos y se ilustran los resultados conseguidos.

Toma de datos: aspectos operativos e instrumentales

Todas las mediciones por georradar fueron realizadas con un sistema Spr Seeker (USRADAR Inc) equipado con transductor de posición, unidad de control-visualización y almacenamiento de datos, antenas apantalladas de 250 y 500 MHz, carro de transporte y baterías. El sistema emplea un amplificador hardware que permite la visualización en tiempo real de los datos amplificados, y un repetidor de pulsos con frecuencia de 1000 KHz. En todos lo estudios la resolución vertical de los radargramas (samples/scan) ha sido fijada en 512 muestras por traza, eligiendo una ventana temporal de muestreo (time windows) de 51 ns para los radargramas de 500 MHz y de 102 ns para los de 250 MHz. La resolución horizontal ha sido ajustada empleando una frecuencia espacial de 1 traza cada 10 mm de recorrido.


Malla de adquisición
Malla de adquisición
Imagen de la zona tomada desde el este
Imagen de la zona tomada desde el este.
Sector prospectado en la Ínsula XXIII
Sector prospectado en la Insula XXIII. En rojo oscuro se representa el sector cubierto por perfiles georadar paralelos espaciados de 12.5 cm; en rojo más claro el sector con espaciado de 25 cm

En las imágenes junto a este texto están representadas las ubicaciónes de las zonas investigadas y la distribución de los radargramas en ellas registrados. Según se observa en la imagen anterior, la prospección de los restos de la muralla se basó en la adquisición de perfiles distanciados de 1.5 m entre ellos, ya que el objetivo inicial del estudio no contemplaba la creación de imágenes de alta definición, sino el análisis visual de los datos y la representación en planimetría de las anomalías identificadas. En cambio, en la Insula XXIII llegamos a adquirir perfiles separados por una distancia de solamente 12 cm (en el área de color más oscuro de la imagen superior se adquirieron con inter-distancias de 25 cm; en la más clara el espaciado se redujo a 12.5). En este caso, los espaciados adoptados son próximos a los que impone la teoría de Nyquist para el muestreo de una señal electromagnética en las tres dimensiones sin que se produzcan fenómenos de aliasing. .

Prospección en el Campamento Romano de Peña del Judío. La flecha roja indica la dirección de adquisición de los radargramas
Prospección en el Campamento Romano de Peña del Judío. La flecha roja indica la dirección de adquisición de los radargramas.

La localización del sector estudiado dentro del Campamento de Peña del Judío está indicada en la imagen junto a estas líneas. En este caso, ya que el objetivo de las búsquedas fueron estructuras de una cierta contundencia se decidió trabajar con perfiles distanciados de 75 cm los unos de los otros. Las tomas de datos en todos los sectores investigados fueron ejecutadas sobre cuadrículas topográficas previamente preparadas por el equipo de arqueólogos del Prof. Alfredo Jimeno Martínez. Las coordenadas de los vértices de cada zona fueron levantadas mediante dispositivos GPR-RTK y empleadas a posteriori para la georreferenciación de los datos radar.

En la siguiente galería se muestran algunas fotografías tomadas durante los trabajos de campo. Se incluye una fotografía de una prospección puntual realizada con antena de alta frecuencia (1 GHz), no obstante los resultados obtenidos se han omitido en este informe por las dificultades interpretativas de los datos que registramos.


Procesado de los datos georadar

Los datos geo-radar fueron procesados aplicando la técnica del Time slicing por medio del programa informático GPR-Slice, desarrollado por el Geophysical Archeometry Laboratory de Los Angeles (CA, USA). Dicha técnica permite obtener representaciones planas y tridimensionales a partir de datos originariamente organizados según perfiles verticales (radargramas). Para ello, los radargramas fueron preliminarmente sometidos a un proceso de análisis y filtrado electromagnético dirigido a la eliminación de ruidos y frecuencias debidas a componentes externas al subsuelo. Más en detalle, la secuencia de filtros empleada fue la siguiente: Rectificación de la señal (dewow filter) -> Corrección estática y realineación del primer pulso -> Ganancia (gain filter) -> Filtro pasa banda (band passfilter) -> Eliminación del fondo (background filter) -> Suavizado (smoothing filter). La velocidad de propagación de la señal electromagnética se estimó en 0.08 m/ns, siendo este valor típico de materiales sedimentarios de granulometría fina.

Un ejemplo de los efectos producidos por algunos filtros sobre el mismo radargrama, a partir de la condición de dato bruto, está ilustrado a continuación.


Diferentes filtros sobre el mismo radargrama
Band pass filter
1 de 5

Como último paso, previamente a la creación de los mapas de amplitud, a los radargramas oportunamente filtrados se les aplicó la trasformada de Hilbert, lo que, desde un punto de vista matemático, implica el cálculo de la transformada de Fourier para convertir los radargramas al dominio de frecuencia, luego el desplazamiento de 90º de las componentes imaginarías y, finalmente, el cálculo del inverso de la transformada. El resultado es la eliminación del efecto de doble polaridad de los datos geo-radar y la conversión de los pulsos de amplitud en curvas de pulsos envolventes (pulse envelopes). La creación de los mapas de amplitud se llevó a cabo en tres pasos: primero los radargramas fueron re-muestreados según ventanas temporales móviles; posteriormente, los datos de cada ventana fueros transferidos sobre la malla de adquisición en correspondencia con las coordenadas cartesianas en las que fueron adquiridos; en último, por interpolación espacial de los datos re-muestreados se llegó a la creación de los mapas de amplitud o GPR timed slices. Tras ecualizar y balancear oportunamente cada mapa, éstos sirvieron para compilar un fichero 3D que contiene las coordenadas XYZ de cada punto de medición, junto con el valor de amplitud determinado para cada uno de ellos.

Resultados de la prospección georradar 3D

El análisis de los datos GPR ha sido enfocado al reconocimiento de señales "anómalas", es decir contrastantes con la respuesta del fondo (background) y cuya organización geométrica sugiera un origen antrópico de potencial interés arqueológico. Las anomalías geofísicas han de entenderse cómo variaciones de respuesta del subsuelo por respecto a una cierta regularidad local. Las "anomalías positivas" son aquellas cuyos valores de amplitud son más elevados del fondo, mientras que las "negativas" son las que exhiben valores más bajos. Típicamente, las positivas se interpretan como los efectos de estructuras constructivas constituidas por materiales que poseen dureza, densidad o granulometría más altas del entorno. Las negativas, en cambio, suelen asociarse a estructuras de relleno que contienen materiales de granulometría más fina o niveles de humedad y fracción orgánica más altos. Dentro este esquema, los criterios que utilizamos para discriminar las anomalías debidas a las heterogeneidades naturales del subsuelo de las de potencial interés arqueológico, se basan en evaluaciones de forma y de continuidad vertical, prestando atención al aspecto que las anomalías presentan tanto en planta, como en sección. Los mapas elaborados muestran con claridad la presencia de zonas en las que se concentran señales de amplitud decididamente más altos del background (anomalías positivas) considerados de interés en base a los criterios enunciados arriba. Según veremos, en algunos sectores las imágenes proporcionan una visión directa de la planta de los edificios pre-existentes y en otros nos ofrecen una zonación del subsuelo que refleja la heterogeneidad natural de su composición.

En la Insula XXIII, de acuerdo con las expectativas, es donde la prospección ha proporcionado el mayor número de informaciones de interés arqueológico, respondiendo de forma muy clara a los objetivos planteados. Los mapas producidos llegan a constituir verdaderas imágenes del subsuelo capaces de ilustrar también a ojos poco expertos la configuración arqueológica del subsuelo. Más concretamente, la prospección de esta zona ha permitido detectar los restos arqueológicos y también documentar geofísicamente las intervenciones realizadas por el arqueólogo F. Wattemberg en los años 60. Por comparación con el urbanismo de zonas ya excavadas, los restos detectados pueden ser adscritos a la fase de ocupación romana.

Mapas georadar elaborados en la Ínsula XXIII
1 de 10


En el interactivo junto a estas líneas se ilustran los mapas elaborados por intervalos de profundidad crecientes, desde la superficie del suelo hasta 1.3 m de profundidad. Según se observa, la organización espacial de las anomalías refleja directamente la forma y la distribución de las estructuras subyacentes. Los áreas rectangulares que aparecen en la parte inferior izquierda de los mapas representan los sondeos de Wattemberg re-colmatados con materiales de granulometría mayor (probablemente grava) de la que caracteriza los materiales naturales del subsuelo.


Haga click en las flechas para examinar para cambiar la profundidad del mapa georradar:


En las siguientes imágenes, se presenta la superposición de los mapas radar sobre una imagen aérea de la zona y se evidencian las estructuras constructivas detectadas haciendo resaltar las diferentes orientaciones registradas.

1 de 2
Mapa radar obtenido proyectando sobre el mismo plano horizontal todas las anomalías detectadas en el primer metro de profundidad. Se ilustra su ubicación.
Comparación de las orientaciones arquitectónicas detectadas con las de la manzana limítrofe anteriormente excavada.
Significado de las anomalías más significativas. Se ilustra una imagen de los sondeos realizados por Wattemberg en los años 60.

En el sector de búsqueda de los restos de las murallas, las imágenes radar han sido producidas a partir de perfiles excesivamente espaciados ya que en la época de su adquisición el objetivo del estudio no iba más allá del análisis visual de los radargamas. A continuación se muestra el producto de la elaboración llevada a cabo en 2007 y el resultado del procesado en 3D realizado dos años más tarde. En el primer caso la interpretación de los datos surgió tras el análisis visual de los radargramas a través de la cual se supuso la presencia de una estructura constructiva de una cierta contundencia orientada en dirección casi NS y en buena probabilidad constituida por bloques de roca de grandes dimensiones superpuestos en al menos tres niveles.

Resultados de los datos radar basado en el análisis visual de los radargramas (proyecto de 2007)
Imágenes de las excavaciones llevadas a cabo tras la prospección de 2007

La estructura fue considerada compatible desde un punto de vista geofísico con los restos de una muralla y la misma fue interceptada por dos trincheras orientadas transversalmente a la extensión de la anomalía. Aunque se confirmó la existencia de una estructura de características análogas a las descritas en fase de interpretación, le fue asignado un diferente significado arqueológico (consúltese para ello el relativo informe arqueológico).

Resulta interesante observar la buena coherencia de las interpretaciones proporcionadas en 2007 con las de 2010, no obstante el método empleado más recientemente responde a una forma más moderna y eficaz de tratar los datos georradar. Se observa en el interactivo anexo como entre aproximadamente 20 y 80 cm de profundidad se define una clara anomalía de forma alargada en dirección NE-SO que representa la misma estructura excavada de la anterior imagen.


Mapas georadar elaborados en la Ínsula XXIII. Procesado de 2010
Procesado de 2010
1 de 10

La siguiente imagen muestra el renderizado 3D de la superficie de iso-amplitud correspondiente a un valor de corte ≥ 75% del máximo valor de amplitud registrado. Es también de interés observar cómo en profundidades superiores a 1 m se detectan unos alineamientos de señales de amplitud algo más elevadas del background. Desafortunadamente, estos reflectores no pudieron ser investigados arqueológicamente por lo que no conocemos su significado real.


Renderizado (superficies de iso-amplitud; cut-off ) 70% de las anomalías de la imagen anterior.

Por último, los resultados obtenidos en el Campamento de Peña del Judío están ilustrados en el siguiente interactivo. Cada uno de los mapas representa un espesor de subsuelo de aproximadamente 30 cm, con un solapamiento del 50% entre mapas consecutivos. La gama de color amarillo-marrón representa las bajas amplitudes, mientras que la negro-gris-blanco representa las amplitudes elevadas. El sector central presenta varias anomalías de reducidas dimensiones que las posteriores excavaciones demostraron ser el efecto de sedimentos de granulometría gruesa con cemento y cantos de ríos. Los sectores marginales, en cambio, presentan sedimentos de granulometría más fina. Toda la zona fue finalmente interpretada como un paleo-cauce de río y no se detectaron estructuras arqueológicas.


Mapas georadar elaborados en en el Campamento de Peña del Judío
Procesado de 2010
1 de 10

Galería de imágenes de la sección

continuar >>>Hallazgos en los campamentos


Referencias bibliográficas
  • Alexandre Novo, Juerg Leckebusch, Dean Goodman, Gianfranco Morelli, Salvatore Piro, Gianluca Catanzariti, 2013. Advances in GPR Imaging with Multi-channel Radar Systems. Journal of Surveying and Mapping Engineering, v. 1, Iss. 1, p. 1-6.
  • David Daniels, 2004. Ground Penetrating Radar (IEE Radar, Sonar, Navigation and Avionics Series). The Istitution of Electrical Engineers, London.
  • Dean Goodman, Yasushi Nishimura, J. Daniel Rogers, 1995. GPR (Ground Penetrating Radar) Time Slices in Archaeological Prospection, v. 2, p. 85-89.