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Exploring the potential of satellite InSAR in geological engineering: new opportunities in land monitoring and hydrogeological characterisation

par Botey i Bassols, Joan
Président du jury Giardina, Giorgia G.G.
Promoteur Gerard, Pierre ;Lantada Zarzosa, Nieves N.L.Z.
Publication Non publié, 2024-02-02

Thèse de doctorat

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Résumé :	L'interférométrie avec radar à synthèse d'ouverture (InSAR) est une technique de télédétection permettant de mesurer les déplacements à la surface, que ce soit du sol ou de toute structure située dessus. Bien que l'acquisition systématique des données SAR à partir de satellites ait commencé dans les années 1990, InSAR est une technique encore en développement. L'amélioration continue en termes de fiabilité, temps de revisite, résolution spatiale et accessibilité des données des différentes constellations de satellites SAR, ainsi que du traitement des données SAR, améliorent la performance de l'InSAR dans l’estimation des déplacements de la surface. Ainsi, cette thèse de doctorat vise à explorer les nouvelles opportunités que l’InSAR offre aujourd'hui. En particulier, l’objectif est d’explorer les nouvelles contributions de l’InSAR en géologie de l’ingénieur pour le suivi du terrain et la caractérisation hydrogéologique. Ce travail de recherche veille à explorer les opportunités de l’InSAR tant pour des études qualitatives que quantitatives, avec des échelles de zone d’étude tant régionales que locales. Ces objectifs sont abordés à travers quatre questions. La première vise à déterminer si la résolution spatiale et la précision de l’InSAR sont aujourd’hui suffisantes pour monitorer la déformation du sol à une échelle aussi locale et dans des environnements aussi changeants qu’un chantier de génie civil. L’étude montre que pour des déplacements de la surface du sol induits par des opérations de rabattement de la nappe aquifère, l’InSAR apporte une caractérisation plus large et une compréhension beaucoup plus fine des phénomènes observés que des techniques alternatives plus standards telles que le nivellement. Cependant, le nivellement fournit généralement des mesures plus précises. Ainsi, une combinaison des deux techniques permettra d’améliorer et de rendre plus fiable le suivi des travaux de génie civil. La deuxième question est de vérifier si, en raison de sa densité spatiale de données et de sa précision, l’InSAR est apte à fournir des données alimentant des modèles numériques prédisant des déformations extensives du sol. Appliquée à une subsidence régionale engendrée par la surexploitation d’aquifères captifs, les données InSAR permettent tout d’abord de couvrir toute l'étendue de la zone affectée par la subsidence et d’y identifier plusieurs phénomènes de déformation différents. De plus, les résultats montrent qu’un jeu de paramètres hydromécaniques unique permet d’obtenir une réponse du modèle numérique qui reproduit les mouvements de sol identifiés par l’InSAR, et ce tant dans l’espace que dans le temps. De tels modèles hydromécaniques calibrés et validés sont aujourd’hui nécessaires pour la mise en place de politiques plus adéquates et efficaces de l'aménagement du territoire et de la gestion des ressources en eau (souterraine). La troisième question porte sur une nouvelle technique InSAR : la détection de changements de cohérence (CCD). Il s’agit d’une méthode pour détecter et cartographier, sous certaines conditions, les changements de texture de la surface observée. En particulier, le but est de confirmer si la cohérence InSAR peut détecter à distance des événements de transport torrentiel de sédiments dans des environnements arides. La conclusion est que non seulement la cohérence InSAR en est capable, mais elle montre une plus grande capacité de détection que les données météorologiques. La cohérence InSAR offre en outre l’avantage d’être plus opérationnelle et économique que des campagnes de terrain. Finalement, la quatrième question analyse la capacité de la cohérence InSAR de cartographier à distance ces événements de transport torrentiel. L’objectif est ici d'évaluer l'incertitude introduite dans les cartes CCD par d'autres facteurs pouvant également affecter la cohérence et qui ne sont donc pas directement associés au phénomène à cartographier. La comparaison de plusieurs méthodes de cartographie avec une sensibilité différente à chaque composante des changements de la cohérence montre que les méthodes CCD sont capables de localiser les zones affectées par de tels événements de transport torrentiel, bien que les zones accidentées nécessitent une analyse approfondie et que la délimitation précise des zones affectées reste plus incertaine. En conclusion, malgré les quelques limitations à encore résoudre, l’InSAR est capable de fournir de précieuses contributions au domaine de la géologie de l'ingénieur.
	Interferometry with Synthetic Aperture Radar (InSAR) is a remote sensing technique to measure displacements of the observed surface, either the ground or any structure on it. Although the systematic acquisition of SAR data from satellites started in the 1990s, InSAR is a technique still in development. The continuous improvement of the successive SAR satellite constellations in terms of reliability, revisit time, spatial resolution and data accessibility, and the processing techniques of SAR data in the estimation of the surface displacement are improving the performance of InSAR. Thus, this doctoral thesis aims to explore the new opportunities that InSAR offers today. In particular, the objectives are, first, to explore novel contributions of InSAR in geological engineering, more specifically, in land monitoring and the hydrogeological characterisation of the ground; and, second, to do so while covering both qualitative and quantitative approaches at both regional and local scales. These goals are addressed through four questions. The first question aims to investigate whether InSAR’s spatial resolution and precision are high enough today to monitor ground deformation at such a local scale and in such a changing environment as a construction site. Applied to the ground deformation induced by the dewatering of civil engineering works, InSAR provides a much more complete view and understanding of the observed phenomena than more common alternative techniques such as levelling. However, levelling usually provides more precise measurements. Thus, a combination of both techniques will improve and make the monitoring of civil engineering works more reliable. The second question is whether, because of its spatial data density and its precision, InSAR is suitable for the numerical modelling of extensive ground deformation phenomena. The results achieved thanks to InSAR data in the hydromechanical numerical modelling of regional and long-term ground subsidence related to the overexploitation of confined aquifers prove to be significantly better than the results obtained with other data sources. InSAR data can, first, cover the whole extent of the aquifer system and identify several different deformation phenomena and, second, improve the design of the numerical models and the calibration of the ground parameters, thus achieving a significantly better reproduction and understanding of the observed ground subsidence that enable the design of more adequate and effective policies for land planning and the management of (ground)water resources. The third question turns to a novel InSAR technique: coherence-change detection (CCD), a method to detect and map, under certain conditions, changes in the observed surface. In particular, the question is whether InSAR coherence can indeed remotely detect torrential sediment transport events in arid environments. The conclusion is that InSAR coherence is not only able to detect the occurrence of such events but shows a greater detection capacity than the meteorological data, being much more operative and economical than field campaigns. Finally, the fourth question is whether InSAR coherence can remotely map these events, aiming to evaluate the uncertainty that other factors that may also affect InSAR coherence introduce in the CCD maps. The comparison of several mapping methods with different sensitivity to each component of the coherence changes show that CCD methods are able to locate the areas affected by such events, although rugged areas require a thorough analysis and the precise delimitation of the affected areas still presents some uncertainty. All in all, despite the weaknesses that are still to be resolved, InSAR already offers valuable contributions to geological engineering.
	La interferometria amb radar d'obertura sintètica (InSAR) és una tècnica de teledetecció que mesura desplaçaments de la superfície observada, sigui el terreny o qualsevol estructura situada a sobre. Tot i que l'adquisició sistemàtica de dades SAR des de satèl·lit va començar a la dècada del 1990, l’InSAR és una tècnica encara en desenvolupament. Les constel·lacions de satèl·lits SAR successives van millorant en termes de fiabilitat, temps de revisita, resolució espacial i accessibilitat de les dades, com també ho fan les tècniques de processament de les dades SAR en l'estimació del desplaçament de la superfície. Com a resultat, les prestacions de l'InSAR van millorant, de manera que l’objectiu d’aquesta tesi és explorar les noves oportunitats que l'InSAR ofereix avui en dia. Concretament, els objectius són (i) explorar noves aportacions de l'InSAR en l’enginyeria geològica, més específicament en el monitoratge i la caracterització hidrogeològica del terreny, i (ii) fer-ho tot cobrint aplicacions tant qualitatives com quantitatives a escales tant regionals com locals. Aquests objectius s'aborden a través de quatre preguntes. La primera investiga si la resolució espacial i la precisió de l'InSAR són suficients avui per a monitorar deformacions del terreny a una escala tan local i en entorns tan canviants com obres d’enginyeria civil. Aplicada a la deformació del terreny associada al drenatge d'unes obres, l’InSAR aporta una visió i una comprensió dels fenòmens observats molt més completes que les tècniques alternatives més habituals com l'anivellació topogràfica. Tanmateix, l’anivellació proporciona mesures generalment més precises. Així, la combinació d'ambdues tècniques pot millorar i augmentar la fiabilitat del monitoratge d’obres d'enginyeria civil. La segona pregunta explora si, per la seva densitat espacial de dades i la seva precisió, l’InSAR és apta per a la modelització numèrica de deformacions extensives del terreny. Els resultats obtinguts gràcies a les dades InSAR en la modelització numèrica hidromecànica de subsidència regional i a llarg termini relacionada amb la sobreexplotació d'aqüífers confinats resulten significativament millors que els que s’obtenen amb altres fonts de dades. En primer lloc, l’InSAR pot cobrir tota l'extensió del sistema aqüífer i identificar-hi diferents fenòmens de deformació i, en segon lloc, pot millorar el disseny dels models numèrics i el calibratge dels paràmetres del sòl, de manera que s’aconsegueix una reproducció i una comprensió significativament millors de la subsidència observada i es poden dissenyar polítiques més adequades i efectives per a la planificació territorial i la gestió de recursos hídrics (subterranis). La tercera pregunta s’enfoca a una nova tècnica InSAR: la detecció de canvis de coherència (CCD), un mètode per a detectar i cartografiar, en determinades condicions, canvis en la superfície observada. Concretament, la pregunta és si la coherència InSAR és capaç de detectar remotament episodis de transport de sediments per torrentades en zones de clima àrid. La conclusió és que no només ho és, sinó que presenta una capacitat de detecció més gran que les dades meteorològiques, alhora que és molt més operativa i econòmica que les campanyes de camp. Finalment, la quarta pregunta analitza si la coherència InSAR pot cartografiar aquests episodis, amb l'objectiu d'avaluar la incertesa que altres factors que també poden afectar la coherència introdueixen en els mapes CCD. La comparació de diversos mètodes de cartografia amb una sensibilitat diferent a cadascuna de les components dels canvis de coherència mostra que els mètodes CCD són capaços de localitzar les zones afectades per aquests fenòmens, tot i que les zones abruptes requereixen una anàlisi detinguda i la delimitació precisa de les zones afectades continua presentant certa incertesa. Amb tot, malgrat els punts febles encara per resoldre, l’InSAR ja ofereix valuoses aportacions a l'enginyeria geològica.