High-resolution deformation measurement using

Abstract

Persistent Scatterer Interferometry (PSI) is a group of advanced differential interferometric SAR techniques that are used to measure and monitor terrain deformation. Different PSI techniques have been proposed in the last two decades. In this thesis, the two PSI chains implemented and used at the Geomatics division of CTTC are described: the local area PSI and the PSIG chains. The first part of the thesis is devoted to the local area PSI chain, used to analyse the deformations over small areas. The chain includes a linear deformation model to directly deal with interferometric wrapped phases. Moreover, it does not directly involve the estimation of the APS, thus simplifying the procedure and its computational cost. The chain has been tested using different types of SAR data. The availability of high resolution X-band SAR data has led to an improvement of the PSI results with respect to C-band data. The higher image resolution and phase quality implies an increase of the PS density, an improvement in the estimation precision of the residual topographic error and a higher sensibility to very small deformations, including the displacements caused by thermal dilation. An extension of the classical PSI linear deformation model has been proposed, to account for the thermal dilation effects. This allows obtaining a new PSI outcome, the thermal dilation parameter, which opens new interesting applications since it provides information on the physical properties of single objects, i.e. the coefficient of thermal expansion, and the static structures of the same objects. The second part of the thesis describes the PSIG chain, whose aim was to extend the interferometric processing to wider areas. The ability to cover wide areas is essential to obtain a unique and consistent deformation monitoring for the available SAR image full scenes, i.e. typically 30 by 50 km for TerraSAR-X, 40 by 40 km for CosmoSkyMed and 100 by 100 km for ASAR ENVISAT and ERS. This is particularly important for the forthcoming C-band Sentinel SAR data that will cover 250 by 250 km with a single image scene. The key steps of the PSIG procedure include a new selection of candidate PSs based on a phase similitude criteria and a 2+1D phase unwrapping algorithm. The procedure offers different tools to control the quality of the processing steps. It has been successfully tested over urban, rural and vegetated areas using X-band PSI data. The performance of the PSIG chain is illustrated and discussed in detail, analysing the procedure step by step.

Persistent Scatterer Interferometry (PSI) és un grup de tècniques avançades d'interferometria diferencial SAR que s'utilitzen per mesurar i monitoritzar deformacions del terreny. Durant les últimes dues dècades s’han proposat diverses tècniques PSI. En aquesta tesi es descriuen les dues cadenes PSI implementades i utilitzades en la divisió de Geomàtica del CTTC: la cadena PSI d’àrea local i la cadena PSIG. La primera part de la tesi està dedicada a la cadena PSI d’àrea local, que s'utilitza per analitzar deformacions en zones d’extensió limitada. La cadena inclou un model de deformació lineal per tractar directament amb les fases interferomètriques wrapped. En canvi, no estima directament la component atmosfèrica, cosa que simplifica el procediment i el seu cost computacional. La cadena s’ha provat sobre diferents tipus de dades SAR. La disponibilitat de dades SAR d’alta resolució en banda X ha donat lloc a una millora dels resultats del PSI respecte a les dades en banda C. La resolució més gran de la imatge i la qualitat de la fase impliquen un augment de la densitat de PS, una millora en la precisió de l'estimació de l'error topogràfic residual i una sensibilitat més alta a deformacions subtils, incloent-hi els desplaçaments causats per la dilatació tèrmica. Per tenir en compte els efectes de la dilatació tèrmica, s'ha proposat una extensió del model PSI clàssic que ens permet obtenir un nou producte PSI: el paràmetre de dilatació tèrmica. Aquest paràmetre obre noves aplicacions interessants: proporciona informació relacionada amb les propietats físiques dels objectes mesurats –com el coeficient d'expansió tèrmica– i amb la seva pròpia estructura estàtica. La segona part de la tesi descriu la cadena PSIG, l'objectiu de la qual és estendre el processament interferomètric a àrees més extenses. La capacitat de cobrir àrees grans és fonamental per obtenir un únic mapa global de deformacions que sigui consistent i cobreixi l’extensió sencera de les imatges SAR disponibles, de 30 km per 50 km per TerraSAR-X, de 40 km per 40 km per CosmoSkyMed i de 100 km per 100 km per ASAR-ENVISAT i ERS. Això és particularment important tenint en compte la propera disponibilitat de les dades del satèl•lit Sentinel, que opera en banda C i cobrirà 250 km per 250 km amb una sola imatge. Els passos clau del procediment PSIG són una nova selecció de PS candidats en base a un criteri de similitud de fase i un algoritme de 2+1D phase unwrapping. El procediment ofereix diferents eines per controlar la qualitat dels diferents passos del processament. La cadena PSIG s’ha utilitzat amb èxit en àrees urbanes, rurals i amb vegetació utilitzant dades PSI en banda X. El funcionament de la cadena PSIG s'il•lustra i es descriu en detall, analitzant el procediment pas a pas.