High-resolution space-borne and ground-based SAR persistent scatterer interferometry for landslide monitoring

Abstract

Every year, with the onset of spring rains and snow melting, landslides represent one of the major threats to human life and infrastructures in natural environments. In this context, different surveying techniques, such as inclinometers, extensometers, piezometers or Global Positioning System (GPS) networks, are typically employed to address landslide monitoring problem. Nonetheless, these conventional techniques present several limitations. They are labor, expensive and usually require skillful users to data interpretation. Moreover, they typically provide poor spatial sampling and coverage, which hinder the characterization of complex landslides. Finally, these techniques require the direct installation of devices over the landslide surface, which could be a complex task, sometimes impossible to fulfill, in hard-to-reach locations. During the last decade, Synthetic Aperture Radar (SAR) Interferometry (InSAR) techniques based on space-borne SAR sensors have matured to a widely used geodetic tool for the precise monitoring of complex displacement phenomena with millimetric accuracy. Concretely, the new family of X-band SAR sensors, like the German TerraSAR-X and TanDEM-X satellites or the Italian constellation Cosmo-Skymed, have led to a scientific breakthrough presenting a lower revisiting time (up to few days) and an improved spatial resolution (up to the meter), compared with their predecessors ERS-1/2, ENVISAT-ASAR or RADARSAT-1, which worked at C-band. The industry, research laboratories, and universities are developing flexible tools for displacement monitoring analysis by means of space-borne InSAR techniques, which are being adapted for its fully operational use and for its integration with conventional observations and predictive models. Contrarily, when a high flexibility in terms of revisiting-time is required, or the need to fit the sensor orientation to the specific characteristics of the area under study exists, the research activity of several groups has been addressed to the development of Ground-Based SAR (GB-SAR) sensors. Easy to deploy, and cheaper if compared with space-borne solutions, GB-SAR sensors are a potential alternative, ideal for the monitoring of small-scale areas. The high stability of the sensor platform, and its flexibility in terms of revisiting time, make these systems an excellent option to detect displacements with a high temporal resolution of up to few minutes. Despite all these clear advantages, SAR sensors based on both space-borne and ground-based platforms also present some limitations, especially, over vegetated scenarios in mountainous environments, where landslides typically occur. Whereas its performance over bare surfaces or rocky areas is satisfactory during snow-free seasons, severe limitations arise from temporal decorrelation over vegetated areas, due to layover and shadowing effects caused by SAR geometrical distortions, the presence of tropospheric atmospheric artifacts or when rapid displacements are faced. Finally, it must be taken into account that SAR sensors are only sensitive to the satellite-to-target component of displacement, which may notably differ from the real one. There is still some way to go in order to overcome all these limitations and convert InSAR techniques into fully operational tools, context in which this PhD Thesis has been developed. The main objective of this PhD Thesis is the development of advanced InSAR techniques for the monitoring of areas affected by landslides. Concretely, the performance of both space-borne and ground-based SAR sensors will be compared and evaluated in the area of El Forn de Canillo, Andorra, which corresponds to one of the biggest landslides of the Pyrenees. The techniques presented in this PhD Thesis provide evidences for informed decision making, supported by the science, in order to ease the management of the geo-hazard risk associated with active landslides.

Cada año, con la llegada de la época de lluvia y el deshielo en primavera, los deslizamientos de laderas representan una gran amenaza para la vida humana y para un gran número de infraestructuras en entornos naturales. Para abordar esta problemática, tradicionalmente se utilizan técnicas de auscultación que incluyen extensómetros, inclinómetros, piezómetros o redes de Sistemas de Posicionamiento Global (GPS). A pesar de que su uso está muy extendido, estas técnicas presentan un gran número de limitaciones. Por una parte, requieren sensores generalmente caros y complejos, cuya eficiencia está sujeta a la disponibilidad de usuarios expertos para su posterior interpretación. Además, estas técnicas típicamente presentan bajas prestaciones en términos de muestreo espacial y cobertura, dificultando de este modo la caracterización de deslizamientos complejos. Finalmente, requieren la instalación de dispositivos directamente sobre la superficie de deslizamiento, lo cual puede resultar una tarea compleja en zonas de difícil acceso. Durante esta última década, el uso de imágenes de satélite de Radar de Apertura Sintética (SAR) y concretamente el uso de su más notable aplicación, conocida como Interferometría SAR (InSAR), ha experimentado un gran impulso, haciendo posible la observación de estos fenómenos de desplazamiento con precisiones milimétricas. Estos avances están permitiendo el desarrollo de herramientas flexibles por parte de la industria, laboratorios de investigación y universidades, para el estudio de desplazamientos del terreno mediante técnicas InSAR, las cuales están siendo adaptadas para su operatividad e integración con observaciones convencionales y modelos predictivos. Por otra parte, cuando se requiere de una alta flexibilidad en términos de tiempo de revisita, o existe la necesidad de adaptar la orientación del sensor a las características específicas de la zona bajo estudio, la actividad de investigación de un gran número de grupos se ha centrado en el desarrollo de sensores SAR terrestres. Fáciles de implementar y de un menor coste en comparación con soluciones orbitales, estos sensores representan una alternativa muy interesante para la monitorización de zonas localizadas. A pesar de todas estas ventajas, tanto los sensores SAR embarcados en plataformas orbitales como los terrestres presentan distintas limitaciones, especialmente, en áreas montañosas altamente vegetadas donde normalmente se producen los deslizamientos de laderas. Mientras que su rendimiento sobre áreas rocosas es muy satisfactorio en ausencia de nieve, pueden aparecer diferentes limitaciones debido a efectos de decorrelación temporal sobre zonas con vegetación, a distorsiones en la imagen causadas por la geometría de adquisición, a la presencia de artefactos atmosféricos severos en zonas con topografía abrupta o cuando se intentan analizar desplazamientos de carácter rápido. Finalmente, debe tenerse en cuenta que los sensores SAR sólo son sensibles a la componente de desplazamiento en la línea de visión del satélite y por ello, ésta, puede diferir notablemente de la real. Aún queda por tanto un cierto camino por recorrer para superar todas estas limitaciones y convertir a las técnicas InSAR en herramientas totalmente operativas, contexto en el que esta Tesis Doctoral se ha desarrollado. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de técnicas InSAR para la monitorización de zonas afectadas por deslizamientos de laderas. En concreto, el rendimiento de éstas técnicas para ambas plataformas, orbital y terrestre, se ha comparado y evaluado exhaustivamente en el deslizamiento de El Forn de Canillo, Andorra, que está considerado como con uno de los mayores deslizamientos de ladera de los Pirineos. Las técnicas presentadas en esta Tesis Doctoral proporcionan evidencias para la toma de decisión, apoyadas por la ciencia, con el fin de facilitar la gestión de los riesgos asociados con los deslizamientos de laderas inestables.

Cada any, amb l'arribada de l'època de pluges i desglaç a la primavera, les esllavissades representen una gran amenaça per a la vida humana i per a un gran nombre d'infraestructures en entorns naturals. Per abordar aquesta problemàtica, tradicionalment s'utilitzen tècniques d'auscultació que inclouen extensòmetres, inclinòmetres, piezòmetres o xarxes de Sistemes de Posicionament Global (GPS). Tot i que el seu ús està molt estès, aquestes tècniques presenten un gran nombre de limitacions. D'una banda, requereixen de sensors generalment cars i complexes, on la seva eficiència està subjecta a la disponibilitat d'usuaris experts per a la seva posterior interpretació. A més, aquestes tècniques típicament presenten baixes prestacions en termes de mostreig espacial i cobertura, dificultant d'aquesta manera la caracterització d'esllavissades complexes. Finalment, requereixen de la instal·lació de dispositius directament sobre la superfície de l'esllavissada, la qual cosa pot resultar una tasca complicada en zones de difícil accés.Durant aquesta última dècada, l'ús d'imatges de satèl·lit de Radar d'Obertura Sintètica (SAR) i més concretament l'ús de la seva aplicació més notable, coneguda com Interferometria SAR (InSAR), ha experimentat un gran impuls, fent possible l'observació de fenòmens de desplaçament complexos amb precisions mil·limètriques. Aquests avanços estan permetent el desenvolupament d'eines flexibles per part de la indústria, laboratoris d'investigació i universitats, per a l'estudi de desplaçaments del terreny mitjançant tècniques InSAR, les quals s'estan adaptant per a la seva operativitat i integració amb observacions convencionals i models predictius.D'altra banda, quan es requereix d'una alta flexibilitat en termes de temps de revisita, o hi ha la necessitat d'adaptar l'orientació del sensor a les característiques específiques de la zona sota estudi, l'activitat de recerca d'un gran nombre de grups s'ha centrat en el desenvolupament de sensors SAR terrestres. Fàcils d'implementar i d'un menor cost en comparació amb solucions orbitals, aquests sensors representen una alternativa molt interessant per a la monitorització de zones localitzades. Malgrat tots aquests avantatges, tants els sensors SAR embarcats en plataformes orbitals com els terrestres presenten diferents limitacions, especialment, en àrees muntanyoses altament vegetades on normalment es produeixen les esllavissades. Mentre que el seu rendiment sobre àrees rocoses és molt satisfactori en absència de neu, poden aparèixer diferents limitacions degut a efectes de decorrelació temporal sobre zones amb vegetació, a distorsions en la imatge causades per la geometria d'adquisició, a la presència d'artefactes atmosfèrics severs en zones amb topografia abrupta o quan s'intenten analitzar desplaçaments de caràcter ràpid. Finalment, cal tenir en compte que els sensors SAR només són sensibles a la component de desplaçament a la línia de visió del satèl·lit i per tant, aquesta, pot diferir notablement de la real. Encara queda un cert camí per recórrer per superar totes aquestes limitacions i convertir a les tècniques InSAR en eines totalment operatives, context en què aquesta Tesi Doctoral s'ha desenvolupat.El principal objectiu d'aquesta Tesi Doctoral és el desenvolupament de tècniques InSAR per al monitoratge de zones afectades per esllavissades. En concret, el rendiment d'aquestes tècniques per a ambdues plataformes, orbital i terrestre, s'ha comparat i avaluat exhaustivament en el lliscament del Forn de Canillo, Andorra, que està considerat com una de les majors esllavissades dels Pirineus.Les tècniques presentades en aquesta Tesi Doctoral proporcionen evidències per a la presa de decisió, recolzades per la ciència, per tal de facilitar la gestió dels riscos associats amb les esllavissades.