Orbital differential SAR interferometry with polarimetric data

Abstract

Space-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) systems have demonstrated great effectiveness to survey wide areas, independently of the weather conditions and the day/night cycle. One of the most exploited applications is Differential SAR Interferometry (DInSAR), and by extension, advanced multi-temporal techniques addressed as Persistent Scatterers Interferometry (PSI). These techniques provide the means to retrieve the displacement on the observed terrain surface. Taking advantage of the high coverage provided by this technology, natural and human induced phenomena may be monitored and detected in order to avoid and prevent hazardous or even catastrophic situations. A good characterization of such events is often related to the density and quality of the information delivered. In many cases, the success in the interpretation of localized surface motion phenomena relies on having as much measurements as possible. Conventional insitu techniques, when used properly, are able to provide reliable measurements. However, they are limited to their localization, and deploy a high number of instruments is not cost effective. The good characterization provided by PSI measurements is limited by the acquisition parameters and the actual scene under monitoring. SAR images sensitivity over the scene depends strongly on the geometric shape and distribution of targets. Historically, satellite SAR sensors had single polarimetric capabilities, so sensitivity over the scene was restricted to a certain antenna configuration. On the contrary, polarimetric acquisitions emit an receive with different antenna configurations, providing sensitivity to different geometries in the scenario. The launch in these later years of several satellites with polarimetric capabilities has triggered its use in several fields of application. The objective of this thesis is to evaluate the use of Polarimetric SAR (PolSAR) data for its application in the PSI framework. The extra information contained in PolSAR datasets is bound to improve the effectiveness of PSI techniques. Obtaining a higher density and quality of motion measurements will ease the detection and interpretation of terrain displacement phenomena.

Els Radars d'Obertura Sintètica (SAR) embarcats en satèl·lits han demostrat ser molt efectius per monitoritzar grans àrees, independentment de les condicions atmosfèriques i del cicle dia/nit. L'aplicació més explotada es l'Interferometria Diferencial SAR (DInSAR), i per extensió, les tècniques avançades de processament multi-temporal anomenades Interferometria de Reflectors Persistents (PSI). Aquestes tècniques són capaces de mesurar el desplaçament en superfície del terreny observat. Aprofitant la gran cobertura que s'aconsegueix amb aquesta tecnologia, fenòmens d'origen tant natural com humà poden ser detectats i controlats per evitar i prevenir situacions de perill o fins i tot catastròfiques. La bona caracterització d'aquestes situacions sovint es relaciona tant amb la densitat com en la qualitat de la informació obtinguda. En molts casos, l’èxit en la interpretació de moviments de terreny localitzats depèn de tenir tants punts de mesura com sigui possible. Les tècniques convencionals de mesura in-situ, quan s'usen de forma adequada, són capaces de donar mesures fiables. No obstant, la seva cobertura està limitada a la localització de l'instrument, i la instal·lació d’un gran nombre d'instruments no és una solució econòmica. La bona caracterització de l'àrea mesurada amb tècniques PSI està limitada pels paràmetres d'adquisició i les característiques de la pròpia escena observada. La sensitivitat de les imatges SAR depèn en gran mesura de la distribució i la forma geomètrica dels blancs mesurats. Històricament, els sensors SAR emetien en polarització simple, i per tant la sensitivitat a la escena estava restringida a aquesta configuració específica de la antena. Per altra banda, durant les adquisicions polarimètriques s'emet i es rep en diferents configuracions de l'antena. Això permet tenir sensitivitat a geometries diferents dins la mateixa escena. El llançament aquest últims anys de diferents satèl·lits amb capacitats polarimètriques ha permès el seu ús en diversos camps d'aplicació. L'objectiu d’aquesta tesi és avaluar l'ús de dades polarimètriques SAR (PolSAR) per la seva aplicació en el marc de les tècniques PSI. La informació addicional que contenen els conjunts d’adquisicions PolSAR ha de millorar l'efectivitat de les tècniques PSI. L'obtenció d'una millor densitat i qualitat de les mesures permet una millor detecció i interpretació dels fenòmens de desplaçament superficial del terreny.