Sentinel-1 data exploitation for terrain deformation monitoring

Abstract

Persistent Scatterer interferometry (PSI) is a group of advanced differential interferometric Synthetic Aperture Radar (SAR) techniques used to measure and monitor terrain deformation. Sentinel-1 has improved the data acquisition throughout and, compared to previous sensors, increased considerably the Differential Interferometric SAR (DInSAR) and PSI deformation monitoring potential. The effect of the refractive atmosphere on the interferometric phase and phase unwrapping ambiguity are two critical issues of InSAR. The low density of Persistent Scatterer (PS) in non-urban areas, another critical issue, has inspired the development of alternative approaches and refinement of the PS chains. Along with the efforts to develop methods to mitigate the three above-mentioned problems, the work presented in this thesis also deals with the presence of a new signal in multilooked interferograms which cannot be explained by noise, atmospheric or earth surface topography changes. This paper describes a method for atmospheric phase screen estimation using rain station weather data and three different data driven procedures to obtain terrain deformation maps. These approaches aim to exploit Sentinel-1 highly coherent interferograms and their short revisit time. The first method called the splitting makes uses of the power spectrum of the interferograms to split the signals into high and low frequency, and following a mutually exclusive consecutive processing chain for the two sets. This approach has resulted in greater density of PSs with decreased phase unwrapping errors. The second approach, called Direct Integration (DI), aims at providing a very fast and straightforward approach to screen wide areas and easily detect active areas. This approach fully exploits the coherent interferograms from the consecutive images provided by Sentinel-1 resulting in a very high sampling density. However, it lacks robustness and its usability lays on the operator experience. The third method, called PSIG (Persistent Scatterer Interferometry Geomatics) short temporal baseline, provides a constrained application of the PSIG chain, the CTTC approach to the PSI. It uses short temporal baseline interferograms and do not assume any deformation model for point selection. It is also quite a straightforward approach and a perfect complement to the direct integration approach. It improves the performances of the standard PSIG approach, increasing the PS density and providing robust measurements. The effectiveness of the approaches is illustrated through analyses performed on different test sites.

La técnica Persistent Scatterer Interferometry (PSI) es un grupo de técnicas avanzadas de radar de apertura sintética interferométrica diferencial (SAR) que se utiliza para medir y monitorear losmovimientos del terreno. Sentinel-1 ha mejorado sensiblemente la adquisición de datos y, en comparación con los sensores SAR anteriores, ha aumentado considerablemente el potencial uso de la interferometría diferencial SAR y del PSI para medir y monitorizar desplazamientos del terreno. El efecto de la atmósfera sobre la fase interferométrica y la naturaleza ambigua de esta son dos cuestiones críticas de InSAR. Además, la baja densidad de Persistent Scatterer (PSs) en áreas no urbanas, es otro tema crítico que ha inspirado el desarrollo de enfoques alternativos y el refinamiento de las cadenas PS existentes. Junto con los esfuerzos por desarrollar métodos para mitigar los tres problemas antes mencionados, el trabajo presentado en esta tesis también aborda la presencia de una nueva señal en interferogramas multilooked que no puede explicarse por cambios de ruido, atmosféricos o topográficos de la superficie terrestre. Esta tesis describe un método para la estimación de la fase atmosférica utilizando datos meteorológicos adquiridos in-situ y tres aproximaciones diferentes basadas en datos Sentinel-1 para obtener mapas de deformación del terreno. Estos enfoques tienen como objetivo explotar los interferogramas altamente coherentes proporcionados por Sentinel-1 gracias a su corto tiempo de revisita. El primer método llamado división hace uso de filtros en el dominico frecuencial de los interferogramas para dividir las señales en alta y baja frecuencia, y siguiendo una cadena de procesamiento consecutiva independiente para cada clase. Este enfoque ha dado como resultado una mejora substancial de PS minimizando los errores debidos al desenrollado de fase. El segundo enfoque, llamado Integración Directa (DI), tiene como objetivo proporcionar un enfoque muy rápido y sencillo para examinar áreas amplias y detectar fácilmente áreas activas. Este enfoque aprovecha al máximo los interferogramas coherentes de las imágenes consecutivas proporcionadas por Sentinel-1, lo que da como resultado una densidad de muestreo muy alta. Sin embargo, carece de robustez y su usabilidad depende de la experiencia del operador. El tercer método, llamado PSIG (Persistent Scatterer Interferometry Geomatics) de línea de base temporal corta, proporciona una aplicación restringida de la cadena PSIG, el enfoque CTTC para el PSI. Utiliza interferogramas de línea base temporales cortos y no asume ningún modelo de deformación para la selección de puntos. Su uso es complementario al enfoque de integración directa proporcionando robustez en las zonas. Mejora el rendimiento del enfoque estándar de PSIG, aumentando la densidad de PS y proporcionando mediciones robustas. La efectividad de los enfoques se ilustra a través de análisis realizados en diferentes sitios de prueba.