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

Abstract

(English) 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 surface displacements is 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 applications 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.

(Català) 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.

(Español) La interferometria con radar de apertura sintética (InSAR) es una técnica de teledetección que mesura desplazamientos de la superficie observada, sea el terreno o cualquier estructura situada encima. A pesar de que la adquisición sistemática de datos SAR desde satélite empezó en la década del 1990, el InSAR es una técnica todavía en desarrollo. Las constelaciones de satélites SAR sucesivas van mejorando en términos de fiabilidad, tiempo de revisita, resolución espacial y accesibilidad de los datos, como también lo hacen las técnicas de procesamiento de los datos SAR en la estimación del desplazamiento de la superficie. Como resultado, las prestaciones de la InSAR van mejorando, de forma que el objetivo de esta tesis es explorar las nuevas oportunidades que la InSAR ofrece hoy en día. Concretamente, los objetivos son (y) explorar nuevas aportaciones de la InSAR en la ingeniería geológica, más específicamente en la monitorización y la caracterización hidrogeológica del terreno, y (ii) hacerlo cubriendo aplicaciones tanto cualitativas como cuantitativas a escalas tanto regionales como locales. Estos objetivos se abordan a través de cuatro preguntas. La primera investiga si la resolución espacial y la precisión de la InSAR son suficientes hoy para monitorizar deformaciones del terreno en una escala tan local y en entornos tan cambiantes como obras de ingeniería civil. Aplicada a la deformación del terreno asociada al drenaje de unas obras, la InSAR aporta una visión y una comprensión de los fenómenos observados mucho más completas que las técnicas alternativas más habituales como la nivelación topográfica. Aun así, la nivelación proporciona medidas generalmente más precisas. Así, la combinación de ambas técnicas puede mejorar y aumentar la fiabilidad de la monitorización de obras de ingeniería civil. La segunda pregunta explora si, por su densidad espacial de datos y su precisión, la InSAR es apta para la modelización numérica de deformaciones extensivas del terreno. Los resultados obtenidos gracias a los datos InSAR en la modelización numérica hidromecánica de subsidència regional y a largo plazo relacionada con la sobreexplotación de acuíferos confinados resultan significativamente mejores que los que se obtienen con otras fuentes de datos. En primer lugar, el InSAR puede cubrir toda la extensión del sistema acuífero e identificar diferentes fenómenos de deformación y, en segundo lugar, puede mejorar el diseño de los modelos numéricos y la calibración de los parámetros del suelo, de forma que se consigue una reproducción y una comprensión significativamente mejores de la subsidència observada y se pueden diseñar políticas más adecuadas y efectivas para la planificación territorial y la gestión de recursos hídricos (subterráneos). La tercera pregunta se enfoca a una nueva técnica InSAR: la detección de cambios de coherencia (CCD), un método para detectar y cartografiar, en determinadas condiciones, cambios en la superficie observada. Concretamente, la pregunta es si la coherencia InSAR es capaz de detectar remotamente episodios de transporte de sedimentos por torrentades en zonas de clima árido. La conclusión es que no solo lo es, sino que presenta una capacidad de detección más grande que los datos meteorológicos, a la vez que es mucho más operativa y económica que las campañas de campo. Finalmente, la cuarta pregunta analiza si la coherencia InSAR puede cartografiar estos episodios, con el objetivo de evaluar la incertidumbre que otros factores que también pueden afectar la coherencia introducen en los mapas CCD. La comparación de varios métodos de cartografía con una sensibilidad diferente a cada una de las componentes de los cambios de coherencia muestra que los métodos CCD son capaces de localizar las zonas afectadas por estos fenómenos, a pesar de que las zonas abruptas requieren un análisis detenido y la delimitación precisa de las zonas afectadas continúa presentando cierta incertidumbre.