Technologie et méthodes InSAR

Nous mesurons la déformation du sol avec toute la gamme des techniques d'interférométrie radar satellitaire (InSAR). Chaque méthode convient à un type de mouvement différent, du tassement lent de l'ordre du millimètre au déplacement rapide de l'ordre du mètre, et nous choisissons l'approche, ou la combinaison d'approches, adaptée au site et à la question posée.

Les méthodes ci-dessous couvrent l'interférométrie différentielle classique, le suivi des décalages (de pixels) par speckle pour les grands déplacements, les séries temporelles de déformation construites avec PSI, SBAS et le MSBAS multidimensionnel, ainsi que les données radar satellitaires qui les alimentent toutes, des archives historiques du début des années 1990 jusqu'aux capteurs actuels Sentinel-1 et aux capteurs commerciaux à haute résolution. Ces méthodes sous-tendent nos services de surveillance de la déformation du sol - de la déformation liée aux réservoirs et à l'injection à la cartographie des pentes et de l'affaissement - ont été appliquées à l'échelle nationale pour construire de vastes mosaïques de déformation à partir de grandes archives Sentinel-1, et rapportent une erreur type pour chaque vitesse mesurée.

L'InSAR différentiel (DInSAR) compare la phase de deux images radar acquises à des dates différentes pour cartographier le mouvement du sol survenu entre elles. Un seul interférogramme peut révéler un schéma de déformation sur une scène entière avec une sensibilité centimétrique à millimétrique. C'est le fondement de toutes les autres méthodes présentées ici et il convient bien à la cartographie d'événements isolés tels qu'un séisme, un affaissement soudain ou un soulèvement volcanique.

Le DInSAR mesure le mouvement le long de la ligne de visée du satellite et repose sur le déroulement de phase, fiable uniquement pour des déformations faibles à modérées. Là où la surface reste cohérente entre les passages, il offre la plus haute précision de toutes ces techniques.

Lorsque le mouvement est trop important ou trop rapide pour que la phase puisse être déroulée de façon fiable, nous suivons plutôt le déplacement des structures de l'image entre les acquisitions. Le suivi des décalages de pixels mesure le mouvement à la fois en distance et en azimut et peut suivre des déplacements de plusieurs mètres, par exemple des glissements de terrain rapides, des glaciers ou le sol au-dessus d'une mine en activité, là où l'interférométrie classique perd sa cohérence.

Comme le suivi des décalages par speckle ne nécessite pas de déroulement de phase, il capte des mouvements que le DInSAR ne peut pas mesurer, y compris le long de la direction de vol (azimut) du satellite. Sa précision est inférieure à celle du DInSAR et dépend de la résolution spatiale des données radar ; les deux sont donc souvent utilisés ensemble.

Une série temporelle de déformation transforme une pile de mesures radar individuelles en un historique continu du déplacement de chaque point du sol. Plutôt qu'une simple paire avant-après, des dizaines à des centaines d'acquisitions sont inversées ensemble pour estimer la vitesse de déformation entre des dates successives, qui est ensuite cumulée en un enregistrement de déplacement cumulé pour chaque pixel. Le résultat indique non seulement de combien le sol a bougé, mais aussi comment le mouvement a évolué, où il s'accélère, ralentit ou s'inverse.

Comme les données radar réelles ne sont que partiellement cohérentes, l'inversion est régularisée et un contrôle de qualité par pixel (rang) élimine les points où trop peu de mesures fiables existent, de sorte que la série temporelle ne rapporte le mouvement que là où il est fiable. L'échantillonnage temporel peut être ajusté, par exemple à des taux annuels ou saisonniers, pour élargir la couverture spatiale, raccourcir le traitement ou rendre les signaux saisonniers plus nets. PSI, SBAS et MSBAS sont toutes des méthodes de séries temporelles fondées sur ce principe.

La PSI suit un réseau de points stables et fortement réfléchissants, tels que des bâtiments, des affleurements rocheux et des infrastructures, à travers une longue pile d'images radar. En isolant ces diffuseurs persistants, elle atteint une très haute précision sur des cibles individuelles et convient parfaitement à la surveillance des structures, de la subsidence urbaine et des infrastructures sur de nombreuses années.

La SBAS construit une série temporelle de déformation à partir de nombreux interférogrammes formés entre des paires d'images faiblement séparées dans le temps et l'espace. Cela préserve la cohérence sur les terrains naturels, non urbains, et produit des cartes de mouvement spatialement continues, ce qui la rend bien adaptée à la subsidence de grande étendue, aux glissements de terrain et à la déformation régionale lente.

Le MSBAS combine des mesures de déformation issues de deux trajectoires satellitaires ou plus, généralement des orbites ascendantes et descendantes, et peut utiliser conjointement des interférogrammes DInSAR et des données de décalage par speckle (en distance et en azimut). Comme chaque trajectoire et chaque direction de mesure voit le sol différemment, leur inversion conjointe restitue la direction réelle du mouvement plutôt que le seul mouvement le long d'une ligne de visée. Selon le nombre de géométries d'observation et le type de données d'entrée disponibles, le MSBAS produit des séries temporelles de déformation à une, deux, trois ou quatre dimensions, éventuellement contraintes par la topographie de surface.

Combine des jeux de données qui se recouvrent et partagent une géométrie d'observation similaire en une série temporelle unidimensionnelle densément échantillonnée le long de la ligne de visée radar. Cela augmente la fréquence de mesure du sol et prolonge l'historique plus loin dans le temps.

Combine des données ascendantes et descendantes pour séparer le mouvement en composantes verticale et horizontale est-ouest. Il suppose un mouvement nord-sud négligeable, une bonne approximation pour de nombreux cas de subsidence et de soulèvement, et c'est la forme la plus utilisée pour la déformation liée aux eaux souterraines, à l'exploitation minière et au volcanisme.

Lorsque des mesures de décalage en azimut s'ajoutent aux données ascendantes et descendantes, le MSBAS restitue le champ de déplacement tridimensionnel complet, nord, est et vertical, sans supposer qu'une direction est nulle. Cela donne une image complète et non contrainte de la façon dont la surface se déplace réellement.

Une solution tridimensionnelle contrainte par la topographie, qui suppose que la surface se déplace parallèlement au terrain, en utilisant un modèle numérique d'élévation pour relier les composantes. Elle restitue un mouvement 3D complet à partir d'un nombre réduit de géométries d'observation et convient bien aux glissements de terrain lents et profonds et à l'écoulement glaciaire, où la matière se déplace le long de la surface du sol.

Une solution contrainte apparentée dans laquelle le mouvement horizontal est supposé suivre la direction d'orientation de la pente, tirée du modèle d'élévation. Comme la forme parallèle à la surface, elle restitue un déplacement tridimensionnel pour les glissements de terrain profonds à partir de données limitées, en contraignant la direction de l'écoulement par la pente locale.

Restitue le nord, l'est et deux sous-composantes verticales distinctes, séparant deux processus verticaux superposés, par exemple une tendance à long terme et un signal saisonnier ou transitoire, et prolonge le résultat dans le temps. Cet enregistrement quadridimensionnel montre comment chaque partie du champ de déplacement complet évolue au cours de la période de surveillance.

Chaque résultat dépend des données radar qui le sous-tendent. Nous travaillons avec l'ensemble des archives des satellites civils à radar à synthèse d'ouverture (SAR), en combinant un long historique avec les capteurs les plus récents à haute fréquence et à haute résolution.

Le SAR spatial adapté à l'interférométrie remonte au début des années 1990, avec ERS-1 et ERS-2, Envisat, JERS-1 et ALOS PALSAR. Ces archives nous permettent de reconstruire le mouvement du sol survenu des années, voire des décennies, avant le début d'un projet et d'établir une base de référence historique pour des sites jamais instrumentés, ce qui est souvent le seul moyen de comprendre le comportement à long terme d'une pente, d'un aquifère ou d'une mine.

La plupart des surveillances actuelles utilisent Sentinel-1, la mission européenne Copernicus en bande C, qui image de vastes zones tous les quelques jours et est librement et gratuitement accessible - le pilier de la surveillance à grande échelle. Pour le détail fin, nous utilisons la bande X du TerraSAR-X allemand et du COSMO-SkyMed italien, qui résolvent des structures individuelles jusqu'à environ un mètre, et nous exploitons la bande L de l'ALOS-2 japonais, en choisissant la bande C, X ou L et les géométries ascendantes et descendantes dont chaque site a besoin. La bande L à plus grande longueur d'onde, comme celle de l'ALOS-2, conserve la cohérence sur la végétation là où les longueurs d'onde plus courtes se décorrèlent, ce qui compte sur les terrains forestiers et nordiques.

Il existe un compromis entre couverture, résolution et coût. Sentinel-1 est gratuit, à large couverture et à résolution moyenne ; les capteurs commerciaux à haute résolution comme TerraSAR-X révèlent des détails fins sur des structures individuelles, mais sont coûteux et couvrent des zones plus petites. Notre stratégie standard consiste à commencer par les données gratuites Sentinel-1 pour examiner l'ensemble du site, construire la base de référence historique et localiser les zones où le sol bouge, puis à commander des données commerciales à plus haute résolution uniquement là où un détail ou une précision accrus le justifient.

Le traitement de ces grandes piles d'images radar est intensif en calcul : des centaines d'images sont inversées pixel par pixel, c'est pourquoi notre logiciel est parallélisé pour fonctionner sur des grappes de calcul multi-nœuds. C'est ce qui rend possible la surveillance pluriannuelle et à grande échelle d'un site entier.

En pratique, nous combinons souvent plusieurs de ces techniques : une série temporelle PSI ou SBAS pour la tendance à long terme, le suivi des décalages là où le mouvement est important, et le MSBAS pour résoudre la direction en fusionnant plusieurs satellites. La bonne combinaison dépend de la vitesse et de l'ampleur du mouvement, de l'occupation du sol et de l'usage qui sera fait des résultats. Nos méthodes de traitement reposent sur des recherches évaluées par des pairs et publiées dans des revues internationales de télédétection.

Qu'est-ce que l'InSAR ?

L'InSAR (radar interférométrique à synthèse d'ouverture) mesure le mouvement du sol depuis l'espace en comparant la phase d'images radar satellitaires répétées, cartographiant la déformation sur de vastes zones avec une précision millimétrique à centimétrique sans aucun instrument au sol.

Quelle est la différence entre le DInSAR et le suivi des décalages ?

Le DInSAR mesure les mouvements faibles à modérés avec une grande précision en comparant la phase radar, mais il nécessite un déroulement de phase. Le suivi des décalages de pixels (speckle) mesure des mouvements bien plus grands et rapides, de l'ordre du mètre, en suivant les structures de l'image sans déroulement, à une précision moindre. Le MSBAS peut combiner les deux.

Quelle est la différence entre PSI et SBAS ?

La PSI suit un réseau de points stables et fortement réfléchissants avec une très haute précision et fonctionne le mieux en zones bâties, tandis que la SBAS produit des cartes spatialement continues et préserve la cohérence sur les terrains naturels. De nombreux projets utilisent les deux.

Qu'apporte le MSBAS par rapport à l'InSAR standard ?

Une seule image radar ne mesure le mouvement que le long de la ligne de visée du satellite. Le MSBAS combine plusieurs géométries d'observation pour restituer les mouvements vertical, est-ouest et nord-sud, et peut prolonger cela dans le temps sous forme d'enregistrement quadridimensionnel.

Quels satellites utilisez-vous ?

Nous utilisons principalement Sentinel-1, gratuit et couvrant de vastes zones tous les quelques jours, ainsi que des capteurs commerciaux à haute résolution comme TerraSAR-X lorsque des détails fins sont nécessaires. Nous exploitons aussi les archives SAR historiques remontant aux années 1990 (ERS, Envisat, JERS, ALOS) pour reconstruire les mouvements passés.

Pouvez-vous mesurer une déformation survenue dans le passé ?

Oui. Les archives radar satellitaires remontent au début des années 1990, ce qui nous permet souvent de reconstruire des années, voire des décennies, de mouvement passé du sol sur un site, même là où aucun instrument n'a jamais été installé.