L’interférométrie Le Concept d’AURIGAMI Auteurs : Matthias Jauvin (1),(2), Bénédicte Fruneau (3), Emmanuel Trouvé (2) 1) AURIGAMI – (2) LISTIC, Université Savoie Mont Blanc - (3) Université Paris-Est Marne-la-Vallée

/ Sommaire / AURIGAMI Logiciels et chaines de traitement Principes de base de l’Interférométrie Interférométrie SAR (InSAR) Radar à synthèse d’ouverture Distorsions géométriques inhérentes à l’imagerie SAR – Exemple de données : TerraSAR – X : Gizeh Distorsions géométriques inhérentes à l’imagerie SAR Image SAR > Image complexe Techniques Interférométriques Interférométrie différentielle radar Données disponibles Données spatiales SAR Données SENTINEL Logiciels et chaines de traitement Comparaison avec les techniques d’auscultation topographique ’’classique ’’ Conclusion

/ AURIGAMI / « Groupement d’intérêt Economique (GIE) : issu de l’association des sociétés MIRE sas et ALITER VIDERE depuis Janvier 2016. » L’objectif d’AURIGAMI est de prolonger l’activité de topographie de précision de ses deux actionnaires par le développement de la technique qu’est l’interférométrie radar.   L’interférométrie est une technique permettant de mesurer, depuis l’espace, des déplacements à la surface de la Terre avec une précision centimétrique, voire millimétrique, en utilisant des séries temporelles d’images radar. Depuis Octobre 2014, données SENTINEL (ESA) . Permet d’envisager la mise en œuvre de cette technique dans le suivi à grande échelle de toutes les instabilités montagneuses et les suivis de stabilité des grands ouvrages (existants ou à venir).

/ AURIGAMI / But de la thèse Cependant le «transfert » des méthodes d’interférométrie radar aujourd’hui principalement développées par les scientifiques nécessite un important travail d’adaptation des méthodes aux besoins de l’utilisateur final et à la nature des mouvements observés. Pour se faire, AURIGAMI s’est associé à un laboratoire spécialisé dans le traitement de données radar (LISTIC, Annecy-le_Vieux) afin de cofinancer une thèse de doctorat portant sur le développement de cette méthode. But de la thèse Intégrer les résultats de l’interférométrie dans des processus de suivi de mouvements à grande échelle, en complément ou en substitution des techniques actuelles couramment employées telles que les mesures par GPS, tachéométriques ou encore de nivellement direct.

/ Principes de base / Interférométrie SAR (InSAR) L’interférométrie SAR (Synthetic Aperture Radar) ou InSAR, consiste à interférer deux images SAR d'une même région, qui ont été acquises à partir de deux positions légèrement différentes dans l'espace ou le temps. Lorsqu'une cible est vue sous deux angles légèrement différents, l’élévation de celle-ci peut être récupérée avec précision en utilisant l'information de phase, qui permet une reconstruction en 3 dimensions de la scène observée.

Capteur actif micro-onde / Principes de base / Radar à synthèse d’ouverture – Synthetic Aperture radar Angle de visée Empreinte radar Fauchée distance sol azimuth Orbite du satellite Capteur actif micro-onde Bande X : 2.4 à 3.7 cm (8‐12.5 Ghz) Bande C : 3.8 à 7.5 cm (4‐8 Ghz) Bande L : 15 à 30 cm (1‐2 Ghz)

Ligne de visée du satellite / Principes de base / Distorsions géométriques inhérentes à l’imagerie SAR Exemples des données TerraSAR – X: Gizeh ©DLR Ligne de visée du satellite Incidence : 53° ©DLR Ligne de visée du satellite Largeur : 232 m Hauteur : 146 m Pente : 51° Incidence : 40°

/ Principes de base / Distorsions géométriques inhérentes à l’imagerie SAR Repliement Ombre

/ Principes de base / Image SAR = Image COMPLEXE En chaque Pixel, deux quantité mesurées > AMPLITUDE : Amplitude du signal = F (paramètres liés au capteur, des propriétés de la surface) Fréquence Rugosité à l’échelle de la longueur d’onde Polarisation Géométrie du réflecteur (pente de la surface…) Angle d’incidence Propriétés diélectrique de la surface Plus l’amplitude du pixel sera élevée, meilleure sera la qualité du signal

f = f géom + fpropre / Principes de base / Image SAR = Image COMPLEXE > PHASE : Somme de deux contributions f = f géom + fpropre Trajet aller-retour du signal (déterministe) Signature de phase du pixel (contribution interne). Phase de construction

Trajet aller-retour du signal (déterministe) / Principes de base / Image SAR = Image COMPLEXE f = f géom + fpropre Trajet aller-retour du signal (déterministe) Signature de phase du pixel (contribution interne). Phase de construction f géom= 4pR/l R distance radar-cible R signal radar émis signal rétrodiffusé A f Somme vectorielle (amplitude et phase) 1 pixel Addition vectorielle de la réponse de chaque réflecteur

Phase d’une seule image : inexploitable / Principes de base / Image SAR = Image COMPLEXE Phase d’une seule image : inexploitable Utilisation de deux images : Eliminer la contribution interne de chaque pixel, et garder la contribution géométrique condition : la phase propre doit rester stable Paramètre distance radar-objet accessible !!

/ Principes de base / Image SAR = Image COMPLEXE RÉSUMÉ : LES IMAGES SAR Satellites pour la télédétection (ERS-1 1991, ERS-2 1995, ESA) TerraSAR-X – TanDEM-X (2007, 2010, DLR) Avantages : Capteur actif, indépendamment des conditions météos  Données multi-temporelles régulières Ondes polarisées cohérentes  Interférométrie, polarimétrie Inconvénients Géométrie : distorsions du relief Speckle / chatoiement Interprétation difficile

/ Techniques Interférométriques / Interférométrie différentielle radar 1991 : lancement d’ERS-1 (bande C ; l=5,6 cm) Une cartographie étendue, précise et dense des déplacements. Avantage de la télédétection (pas d’instrumentation in-situ) Outil «tout temps» technique puissante obtenir un champ de déplacements de surface, offrant Techniques interférométriques « avancée » multi-images Technique des réflecteurs permanents ou réflecteurs persistants (Persistent Scatterers) (2000) Amélioration de la précision des mesures Déplacements ténus et lents

/ Techniques Interférométriques / Interférométrie sur diffuseurs permanents – TECHNIQUES PS Déplacements verticaux liés aux pompages Construction de la gare Haussmann St-Lazare (RER Eole) Carte des déplacements verticaux correspondant à la subsidence totale Carte des déplacements verticaux correspondant à la remontée totale : novembre 1997 - octobre 1998 Collaboration IGC, SNCF, RATP

/ Techniques Interférométriques / Interférométrie sur diffuseurs permanents – TECHNIQUES PS Carte des vitesses moyennes entre 1995 et 2001

/ Données disponibles /

/ Données disponibles / Les données SENTINEL La principale innovation vient de la grande bande accessible, environ 250 km, et donc de la revisite rapide (12 jours puis 6) • une cohérence plus élevée • Donc des interférogrammes avec moins de bruit

/ Exemple d’une chaine de traitement / IMAGE SLC 1 Etape 1 SLC 1 au format 5 Etapes IMAGE SLC 2 SLC 2 au format 5 Etapes 2 images en intensité moyennées (MLI) 9 Etapes Préparation du MNT Géo-codage de MLI 2 Etapes Ré-échantillonnage du MNT dans la géométrie de ML1 4 Etapes Co-registration de la paire d’images SLC 2 Etapes Interférogramme différentiel Déroulement de phase et filtrage Mesure de la déformation de surface

/ Comparaison avec techniques d’auscultation topographique « Classiques » / Etat de l’art des techniques de mesures topo Topographie Manuelle Auscultation Automatique des prismes Auscultation Automatique sans Prisme Scanner Fixe GPS Scanner Mobile Portée 200 m 80/100 m 100/500 m 100 m Précision 3 mm/100 m 2mm/100 m 1 cm/ 100 m 7 mm/100 m 1,5 cm 3 cm Fréquence Jour/hebdo mensuel 20 mn Joue/hebdo mensuel milliers de points Points par points En dynamique 15 km/h – 60 km/h Nature de la Mesure X, Y, Z sur cible X,Y,Z sur cibles Z (sur Chaussées ou ouvrages d’art) Nuages de points sur plusieurs kilomètres X, Y, Z absolu Coût matériel 30 K€ 40 K€ 100 K€ 300 K€/ 800 K€ Avantages Adaptabilité souplesse d’utilisation, disponibilité Redondance des mesures Pas d’installation Exhaustif , rapide Exhaustif, rapide embarqué Inconvénients Non automatique, traitement long Moins précis, nombreux masques Pas adapté à la voie férrée Méthode PS : Précision pouvant aller jusqu’au millimètre => Nécessité d’un suivi de l’incertitude

/ Conclusion / • Les données fournies depuis 2014 par les satellites SENTINEL de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) permettent d’envisager la mise en œuvre de cette technique dans le suivi à grande échelle de toutes les instabilités montagneuses et les suivis de stabilité des grands ouvrages (existants ou à venir). • Cependant, le «transfert » des méthodes d’interférométrie radar aujourd’hui principalement développées par les scientifiques nécessite un important travail d’adaptation des méthodes aux besoins de l’utilisateur final et à la nature des mouvements observés. • Thèse : Mesure des Déformations de surface par Imagerie Radar satellitaire – Application à la surveillance des Territoires de Montagne et de l’Impact de grands Chantiers) => But : Arriver à intégrer les résultats de l’interférométrie dans des processus de suivi de mouvements à grande échelle, en complément ou en substitution des techniques actuelles couramment employées telles que les mesures par GPS, tachéométries ou encore de nivellement direct.

Merci de votre attention