Mesure du déplacement de surface à partir d’images de télédétection

Afin de donner un aperçu des images disponibles auprès des agences spatiales et de leurs principales caractéristiques, ce chapitre décrit différentes missions spatiales contenant des données pertinentes pour la mesure des mouvements du sol. Il aborde certains paramètres spécifiques des systèmes de radar à synthèse d’ouverture (SAR) et des systèmes d’imagerie optiques. Le chapitre présente également les missions spatiales qui ont été ou sont utilisées pour calculer les champs de déplacement par interférométrie radar (InSAR) ou par corrélation d’images optiques ou radar. L’amélioration des techniques d’imagerie, la mise à disposition gratuite des données de certaines missions et la programmation de nouvelles missions spatiales (comme NISAR ou ROSE-L) sont autant d’atouts décisifs pour les scientifiques afin d’observer toujours plus précisément les déplacements de la surface terrestre.

La mise en correspondance d’images est un problème bien connu dans les sciences de la Terre qui se retrouve dans deux applications métrologiques principales : l’estimation de la géométrie d’une scène en 3D à partir d’images acquises à partir de différents points de vue, et l’’estimation des déformations de surface à partir d’images acquises à partir de points de vue similaires. Les images prises à des moments différents et/ou à partir de points de vue différents sont sujettes à des déformations radiométriques et géométriques. Pour exploiter ces images à des fins de métrologie, les déformations doivent être modélisées de manière adéquate. Ce chapitre aborde les approches les plus courantes de la modélisation des déformations, notamment l’appariement de modèles normalisés, l’imposition d’un "a priori" sur les déformations (c’est-à-dire la régularisation), ainsi que les techniques multi-résolution. Enfin, comme l’appariement d’images repose sur la géométrie connue du capteur, nous présentons aussi brièvement les types de capteurs les plus communs, ainsi que leurs représentations mathématiques et les erreurs de géolocalisation du capteur fréquemment rencontrées.

Ce chapitre présente diverses méthodes de suivi des décalages à l’aide de l’imagerie radar à synthèse d’ouverture (SAR). Il commence par une brève introduction à la géométrie d’acquisition et aux caractéristiques de l’imagerie SAR, y compris une description du chatoiement radar. Les équations pour le suivi du décalage dans le domaine spatial et dans le domaine fréquentiel sont développées et expliquées. Le rapport signal/bruit et les paramètres de corrélation croisée sont donnés. Les méthodes de suivi de la cohérence, de suivi du chatoiement et de suivi de l’intensité sont expliquées et différenciées. Le chapitre comprend une description de deux méthodes de suivi avancées. Ces méthodes utilisent des séries temporelles d’images SAR pour rendre le suivi du décalage plus robuste contre la décorrélation, le chatoiement radar et le bruit, et pour améliorer la résolution spatiale des mesures de décalage. Le chapitre se termine par la fusion des mesures de déplacement provenant de différentes géométries d’observation en cartes de déplacement tridimensionnel.

L’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) combine deux images SAR SLC (single-look-complex) pour exploiter les informations géométriques contenues dans la différence de phase des deux images. Ce chapitre explique les principes de l’InSAR. Il détaille notamment les principales étapes du traitement de l’interférométrie radar, qui sont communes à presque toutes les chaînes de traitement (comme la focalisation de l’image, le rééchantillonnage avec la même géométrie d’acquisition, le filtrage en bande commune, la génération d’interférogrammes et de cartes de cohérence, le filtrage des franges, etc.). Après avoir discuté de ces étapes clés, ce chapitre illustrera cette méthode de mesure des mouvements du sol avec le cas d’un tremblement de terre en utilisant le logiciel libre ORFEO Tool Box. Un aperçu rapide des solutions logicielles InSAR existantes est également fourni.

La plupart des méthodes exploitant les séries temporelles InSAR (interférométrie radar) présentent des caractéristiques similaires qui permettent de les classer en deux catégories de techniques. La première catégorie de techniques est basée sur des réflecteurs distribués (DS) pour la surveillance des déformations. Une façon courante de réduire la décorrélation des signaux consiste à sélectionner des interférogrammes avec des lignes de base spatiales et temporelles courtes (technique des small baselines subset, SBAS). La seconde catégorie est celle de l’approche PS (permanent/persistant scatterers), qui utilise des réflecteurs individuels dominant le signal à l’intérieur d’une cellule de résolution pour suivre la déformation dans le temps. Une technique avancée récente nous permet de combiner à la fois les PS et les DS pour surmonter la rareté des points identifiés pour l’estimation (technique PSDS combinant réflecteurs persistants et distribués). Ce chapitre décrit les deux principales familles de techniques InSAR de séries temporelles (SBAS et PSDS).

Ce chapitre décrit certaines propriétés de la phase interférométrique et le traitement associé. La phase interférométrique est mesurée modulo 2pi et doit être déroulée pour la suite des traitements. Le processus de déroulement est une étape cruciale et difficile. La première partie du chapitre donne un aperçu non exhaustif des algorithmes de déroulement de phase utilisés en InSAR, ainsi que des algorithmes de correction d’erreur de déroulement de phase. La deuxième partie du chapitre décrit la phase dite de fermeture temporelle. Pour les interférogrammes multi-vues (multi-looks), cette phase peut être non nulle. Le chapitre décrit ses propriétés mathématiques et donne des exemples de phénomènes physiques qui peuvent l’expliquer, tels que les effets volumétriques ou les changements de la constante diélectrique des cibles radar. Il montre comment la présence de phases de fermeture non nulles peut avoir des conséquences importantes sur les paramètres de déformation estimés.

Au cours des dernières décennies, le développement de l’InSAR et de la corrélation optique ainsi que l’augmentation considérable des données satellitaires ont révolutionné la mesure des déplacements de surface induits par l’activité sismique. Dans ce chapitre, nous présentons tout d’abord une vue d’ensemble de ce que nous avons appris en 30 ans d’InSAR tectonique. Pour chaque phase du cycle sismique, nous passons en revue l’histoire des études InSAR et ce qu’elles nous ont appris sur les failles et les tremblements de terre. Dans la deuxième partie du chapitre, nous nous concentrons sur l’étude des séismes de rupture en surface à l’aide de la corrélation optique. Nous décrivons brièvement la technique ainsi que ses avantages et ses limites. Nous montrons ensuite des exemples de champs de déplacement de surface 2D et 3D obtenus par corrélation optique. Enfin, nous passons en revue les connaissances sur les tremblements de terre et la mécanique des failles apportées par les champs de déplacement à haute résolution obtenus par corrélation optique.

Ce chapitre décrit différentes techniques de mesure des déplacements de surface des volcans, essentiellement à l’aide de données radar, mais aussi à l’aide de données optiques à haute résolution. Il montre comment la télédétection a été utilisée pour développer des observations statistiques globales de l’activité volcanique, et comment les mesures de déplacement obtenues depuis l’espace peuvent être combinées avec d’autres observations de télédétection ou des instruments au sol. Le chapitre démontre la contribution des mesures de déplacement par satellite dans la gestion des crises volcaniques récentes. L’amélioration de la disponibilité des données présente un avantage pour la communauté scientifique et les observatoires volcanologiques pour gérer les situations de crise en permettant d’obtenir rapidement des mesures de déformations du sol. Toutefois, des progrès sont encore nécessaires pour la surveillance en temps réel des volcans.

Ce chapitre présente l’application des techniques interférométriques dedu radar à synthèse d’ouverture (SAR) spatial aux déformations de la surface du sol résultant de l’activité humaine. L’extraction de fluides et l’excavation de cavités sont les principales sources anthropiques de subsidence. L’activité anthropique souterraine peut également amplifier une subsidence naturelle et même déclencher des tremblements de terre significatifs. L’interférométrie radar (InSAR), en tant qu’outil géodésique spatial, offre donc une capacité d’imagerie intéressante pour la cartographie et la surveillance des mouvements de terrain liés à ces activités. L’InSAR peut être utilisée, par exemple, à toutes les phases des projets de creusement de tunnels : avant, pour identifier les mouvements de terrain préexistants ; pendant les travaux ; et après l’achèvement des travaux, pour la surveillance des déformations résiduelles. L’InSAR joue aussi également un rôle croissant dans l’évaluation des pratiques de gestion de l’eau et dans la mise en œuvre de stratégies de gestion appropriées qui peuvent inclure l’atténuation des subsidences.

Les glissements de terrain lents sont des objets géomorphologiques qui se déplacent à des vitesses allant de mm/an à plusieurs m/an. Bien qu’ils soient trop lents pour faire des victimes, ces mouvements de terrain peuvent être précurseurs de mouvements plus rapides pouvant avoir des conséquences catastrophiques. La télédétection par satellite s’est avérée très utile pour détecter et surveiller les glissements de terrain lents dans des zones étendues et parfois éloignées. Le lancement de plusieurs générations de satellites au cours des 20 dernières années, avec de très hautes résolutions et des fréquences de revisite élevées, et le développement de techniques InSAR et de corrélation d’images appliquées à la fois aux images optiques et SAR nous ont permis de surmonter certains des défis posés par ces objets, qui sont à la fois petits et cinématiquement variables dans le temps. Ces nouvelles données et méthodes ont permis de mesurer précisément les déplacements de glissements de terrain à évolution lente avec différents objectifs : détection, surveillance, caractérisation et compréhension des processus physiques sous-jacents. Dans ce chapitre, nous passons en revue ces méthodes et leurs applications.

Ce chapitre se concentre sur l’observation de l’écoulement des glaciers (inlandsis, calottes glaciaires, glaciers de vallée) par la méthode du suivi des décalages dans des séries temporelles d’images satellitaires. L’observation de l’écoulement de la glace est importante pour comprendre la dynamique des glaciers, leur réponse au changement climatique et leur évolution future. Cependant, de nombreuses caractéristiques des glaciers, telles que le manque de contraste de l’image ou l’évolution rapide des propriétés de la surface, rendent difficile la mesure du déplacement de la surface par télédétection. Ce chapitre met d’abord en évidence les principales caractéristiques de l’écoulement glaciaire, par rapport à d’autres mouvements géophysiques. Il décrit ensuite les méthodologies spécifiquement développées pour mesurer l’écoulement de la glace à partir d’images de télédétection. Enfin, il donne un aperçu des progrès glaciologiques rendus possibles par la télédétection et des perspectives d’avenir.

Ce chapitre décrit de nouvelles techniques de corrélation d’images optiques afin de produire des cartes de déplacements d’objets à la surface terrestre. Une première application est le calcul systématique de la hauteur et de la vitesse des nuages volcaniques nécessaire pour estimer la masse éjectée au cours de l’éruption. Une deuxième application est la mesure de la célérité des vagues océaniques pour retrouver la bathymétrie côtière. Le chapitre présente ainsi quelques exemples de la littérature utilisant des capteurs de la mission Landsat 8 et de la mission Pléiades. Il examine ensuite comment il est possible d’exploiter une caractéristique particulière du plan focal d’un instrument pushbroom à haute résolution pour calculer une carte détaillée de l’altitude et de la vitesse d’un nuage de cendres volcaniques ou de la bathymétrie côtière.