Application of differential synthetic aperture radar interferometry (dinsar) to the monitoring of ground and structure movements

Durante las ultimas decadas, la teledeteccion basada en radar de apertura sintetica (SAR) se ha desarrollado y optimizado en el mundo academico con la implementacion de algoritmos y metodologias que permiten el aprovechamiento de la informacion satelital en numerosas aplicaciones. Sin embargo, en muchas de estas aplicaciones, la transicion del mundo academico al mundo profesional y operacional aun no se ha producido. La falta de una normalizacion de las prestaciones y limitaciones de la tecnologia SAR ha limitado su completa aplicacion comercial en la monitorizacion de construcciones civiles. El objetivo de esta tesis es arrojar luz sobre este problema. Este trabajo propone una innovadora metodologia para aprovechar el archivo de 25 anos de datos radar de distintos sensores para desarrollar mapas de deformacion historica. El desarrollo de esta metodologia proporciona la posibilidad de llevar a cabo un analisis comparativo de las caracteristicas de los distintos algoritmos y sensores. Esta informacion tiene el objetivo de proporcionar criterios de seleccion de la mejor combinacion sensor-algoritmo a un usuario. Asimismo, se ha llevado a cabo un profundo trabajo de validacion de la aplicabilidad de la interferometria de puntos persistentes (PSI) satelital al control de trabajos de soterramiento y tunelacion. Los trabajos de construccion de la M-30, que supusieron el soterramiento de 50 km de carreteras, son el escenario empleado para la validacion. Las deformaciones estimadas mediante PSI son comparadas contra las deformaciones medidas por los instrumentos usados durante el periodo de construccion. La validacion demuestra que prestaciones milimetricas pueden obtenerse con los ultimos algoritmos basados en PSI. Por otro lado, las limitaciones de la tecnica como la latencia con la que las estimaciones son actualizadas y la disponibilidad de estimaciones precisas en areas decorreladas son detalladas. Como resultado del analisis, se propone una solucion de monitorizacion optima basada en la integracion de la tecnologia SAR satelital y un numero reducido de instrumentos en tierra para cubrir la monitorizacion de los elementos que requieren una gran frecuencia de control. Se ha analizado la aplicabilidad de la tecnica PSI al escenario urbano mas complejo, el centro historico de una ciudad. Estas zonas se caracterizan por tener una mayor decorrelacion que otras areas urbanas debido a la peculiaridad de sus tejados y fachadas y de la aglomeracion de personas en las calles que impide obtener puntos coherentes en las zonas de paso. Se han analizado los trabajos de construccion del tunel ferroviario que une Chamartin y Atocha y la ampliacion de los andenes de la parada de metro de Sol. Las limitaciones de disponibilidad de la tecnica se muestran claramente en el hecho de que algunos edificios no muestran puntos coherentes. No obstante, se demuestra que la tecnica PSI puede complementar la instrumentacion convencional proporcionando datos de deformacion sobre grandes areas. Por ultimo, el escenario del centro historico de Madrid se ha empleado para la definicion y validacion de unos indices de clasificacion que permiten una interpretacion objetiva de la tecnica PSI y reducen la dependencia de los resultados de las caracteristicas del algoritmo y sensor empleados en el procesado. ----------ABSTRACT---------- During the last decades, satellite-based Synthetic Aperture Radar (SAR) technology has been fully developed in the academic world with the implementation of the algorithms and methodologies that allow the exploitation of satellite-based radar information. However, in some applications, such as the monitoring of ground civil structures, the transition between the academic and the professional work is far from being complete. The lack of a clear standardization of the potential and limits of the technique along with the limited amount of ground truth data from actual constructions work have slowed down the common operational use of satellite-based SAR sensors in the monitoring of construction works. This thesis aims at shedding light to this matter. An innovative approach is proposed to exploit the long data archives with data from more than 25 years from different sensors generating historical deformation maps. This scenario also provides the opportunity of carrying out a benchmarking analysis pointing out the characteristics of the main frequency bands and the outcomes of different algorithms. This can provide an end user with valuable information to select the best combination of sensor and processing algorithm. A concise validation effort of the application of satellite-based Persistent Scatterer Interferometry (PSI) to the monitoring of tunneling works is carried out. The construction works of the M-30, which implied the underground of up to 50 km of roads, represent the validation scenario. The estimated PSI deformations have been compared against the data from actual instruments used during the construction period. This validation work proves that high accuracies of a few millimeters can be achieved with the state of the art PSI algorithms. In addition, the limitations of the technique, such as the latency of the estimations update, and the limited availability of coherence points in decorrelated areas are detailed. As a result of this analysis, an optimal monitoring process is proposed based on the integration of satellite-based and a reduced amount of on-ground instruments for the assets that require high frequent estimation updates. The applicability of the PSI technique to the most challenging urban scenario, a city center, is assessed. These areas have higher decorrelation statistics than other urban areas due to the characteristics of the facades and rooftops and the crowded streets that prevent from obtaining coherent points in transit areas. The tunneling works of the railway between Atocha and Chamart´in and the enlargement of the waiting areas of the Sol metro stations are the scenarios used. The availability limitations of the technique are clearly seen in this scenario since some of the building affected by the construction works are not covered by coherent points. Nevertheless, it has been shown that PSI can complement conventional instruments providing deformation estimations over large areas. Finally, the city center scenario is also used for the definition and validation of a set of classification indexes that allow an objective interpretation of the PSI results and reduce the dependency of the results on the algorithm and sensor used in the processing.