Développements algorithmiques pour l’amélioration des résultats de l’interférométrie RADAR en milieu urbain

Le suivi des espaces urbanisés et de leurs dynamiques spatio-temporelles représente un enjeu important pour la population urbaine, autant sur le plan environnemental, économique et social. Avec le lancement des satellites portant des radars à synthèse d’ouverture de la nouvelle génération (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, ALOS, RADARSAT-2,Sentinel-1, Constellation RADARSAT), il est possible d’obtenir des séries temporelles d’images avec des résolutions spatiales et temporelles fines. Ces données multitemporelles aident à mieux analyser et décrire les structures urbaines et leurs variations dans l’espace et dans le temps. L’interférométrie par satellite est effectuée en comparant les phases des images RSO prises à différents passages du satellite au-dessus du même territoire. En optant pour des positions du satellite séparées d’une longue ligne de base, l’InSAR mène à la création des modèles numériques d’altitude (MNA). Si cette ligne de base est courte et à la limite nulle, nous avons le cas de l’interférométrie différentielle (DInSAR)  qui  mène  à  l’estimation  du  mouvement  possible  du  terrain  entre  les  deux acquisitions. Pour toutes les deux applications de l’InSAR, deux opérations sont importantes qui garantissent la génération des interférogrammes de qualité. La première est le filtrage du bruit omniprésent dans les phases interférométriques et la deuxième est le déroulement des phases. Ces deux opérations deviennent particulièrement complexes en milieu urbain où au bruit des phases s’ajoutent des fréquents sauts et discontinuités des phases dus à la présence des bâtiments et d’autres structures surélevées. L’objectif de cette recherche est le développement des nouveaux algorithmes de filtrage  et  de  déroulement  de  phase  qui  puissent  mieux  performer  que  les  algorithmes considérés comme référence dans ce domaine. Le but est d’arriver à générer des produits InSAR de qualité en milieu urbain. Concernant le filtrage, nous avons établi un algorithme qui est une nouvelle formulation du filtre Gaussien anisotrope adaptatif. Quant à l’algorithme de déroulement de phase, il est fondé sur la minimisation de l’énergie par un algorithme génétique ayant recours à une modélisation contextuelle du champ de phase. Différents tests ont été effectués avec des images RSO simulées et réelles qui démontrent le potentiel de nos algorithmes qui dépasse à maints égards celui des algorithmes standard. Enfin, pour atteindre le but de notre recherche, nous avons intégré nos algorithmes dans l’environnement du logiciel SNAP et appliqué l’ensemble de la procédure pour générer un MNA avec des images RADARSAT-2 de haute résolution d’un secteur de la Ville de Montréal (Canada) ainsi que des cartes des mouvements du terrain dans la région de la Ville de Mexico (Mexique) avec des images de Sentinel-1 de résolution plutôt moyenne. La comparaison des résultats obtenus avec des données provenant des sources externes de qualité a aussi démontré le fort potentiel de nos algorithmes. The monitoring of urban areas and their spatiotemporal dynamics is an important issue for the urban population, at the environmental, economic, as well as social level. With the launch of satellites carrying next-generation synthetic aperture radars (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, ALOS, RADARSAT-2, Sentinel-1, Constellation RADARSAT), it is possible to obtain time series of images with fine temporal and spatial resolutions. These multitemporal data help to better analyze and describe urban structures, and their variations in space and time. Satellite interferometry is performed by comparing the phases of SAR images taken at different satellite passes over the same territory. By opt-ing for satellite positions separated by a long baseline, InSAR leads to the creation of digital elevation models (DEM). If this baseline is short and, at the limit zero, we have the case of differential interferometry (DInSAR) which leads to the estimation of the possible movement of the land between the two acquisitions. In both InSAR applica-tions, two operations are important that ensure the generation of quality interferograms. The first is the filtering of ubiquitous noise in the interferometric phases and the second is the unwrapping of the phases. These two operations become particularly complex in urban areas where the phase noise is added to the frequent jumps and discontinuities of phases due to the presence of buildings and other raised structures. The objective of this research is the development of new filtering and phase unwrap-ping algorithms that can perform better than algorithms considered as reference in this field. The goal is to generate quality InSAR products in urban areas. Regarding filtering, we have established an algorithm that is a new formulation of the adaptive anisotropic Gaussian filter. As for the phase unwrapping algorithm, it is based on the minimization of energy by a genetic algorithm using contextual modelling of the phase field. Various tests have been carried out with simulated and real SAR images that demonstrated the potential of our algorithms that in many respects exceeds that of standard algorithms. Finally, to achieve the goal of our research, we integrated our algorithms into the SNAP software environment and applied the entire procedure to generate a DEM with high-resolution RADARSAT-2 images from an area of the City of Montreal (Canada) as well as maps of land movement in the Mexico City region (Mexico) with relatively medium-resolution Sentinel-1 images. Comparison of the results with data from external quality sources also demonstrated the strong potential of our algorithms.

Keyphrases: Filtrage de phase, Déroulement de phase, InSAR, MNA, DInSAR, Cartes de mouvement de surface, InSAR, DInSAR, Phase filtering, Phase unwrapping, DEM, Surface displacement maps