Deformation measurement and monitoring with Ground-Based SAR
Authors:   , Monserrat Hernández Oriol 
Published: October 2023

The Ground-Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) is a relatively new technique,
which in the last ten years has gained interest as deformation measurement and
monitoring tool. The GB-SAR technique is based on an imaging radar-based sensor, which
o ers high sensitivity to small displacements, in the region of sub-millimetres to
millimetres, long-range measurements, which can work up to some kilometres, and massive
deformation measurement capability. These features confer to the GB-SAR technique
interesting advantages with respect to other point-wise deformation measurement
techniques.
The process of estimating deformation from the GB-SAR data is not straightforward:
it requires complex data processing and analysis tools. This dissertation is focused on
these tools, covering the whole deformation estimation process. This thesis collects the
main research results achieved on this topic during my work at the Active Remote Sensing
Unit of the Institute of Geomatics. Two di erent approaches for measuring deformation
with GB-SAR data are described and discussed. The irst one is the interferometric
approach, based on the exploitation of the phase component of the GB-SAR data, which
is the commonly used GB-SAR method. The second one is a non-interferometric approach,
which exploits the amplitude component of the GB-SAR data, o ering an interesting
alternative way to exploit the GB-SAR data.
This dissertation has two main objectives. The first one is presenting, step by step, a
complete interferometric GB-SAR procedure for deformation measuring and monitoring.
The second one is presenting two new algorithms, which represent the most innovative
part of this thesis. The first algorithm faces the phase unwrapping problem, providing an
automatic solution for detecting and correcting unwrapping errors, which is called 2+1D
phase unwrapping. The second algorithm is the base of the above mentioned non-
interferometric approach, which overcomes some of the most critical limitation of GB-SAR
interferometry, at the expense of getting less precise deformation estimates.
The dissertation is divided in 6 chapters. The first one is the introduction, while the
second one provides an overview of GB-SAR interferometry, introducing the main aspects
that are the basics of the subsequent chapters. Chapter 3 describes a complete GB-SAR
processing chain. Chapters 4 and 5 contain the most original part of the dissertation, i.e.
the 2D+1 phase unwrapping algorithm, and the non-interferometric approach. Finally, in
Chapter 6 the conclusions are discussed and further research is proposed.
El radar terrestre d’obertura sintètica (GB-SAR) és una tècnica relativament nova
que, en els últims deu anys, ha guanyat interès com a eina per a mesurar i monitorar
deformacions. La tècnica GB-SAR es basa en un sistema radar amb capacitat per
proporcionar imatges, que ofereix una alta sensibilitat a petits desplaçaments, d’ordre
mil·limètric o submil·limètric, que és capaç de mesurar a llargues distàncies (alguns km)
i que té una alta capacitat per fer mesures massives. Aquestes característiques donen a la
tècnica interessants avantatges respecte a altres tècniques clàssiques de mesura de
deformacions, típicament basades en mesures puntuals.
Derivar mesures de deformació a partir de dades GB-SAR no és un procés senzill, ja
que requereix uns procediments complexos de processat i anàlisi de dades. Aquesta tesi es
centra en aquests processos. Aquesta tesi recull alguns dels resultats més destacats de la
investigació que he desenvolupat sobre aquest tema a la unitat de Teledetecció Activa de
l'Institut de Geomàtica. Al llarg del document es descriuen dues aproximacions diferents
per mesurar deformacions amb GB-SAR. Una es basa en la explotació de la tècnica de la
interferometria, és a dir explotant la component de la fase de les imatges GB-SAR: és la
tècnica GB-SAR usada habitualment. La segona, anomenada tècnica no-interferomètrica,
es basa en la component de l’amplitud de les dades GB-SAR i ofereix una interessant
alternativa a la primera.
La tesi acompleix dos objectius principals. En primer lloc presenta un procediment
complet per la mesura i monitoratge de deformacions mitjançant interferometria GB-SAR.
En segon lloc, descriu dos nous algorismes que resolen problemes específics de la
interferometria clàssica aplicada al GB-SAR i que representen la part més innovadora
d’aquesta tesi. El primer algorisme aborda un dels problemes oberts de la interferometria,
el phase unwrapping, proposant un mètode automàtic per detectar-ne i corregir-ne els
errors. El segon algorisme proposa un nou mètode per a l'explotació de les dades GB-SAR
per mesurar deformacions sense utilitzar la interferometria.
La estructura de la tesi consisteix en sis capítols. Després de la introducció, el Capítol
2 proporciona una visió general de la interferometria GB-SAR, introduint els conceptes
principals utilitzats en la tesi. En el tercer capítol es descriu una cadena de processament
basada en GB-SAR interferomètric. Els capítols quart i cinquè contenen la part més
original de la tesi: l'algorisme de phase unwrapping i el mètode no-interferomètric per la
mesura de deformacions. Finalment, es discuteixen les conclusions principals i es proposen
futures línies d’investigació.