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Géophysique

L'INTERFÉROMÉTRIE RADAR SATELLITAIRE : QUEL EST SON POTENTIEL D'UTILISATION ? - <p>Configuration d’une acquisition SAR.</p>
05/11/2020

L'INTERFÉROMÉTRIE RADAR SATELLITAIRE : QUEL EST SON POTENTIEL D'UTILISATION ?


Carte des vitesses de déplacementmesurées par InSAR à Paris.

Technique permettant de mesurer les déformations de surface depuis l’espace, l’interférométrie radar satellitaire se démocratise au sein de nos chantiers. Détails des différentes applications possibles grâce aux récentes avancées technologiques.

Les radars à synthèse d’ouverture, aussi connus sous l’acronyme anglais SAR pour Synthetic Aperture Radar, sont utilisés en télédétection pour la mesure de déplacement ou la détection de
changement à partir de l’information provenant d’un signal radar rétrodiffusé.
L’un des avantages de l’imagerie SAR par rapport à l’imagerie optique vient de l’utilisation de capteurs actifs. Grâce à ces capteurs, un satellite radar éclaire lui-même les objets au sol avec sa visée latérale, ce qui lui permet d’être utilisé de jour comme de nuit. Autre avantage, la longueur d’onde du signal radar utilisée (généralement entre 2 et 30 cm) permet d’imager les objets au sol sans que le signal ne soit affecté par la présence d’une couverture nuageuse.
Les satellites SAR peuvent ainsi imager la quasi-totalité du globe, en toute condition.

 

PARTICULARITÉS DES RADARS À SYNTHÈSE D’OUVERTURE


L’une des utilisations courantes des ondes radar est celle du géoradar ou GPR pour Ground Penetrating Radar, outil de prospection géophysique du sous-sol utilisé notamment pour la détection de canalisations ou de cavités.
Cependant, ce type de radar est à différencier de ceux utilisés en imagerie SAR. La résolution azimutale (direction du déplacement du capteur) d’un radar dit à ouverture réelle, tel que le GPR, est liée à la largeur du faisceau transmis. Or cette largeur de faisceau est proportionnelle à la distance radar-objet et au rapport de la longueur d’onde/dimension de l’antenne. Dans le cas d’un satellite
SAR, la distance radar-cible dépassant les 500 km, il faudrait soit une longueur d’onde très petite, soit une antenne très grande (plusieurs dizaines de mètres) pour obtenir une résolution azimutale métrique. Cependant, l’utilisation de longueurs d’onde de plusieurs centimètres permet aux capteurs SAR de ne pas être sensibles à la couverture nuageuse, tout en restant sensibles aux petits déplacements (centimétriques à millimétriques). De plus, l’installation d’une très grande antenne ne peut être envisageable sur un satellite. Une alternative est donc nécessaire si l’on souhaite disposer d’un radar satellitaire avec une résolution azimutale exploitable.
Cette alternative est apportée par la synthèse d’ouverture, permettant d’obtenir des images en haute
résolution (métrique pour les radars satellitaires) avec une taille d’antenne relativement réduite, en exploitant le déplacement de celle-ci afin de simuler les effets d’une plus grande antenne.


PRINCIPES DE BASE


Suite au survol d’une zone par le satellite, l’image radar obtenue fournit pour chaque pixel deux informations, l’amplitude et la phase. L’amplitude caractérise la réflectivité de la surface imagée,
et la phase caractérise l’état vibratoire de l’onde à son retour au capteur, état qui dépend en partie du temps de trajet aller-retour de l’onde. Lorsqu’une cible est observée à deux reprises, sur un intervalle de temps réduit, il est possible, sous certaines conditions, de déterminer un éventuel déplacement
relatif de celle-ci en faisant la différence de phase des images acquises dans la même configuration. On parle alors d’interférométrie SAR ou InSAR.

 

INNOVATIONS


Avec leur large couverture spatiale, les images radar sont de plus en plus utilisées pour l’observation de la Terre, en particulier pour la mesure de déformation, avec une part grandissante dans le génie civil. L’imagerie SAR n’est d’ailleurs pas récente puisque le premier satellite SAR (ERS-1) a été envoyé en 1991. Alors, comment expliquer le développement actuel de l’InSAR ?
Tout d’abord grâce à l’amélioration de la résolution des images radar, marquée par l’arrivée des satellites de 2e génération (TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed) dès 2007 et le passage d’une résolution
décamétrique à métrique. Une autre étape a été franchie avec les satellites de 3e génération, dès 2014, et leurs stratégies d’acquisition devenues systématiques sur l’ensemble du globe (Sentinel-1), ou avec la possibilité de programmer des acquisitions sur un secteur particulier, le tout avec un temps de revisite réduit (de 1 jour à 12 jours).
La démocratisation de l’InSAR s’explique également par le développement au cours des 15 dernières années de nouvelles méthodes de traitement des images radar qui ont permis d’atteindre
une précision proche du millimètre/an dans l’estimation des vitesses de déformation.
Ce développement est à mettre en relation avec l’amélioration des performances de calculs et de stockage, ouvrant ainsi la porte à des applications opérationnelles. Ainsi, ces méthodes dites multitemporelles permettent de réaliser des mesures de déformation à partir de plusieurs dizaines d’images radar afin de quantifier l’évolution temporelle de certaines cibles au sol et de mettre en évidence des déplacements éventuels du terrain, du bâti ou des ouvrages d’art.

 

APPLICATIONS DANS LE GÉNIE CIVIL


La technique d’interférométrie radar satellitaire peut être appliquée dans de nombreuses situations dans le domaine des TP, notamment grâce à la répétitivité des mesures, la capacité à être utilisée
indépendamment de la météo, de jour comme de nuit, la possibilité de suivre une zone géographique étendue et de remonter plusieurs années en arrière, grâce aux archives de données, offrant
l’opportunité d’établir un historique complet des déformations et d’analyser des évènements particuliers (fontis, éboulements, glissements de terrain…). Il existe actuellement une dizaine de satellites avec des capteurs SAR opérationnels permettant de couvrir la quasi-totalité du globe et constituant des archives de plus en plus fournies. Des suivis de déformation très précis en zones urbaines sont aujourd’hui possibles en appliquant des méthodes basées sur la sélection des
points communs à toutes les images, et dont le signal radar est renvoyé au satellite de façon claire et constante. Ces méthodes permettent de suivre l’évolution au sol d’objets correspondant
généralement à des structures artificielles (bâti) et d’estimer les éventuels déplacements au fur et à mesure qu’ils se produisent. D’autres méthodes permettent également de réaliser des suivis en
milieux naturels, et notamment en zones montagneuses, où les auscultations plus traditionnelles peuvent être compliquées à mettre en place (secteurs difficiles d’accès).
Ces approches sont basées principalement sur l’exploitation d’intervalles de temps réduit entre deux acquisitions d’un couple d’images, dans le but de limiter l’impact des changements de surface rencontrés dans ces milieux naturels (végétation, érosion, neige, etc.). Grâce à l’ensemble des méthodes et aux différentes données accessibles, le potentiel d’utilisation de l’InSAR s’avère très intéressant pour le génie civil.


PHASE DE CONCEPTION


L’InSAR représente un outil d’aide à la décision lors de la phase de conception avec une analyse des mouvements du sol dans le passé en utilisant les archives d’images satellitaires (possibilité de
remonter jusqu’au début des années 1990). Cette étude historique permet d’identifier les zones instables et d’optimiser la sélection du site de construction. Cette méthode a été utilisée pour le projet d’aménagement de l’îlot Charles-III à Monaco, où le GIE Aurigami a réalisé une cartographie des déplacements historiques entre 2014 et 2020.


PHASE DE CONSTRUCTION


La sensibilité de l’InSAR aux déplacements centimétriques à millimétriques, lors de suivis réguliers par ajouts successifs de nouvelles acquisitions, représente un grand intérêt pour les entreprises en charge des travaux de génie civil ou pour le maître d’oeuvre. Alors que l’auscultation topographique traditionnelle permet de mettre en place un système d’alerte (fréquence de mesure élevée), l’auscultation satellitaire permet d’avoir un contrôle plus global des effets des travaux, avec la possibilité de réaliser un suivi à l’échelle d’un quartier, voire d’une agglomération. Cette
complémentarité spatiale et temporelle entre les deux types d’auscultations a été mise en évidence sur le chantier de l’entonnement ouest HSL (Éole), où une comparaison a été réalisée entre mesures satellitaires (GIE Aurigami) et l’auscultation topographique (société Mire SAS). L’étude a montré une très forte corrélation entre les mesures satellitaires et les mesures sur prismes. Elle a notamment mise en évidence une différence moyenne de vitesse de déplacement inférieure à 0,6 mm/an (dans la
ligne de visée du satellite) lors de la réalisation des travaux préparatoires et lors de la première phase de rabattement de nappe. Ces résultats confirment ainsi la capacité de l’InSAR à suivre de façon
précise et régulière des déplacements millimétriques. En phase de travaux, l’InSAR peut également être utilisée pour vérifier la stabilité en périphérie d’un chantier, stabilité nécessaire aux points de référence des stations totales. Cela a été réalisé notamment pour un chantier de la ligne 11 (Grand Paris) pour la société Mire SAS, autre exemple de complémentarité entre l’auscultation satellitaire et l’auscultation terrestre.

 

PHASE DE STABILISATION


Pour de nombreux projets, l’auscultation topographique doit être maintenue jusqu’à la livraison de l’ouvrage. Or cette phase de stabilisation correspond généralement à une période d’évolution
relativement lente pour laquelle la fréquence de mesure peut être réduite.
Dans ce contexte, l’auscultation satellitaire peut remplacer l’auscultation terrestre et fournir des analyses régulières jusqu’à la stabilisation complète.
Cela permet d’éviter de maintenir les dispositifs d’auscultation terrestre sur le chantier et de réduire les coûts liés à leur maintenance. Un suivi comparable est actuellement réalisé sur le projet TER Dakar-AIBD au Sénégal. Cela se traduit par la réalisation d’une étude trimestrielle depuis 2018 afin d’identifier les éventuelles zones de déformation (problématiques d’argiles gonflantes).

 

PHASE D’EXPLOITATION


L’InSAR est un outil avec un fort potentiel en phase d’exploitation, principalement lié au fait que cette technique ne nécessite pas d’intervenir sur le terrain, que l’on peut avoir une continuité avec les mesures faites en phase de stabilisation et qu’il est possible de réaliser à tout moment une étude historique des déplacements à partir des archives. Cette solution s’avère particulièrement intéressante
pour le suivi du réseau routier, des ponts et des voies ferrées, afin d’identifier les déformations du milieu environnant ou de l’ouvrage et de permettre la prise de mesures préventives pour limiter les coûts de réhabilitation. Un tel suivi a par ailleurs été réalisé par Aurigami GIE sur un secteur de l’autoroute de la Maurienne, au niveau de Modane, où les résultats ont pu être corroborés par l’instrumentation terrestre.
L’interférométrie radar satellitaire a connu un important développement au cours des 15 dernières années, tant en termes de méthodologie que des données. La possibilité de mesurer des déplacements faibles et lents, à grande échelle, fait de l’InSAR un outil très pertinent pour l’auscultation topographique. Là où une technique récente telle que la photogrammétrie par drone permet d’atteindre une précision de quelques centimètres, ce qui tend à restreindre son utilisation, l’InSAR peut être envisagée lors de l’ensemble des phases d’un projet du génie civil, de la conception à l’exploitation, en passant par la phase de construction.
Ainsi, l’InSAR représente un outil complémentaire à l’auscultation topographique traditionnelle, et se distingue par sa capacité unique à réaliser des rétro-analyses à partir des données archivées.

 

Matthias Jauvin
Direction technique,
Aurigami GIE


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