Monitoring critical infrastructure exposed to anthropogenic and natural hazards using satellite radar interferometry

Abstract

[EN] Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) is a remote sensing technique very effective for the measure of smalldisplacements of the Earth’s surface over large areas at a very low cost as compared with conventional geodetictechniques. Advanced InSAR time series algorithms for monitoring and investigating surface displacement on Earth arebased on conventional radar interferometry. These techniques allow us to measure deformation with uncertainties of 1mm/year, interpreting time series of interferometric phases at coherent point scatterers (PS) without the need for humanor special equipment presence on the site. By applying InSAR processing techniques to a series of radar images over thesame region, it is possible to detect line-of-sight (LOS) displacements of infrastructures on the ground and therefore identifyabnormal or excessive movement indicating potential problems requiring detailed ground investigation. A major advantageof this technology is that a single radar image can cover a major area of up to 100 km by 100 km or more as, for example,Sentinel-1 C-band satellites data cover a 250 km wide swath. Therefore, all engineering infrastructures in the area, suchas dams, dikes, bridges, ports, etc. subject to terrain deformation by volcanos, landslides, subsidence due to groundwater,gas, or oil withdrawal could be monitored, reducing operating costs effectively. In this sense, the free and open accessCopernicus Sentinel-1 data with currently up to 6-days revisit time open new opportunities for a near real-time landmonitoring. In addition, the new generation of high-resolution radar imagery acquired by SAR sensors such as TerraSARX,COSMO-SkyMed, and PAZ, and the development of multi-interferogram techniques has enhanced our capabilities inrecent years in using InSAR as deformation monitoring tool. In this paper, we address the applicability of using spaceborneSAR sensors for monitoring infrastructures in geomatics engineering and present several cases studies carried out by ourgroup related to anthropogenic and natural hazards, as well as monitoring of critical infrastructures.

[ES] La interferometría radar de apertura sintética (InSAR) es una técnica de teledetección muy eficaz para medir pequeños desplazamientos de la superficie terrestre en grandes áreas a un coste muy pequeño en comparación con las técnicas geodésicas convencionales. Los algoritmos avanzados de series temporales InSAR para monitorizar e investigar el desplazamiento de la superficie terrestre se basan en la interferometría radar convencional. Estas técnicas nos permiten medir la deformación con incertidumbres de un milímetro por año, interpretando series temporales de fases interferométricas en retrodispersores puntuales coherentes (PS) sin necesidad de presencia humana o de equipos especiales en el sitio. Al aplicar técnicas de procesamiento InSAR a una serie de imágenes radar de la misma región, es posible detectar desplazamientos de infraestructuras proyectados en la línea de vista del satélite (line-of-sight o LOS) y, por lo tanto, identificar movimientos anormales o excesivos que indiquen problemas potenciales que requieran una investigación detallada del terreno. Una de las principales ventajas de esta tecnología es que una sola imagen radar puede cubrir un área importante de hasta 100 km por 100 km o más, ya que, por ejemplo, los datos de los satélites de banda C Sentinel-1 cubren una franja de 250 km de ancho. Por lo tanto, todas las infraestructuras civiles de la zona, como presas, diques, puentes, puertos, etc., sujetas a deformaciones del terreno por actividad volcánica, deslizamientos de tierra, hundimientos por extracción de agua subterránea, gas o petróleo, podrían ser monitorizados, reduciendo los costes operativos de manera efectiva. En este sentido, los datos Sentinel-1 de Copernicus, de acceso abierto, con hasta 6 días de tiempo de revisión actual abren nuevas oportunidades para una monitorización terrestre casi en tiempo real. Además, la nueva generación de imágenes radar de alta resolución adquiridas por sensores SAR como TerraSAR-X, COSMOSkyMed y PAZ, y el desarrollo de técnicas multi-interferograma ha mejorado nuestras capacidades en los últimos años en el uso del InSAR como herramienta para el control de deformaciones. En este trabajo se aborda la aplicabilidad del uso de sensores SAR espaciales para la monitorización de infraestructuras civiles en ingeniería geomática y presentamos varios casos de estudio realizados por nuestro grupo relacionados con riesgos naturales y antrópicos, así como de monitorización de infraestructura crítica.