Application of Dual-Polarimetry SAR Images in Multitemporal InSAR Processing

Multitemporal polarimetric synthetic aperture radar (SAR) data can be used to estimate the dominant scattering mechanism of targets in a stack of SAR data and to improve the performance of SAR interferometric methods for deformation studies. In this letter, we developed a polarimetric form of amplitude difference dispersion (ADD) criterion for time-series analysis of pixels in which interferometric noise shows negligible decorrelation in time and space in small baseline algorithm. The polarimetric form of ADD is then optimized in order to find the optimum scattering mechanism of the pixels, which in turn is used to produce new interferograms with better quality than single-pol SAR interferograms. The selected candidates are then combined with temporal coherency criterion for final phase stability analysis in full-resolution interferograms. Our experimental results derived from a data set of 17 dual polarizations X-band SAR images (HH/VV) acquired by TerraSAR-X shows that using optimum scattering mechanism in the small baseline method improves the number of pixel candidates for deformation analysis by about 2.5 times in comparison with the results obtained from single-channel SAR data. The number of final pixels increases by about 1.5 times in comparison with HH and VV in small baseline analysis. Comparison between persistent scatterer (PS) and small baseline methods shows that with regards to the number of pixels with optimum scattering mechanism, the small baseline algorithm detects 10% more pixels than PS in agricultural regions. In urban regions, however, the PS method identifies nearly 8% more coherent pixels than small baseline approach

Advanced pixel selection and optimization algorithms for Persistent Scatterer Interferometry (PSI)

Tesi amb diferents seccions retallades per dret de l'editorPremi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICGround deformation measurements can provide valuable information for minimization of associated loss and damage caused by natural and environmental hazards. As a kind of remote sensing technique, Persistent Scatterer Interferometry (PSI) SAR is able to measure ground deformation with high spatial resolution, efficiently. Moreover, the ground deformation monitoring accuracy of PSI techniques can reach up to millimeter level. However, low coherence could hinderthe exploitation of SAR data, and high-accuracy deformation monitoring can only be achieved by PSI for high quality pixels. Therefore, pixel optimization and identification of coherent pixels are crucial for PSI techniques. In this thesis, advanced pixel selection and optimization algorithms have been investigated. Firstly, a full-resolution pixel selection method based on the Temporal Phase Coherence (TPC) has been proposed. This method first estimates noise phase term of each pixel at interferogram level. Then, for each pixel, its noise phase terms of all interferograms are used to assess this pixel’s temporal phase quality (i.e., TPC). In the next, based on the relationship between TPC and phase Standard Deviation (STD), a threshold can be posed on TPC to identify high phase quality pixels. This pixel selection method can work with both Deterministic Scatterers (PSs) and Distributed Scatterers (DSs). To valid the effectiveness of the developed method, it has been used to monitor the Canillo (Andorra) landslide. The results show that the TPC method can obtained highest density of valid pixels among the employed three approaches in this challenging area with X-band SAR data. Second, to balance the polarimetric DInSAR phase optimization effect and the computation cost, a new PolPSI algorithm is developed. This proposed PolPSI algorithm is based on the Coherency Matrix Decomposition result to determine the optimal scattering mechanism of each pixel, thus it is named as CMD-PolPSI. CMDPolPSI need not to search for solution within the full space of solution, it is therefore much computationally faster than the classical Equal Scattering Mechanism (ESM) method, but with lower optimization performance. On the other hand, its optimization performance outperforms the less computational costly BEST method. Third, an adaptive algorithm SMF-POLOPT has been proposed to adaptive filtering and optimizing PolSAR pixels for PolPSI applications. This proposed algorithm is based on PolSAR classification results to firstly identify Polarimetric Homogeneous Pixels (PHPs) for each pixel, and at the same time classify PS and DS pixels. After that, DS pixels are filtered by their associated PHPs, and then optimized based on the coherence stability phase quality metric; PS pixels are unfiltered and directly optimized based on the DA phase quality metric. SMF-POLOPT can simultaneously reduce speckle noise and retain structures’ details. Meanwhile, SMF-POLOPT is able to obtain much higher density of valid pixels for deformation monitoring than the ESM method. To conclude, one pixel selection method has been developed and tested, two PolPSI algorithms have been proposed in this thesis. This work make contributions to the research of “Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer InterferometryLes mesures de deformació del sòl poden proporcionar informació valuosa per minimitzar les pèrdues i els danys associats causats pels riscos naturals i ambientals. Com a tècnica de teledetecció, la interferometria de dispersors persistents (Persistent Scatter Interferometry, PSI) SAR és capaç de mesurar de forma eficient la deformació del terreny amb una alta resolució espacial. A més, la precisió de monitorització de la deformació del sòl de les tècniques PSI pot arribar a arribar a nivells del mil·límetre. No obstant això, una baixa coherència pot dificultar l’explotació de dades SAR i el control de deformació d’alta precisió només es pot aconseguir mitjançant PSI per a píxels d’alta qualitat. Per tant, l’optimització de píxels i la identificació de píxels coherents són crucials en les tècniques PSI. En aquesta tesi s¿han investigat algorismes avançats de selecció i optimització de píxels. En primer lloc, s'ha proposat un mètode de selecció de píxels de resolució completa basat en la coherència temporal de fase (Temporal Phase Coherence, TPC). Aquest mètode estima per primera vegada el terme de fase de soroll de cada píxel a nivell d’interferograma. A continuació, per a cada píxel, s'utilitzen els termes de la fase de soroll de tots els interferogrames per avaluar la qualitat de fase temporal d'aquest píxel (és a dir, TPC). A la següent, basant-se en la relació entre el TPC i la desviació estàndard de fase (STD), es pot plantejar un llindar de TPC per identificar píxels de qualitat de fase alta. Aquest mètode de selecció de píxels es capaç de detectar tant els dispersors deterministes (PS) com els distribuïts (DS). Per validar l’eficàcia del mètode desenvolupat, s’ha utilitzat per controlar l’esllavissada de Canillo (Andorra). Els resultats mostren que el mètode TPC pot obtenir la major densitat de píxels vàlids, comparat amb els mètodes clàssics de selecció, en aquesta àrea difícil amb dades de SAR de banda X. En segon lloc, per equilibrar l’efecte d’optimització de fase DInSAR polarimètrica i el cost de càlcul, es desenvolupa un nou algorisme de PolPSI. Aquest algorisme proposat de PolPSI es basa en el resultat de la descomposició de la matriu de coherència per determinar el mecanisme de dispersió òptim de cada píxel, de manera que es denomina CMD-PolPSI. CMDPolPSI no necessita buscar solucions dins de l’espai complet de la solució, per tant, és molt més eficient computacionalment que el mètode clàssic de mecanismes d’igualtat de dispersió (Equal Scattering Mechanism, ESM), però amb un efecte d’optimització no tant òptim. D'altra banda, el seu efecte d'optimització supera el mètode BEST, el que te un menor cost computacional. En tercer lloc, s'ha proposat un algoritme adaptatiu SMF-POLOPT per al filtratge adaptatiu i l'optimització de píxels PolSAR per a aplicacions PolPSI. Aquest algorisme proposat es basa en els resultats de classificació PolSAR per identificar primer els píxels homogenis polarimètrics (PHP) per a cada píxel i, alhora, classificar els píxels PS i DS. Després d'això, els píxels DS es filtren pels seus PHP associats i, a continuació, s'optimitzen en funció de la mètrica de qualitat de la fase d'estabilitat de coherència; els píxels classificats com PS no es filtren i s'optimitzen directament en funció de la mètrica de qualitat de la fase DA. SMF-POLOPT pot reduir simultàniament el soroll de la fase interferomètrica i conservar els detalls de les estructures. Mentrestant, SMF-POLOPT aconsegueix obtenir una densitat molt més alta de píxels vàlids per al seguiment de la deformació que el mètode ESM. Per concloure, en aquesta tesi s’ha desenvolupat i provat un mètode de selecció de píxels, i s’han proposat dos algoritmes PolPSI. Aquest treball contribueix a la recerca en "Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer Interferometry"Postprint (published version

Application of Differential and Polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR) Interferometry for Studying Natural Hazards

In the following work, I address the problem of coherence loss in standard Differential Interferometric SAR (DInSAR) processing, which can result in incomplete or poor quality deformation measurements in some areas. I incorporate polarimetric information with DInSAR in a technique called Polarimetric SAR Interferometry (PolInSAR) in order to acquire more accurate and detailed maps of surface deformation. In Chapter 2, I present a standard DInSAR study of the Ahar double earthquakes (Mw=6.4 and 6.2) which occurred in northwest Iran, August 11, 2012. The DInSAR coseismic deformation map was affected by decorrelation noise. Despite this, I employed an advanced inversion technique, in combination with a Coulomb stress analysis, to find the geometry and the slip distribution on the ruptured fault plane. The analysis shows that the two earthquakes most likely occurred on a single fault, not on conjugate fault planes. This further implies that the minor strike-slip faults play more significant role in accommodating convergence stress accumulation in the northwest part of Iran. Chapter 3 presents results from the application of PolInSAR coherence optimization on quad-pol RADARSAT-2 images. The optimized solution results in the identification of a larger number of reliable measurement points, which otherwise are not recognized by the standard DInSAR technique. I further assess the quality of the optimized interferometric phase, which demonstrates an increased phase quality with respect to those phases recovered by applying standard DInSAR alone. Chapter 4 discusses results from the application of PolInSAR coherence optimization from different geometries to the study of creep on the Hayward fault and landslide motions near Berkeley, CA. The results show that the deformation rates resolved by PolInSAR are in agreement with those of standard DInSAR. I also infer that there is potential motion on a secondary fault, northeast and parallel to the Hayward fault, which may be creeping with a lower velocity

Study of the speckle noise effects over the eigen decomposition of polarimetric SAR data: a review

This paper is focused on considering the effects of speckle noise on the eigen decomposition of the co- herency matrix. Based on a perturbation analysis of the matrix, it is possible to obtain an analytical expression for the mean value of the eigenvalues and the eigenvectors, as well as for the Entropy, the Anisotroopy and the dif- ferent a angles. The analytical expressions are compared against simulated polarimetric SAR data, demonstrating the correctness of the different expressions.Peer ReviewedPostprint (published version

Robust and Flexible Persistent Scatterer Interferometry for Long-Term and Large-Scale Displacement Monitoring

Die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ist eine Methode zur Überwachung von Verschiebungen der Erdoberfläche aus dem Weltraum. Sie basiert auf der Identifizierung und Analyse von stabilen Punktstreuern (sog. Persistent Scatterer, PS) durch die Anwendung von Ansätzen der Zeitreihenanalyse auf Stapel von SAR-Interferogrammen. PS Punkte dominieren die Rückstreuung der Auflösungszellen, in denen sie sich befinden, und werden durch geringfügige Dekorrelation charakterisiert. Verschiebungen solcher PS Punkte können mit einer potenziellen Submillimetergenauigkeit überwacht werden, wenn Störquellen effektiv minimiert werden. Im Laufe der Zeit hat sich die PSI in bestimmten Anwendungen zu einer operationellen Technologie entwickelt. Es gibt jedoch immer noch herausfordernde Anwendungen für die Methode. Physische Veränderungen der Landoberfläche und Änderungen in der Aufnahmegeometrie können dazu führen, dass PS Punkte im Laufe der Zeit erscheinen oder verschwinden. Die Anzahl der kontinuierlich kohärenten PS Punkte nimmt mit zunehmender Länge der Zeitreihen ab, während die Anzahl der TPS Punkte zunimmt, die nur während eines oder mehrerer getrennter Segmente der analysierten Zeitreihe kohärent sind. Daher ist es wünschenswert, die Analyse solcher TPS Punkte in die PSI zu integrieren, um ein flexibles PSI-System zu entwickeln, das in der Lage ist mit dynamischen Veränderungen der Landoberfläche umzugehen und somit ein kontinuierliches Verschiebungsmonitoring ermöglicht. Eine weitere Herausforderung der PSI besteht darin, großflächiges Monitoring in Regionen mit komplexen atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Letztere führen zu hoher Unsicherheit in den Verschiebungszeitreihen bei großen Abständen zur räumlichen Referenz. Diese Arbeit befasst sich mit Modifikationen und Erweiterungen, die auf der Grund lage eines bestehenden PSI-Algorithmus realisiert wurden, um einen robusten und flexiblen PSI-Ansatz zu entwickeln, der mit den oben genannten Herausforderungen umgehen kann. Als erster Hauptbeitrag wird eine Methode präsentiert, die TPS Punkte vollständig in die PSI integriert. In Evaluierungsstudien mit echten SAR Daten wird gezeigt, dass die Integration von TPS Punkten tatsächlich die Bewältigung dynamischer Veränderungen der Landoberfläche ermöglicht und mit zunehmender Zeitreihenlänge zunehmende Relevanz für PSI-basierte Beobachtungsnetzwerke hat. Der zweite Hauptbeitrag ist die Vorstellung einer Methode zur kovarianzbasierten Referenzintegration in großflächige PSI-Anwendungen zur Schätzung von räumlich korreliertem Rauschen. Die Methode basiert auf der Abtastung des Rauschens an Referenzpixeln mit bekannten Verschiebungszeitreihen und anschließender Interpolation auf die restlichen PS Pixel unter Berücksichtigung der räumlichen Statistik des Rauschens. Es wird in einer Simulationsstudie sowie einer Studie mit realen Daten gezeigt, dass die Methode überlegene Leistung im Vergleich zu alternativen Methoden zur Reduktion von räumlich korreliertem Rauschen in Interferogrammen mittels Referenzintegration zeigt. Die entwickelte PSI-Methode wird schließlich zur Untersuchung von Landsenkung im Vietnamesischen Teil des Mekong Deltas eingesetzt, das seit einigen Jahrzehnten von Landsenkung und verschiedenen anderen Umweltproblemen betroffen ist. Die geschätzten Landsenkungsraten zeigen eine hohe Variabilität auf kurzen sowie großen räumlichen Skalen. Die höchsten Senkungsraten von bis zu 6 cm pro Jahr treten hauptsächlich in städtischen Gebieten auf. Es kann gezeigt werden, dass der größte Teil der Landsenkung ihren Ursprung im oberflächennahen Untergrund hat. Die präsentierte Methode zur Reduzierung von räumlich korreliertem Rauschen verbessert die Ergebnisse signifikant, wenn eine angemessene räumliche Verteilung von Referenzgebieten verfügbar ist. In diesem Fall wird das Rauschen effektiv reduziert und unabhängige Ergebnisse von zwei Interferogrammstapeln, die aus unterschiedlichen Orbits aufgenommen wurden, zeigen große Übereinstimmung. Die Integration von TPS Punkten führt für die analysierte Zeitreihe von sechs Jahren zu einer deutlich größeren Anzahl an identifizierten TPS als PS Punkten im gesamten Untersuchungsgebiet und verbessert damit das Beobachtungsnetzwerk erheblich. Ein spezieller Anwendungsfall der TPS Integration wird vorgestellt, der auf der Clusterung von TPS Punkten basiert, die innerhalb der analysierten Zeitreihe erschienen, um neue Konstruktionen systematisch zu identifizieren und ihre anfängliche Bewegungszeitreihen zu analysieren

Orbital differential SAR interferometry with polarimetric data

Space-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) systems have demonstrated great effectiveness to survey wide areas, independently of the weather conditions and the day/night cycle. One of the most exploited applications is Differential SAR Interferometry (DInSAR), and by extension, advanced multi-temporal techniques addressed as Persistent Scatterers Interferometry (PSI). These techniques provide the means to retrieve the displacement on the observed terrain surface. Taking advantage of the high coverage provided by this technology, natural and human induced phenomena may be monitored and detected in order to avoid and prevent hazardous or even catastrophic situations. A good characterization of such events is often related to the density and quality of the information delivered. In many cases, the success in the interpretation of localized surface motion phenomena relies on having as much measurements as possible. Conventional insitu techniques, when used properly, are able to provide reliable measurements. However, they are limited to their localization, and deploy a high number of instruments is not cost effective. The good characterization provided by PSI measurements is limited by the acquisition parameters and the actual scene under monitoring. SAR images sensitivity over the scene depends strongly on the geometric shape and distribution of targets. Historically, satellite SAR sensors had single polarimetric capabilities, so sensitivity over the scene was restricted to a certain antenna configuration. On the contrary, polarimetric acquisitions emit an receive with different antenna configurations, providing sensitivity to different geometries in the scenario. The launch in these later years of several satellites with polarimetric capabilities has triggered its use in several fields of application. The objective of this thesis is to evaluate the use of Polarimetric SAR (PolSAR) data for its application in the PSI framework. The extra information contained in PolSAR datasets is bound to improve the effectiveness of PSI techniques. Obtaining a higher density and quality of motion measurements will ease the detection and interpretation of terrain displacement phenomena.Els Radars d'Obertura Sintètica (SAR) embarcats en satèl·lits han demostrat ser molt efectius per monitoritzar grans àrees, independentment de les condicions atmosfèriques i del cicle dia/nit. L'aplicació més explotada es l'Interferometria Diferencial SAR (DInSAR), i per extensió, les tècniques avançades de processament multi-temporal anomenades Interferometria de Reflectors Persistents (PSI). Aquestes tècniques són capaces de mesurar el desplaçament en superfície del terreny observat. Aprofitant la gran cobertura que s'aconsegueix amb aquesta tecnologia, fenòmens d'origen tant natural com humà poden ser detectats i controlats per evitar i prevenir situacions de perill o fins i tot catastròfiques. La bona caracterització d'aquestes situacions sovint es relaciona tant amb la densitat com en la qualitat de la informació obtinguda. En molts casos, l’èxit en la interpretació de moviments de terreny localitzats depèn de tenir tants punts de mesura com sigui possible. Les tècniques convencionals de mesura in-situ, quan s'usen de forma adequada, són capaces de donar mesures fiables. No obstant, la seva cobertura està limitada a la localització de l'instrument, i la instal·lació d’un gran nombre d'instruments no és una solució econòmica. La bona caracterització de l'àrea mesurada amb tècniques PSI està limitada pels paràmetres d'adquisició i les característiques de la pròpia escena observada. La sensitivitat de les imatges SAR depèn en gran mesura de la distribució i la forma geomètrica dels blancs mesurats. Històricament, els sensors SAR emetien en polarització simple, i per tant la sensitivitat a la escena estava restringida a aquesta configuració específica de la antena. Per altra banda, durant les adquisicions polarimètriques s'emet i es rep en diferents configuracions de l'antena. Això permet tenir sensitivitat a geometries diferents dins la mateixa escena. El llançament aquest últims anys de diferents satèl·lits amb capacitats polarimètriques ha permès el seu ús en diversos camps d'aplicació. L'objectiu d’aquesta tesi és avaluar l'ús de dades polarimètriques SAR (PolSAR) per la seva aplicació en el marc de les tècniques PSI. La informació addicional que contenen els conjunts d’adquisicions PolSAR ha de millorar l'efectivitat de les tècniques PSI. L'obtenció d'una millor densitat i qualitat de les mesures permet una millor detecció i interpretació dels fenòmens de desplaçament superficial del terreny.Postprint (published version

Teledetección. Nuevas plataformas y sensores aplicados a la gestión del agua, la agricultura y el medio ambiente

Este libro recoge las comunicaciones presentadas al XVII Congreso de la Asociación Española de Teledetección (AET), celebrado del 3 al 7 de octubre de 2017 en el auditorio y palacio de congresos de Murcia y organizado por el Grupo de Sistemas de Información Geográfica y Teledetección del Instituto Murciano de Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario (IMIDA),con el soporte de la AET,el Instituto Geográfico Nacional (IGN), las universidades politécnicas de Cartagena y Valencia, la Confederación Hidrográfica del Segura, el ayuntamiento de Murcia,las empresas Gade Eventos y Geodim y la Universidad Católica de San Antonio El lema elegido para el Congreso ha sido "Nuevas plataformas y sensores de teledetección" aplicados a la gestión del agua,la agricultura y el medio ambiente, con la intención de promover el encuentro entre las comunidades académicas, científicas e industriales en el área de la teledetección, destacando las nuevas plataformas de bajo coste y los logros conseguidos en la generación y difusión de productos útiles para la sociedadRuiz Fernández, LÁ.; Estornell Cremades, J.; Erena Arrabal, M. (2017). Teledetección. Nuevas plataformas y sensores aplicados a la gestión del agua, la agricultura y el medio ambiente. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/90688EDITORIA