The STUN algorithm for persistent scatterer interferometry

The Spatio-Temporal Unwrapping Network (STUN) is a new algorithm to estimate displacement and topography at Persistent Scatterer (PS) points using an interferometric single-master data stack. The STUN algorithm provides a robust method to explicitly unwrap the interferometric phase using the temporal and spatial correlations of the observed phase. Moreover, it uses alternative hypothesis tests and the integer Least-Squares estimator to optimally estimate the parameters. Key features are the ability (i) to model the displacement using a linear combination of basefunctions; (ii) to estimate the precision of each SLC image using a novel stochastic model; (iii) to obtain a description of the precision of the estimated displacements. This paper describes the STUN algorithm in detail, and demonstrates its practical application using data from a rural area nearby Marseille, France, which suffers from subsidence due to mining activities

Orbital Effects in Spaceborne Synthetic Aperture Radar Interferometry

This book reviews and investigates orbit-related effects in synthetic aperture Radar interferometry (InSAR). The translation of orbit inaccuracies to error signals in the interferometric phase is concisely described; estimation and correction approaches are discussed and evaluated with special focus on network adjustment of redundantly estimated baseline errors. Moreover, the effect of relative motion of the orbit reference frame is addressed

SAR Tomography via Nonlinear Blind Scatterer Separation

Layover separation has been fundamental to many synthetic aperture radar applications, such as building reconstruction and biomass estimation. Retrieving the scattering profile along the mixed dimension (elevation) is typically solved by inversion of the SAR imaging model, a process known as SAR tomography. This paper proposes a nonlinear blind scatterer separation method to retrieve the phase centers of the layovered scatterers, avoiding the computationally expensive tomographic inversion. We demonstrate that conventional linear separation methods, e.g., principle component analysis (PCA), can only partially separate the scatterers under good conditions. These methods produce systematic phase bias in the retrieved scatterers due to the nonorthogonality of the scatterers' steering vectors, especially when the intensities of the sources are similar or the number of images is low. The proposed method artificially increases the dimensionality of the data using kernel PCA, hence mitigating the aforementioned limitations. In the processing, the proposed method sequentially deflates the covariance matrix using the estimate of the brightest scatterer from kernel PCA. Simulations demonstrate the superior performance of the proposed method over conventional PCA-based methods in various respects. Experiments using TerraSAR-X data show an improvement in height reconstruction accuracy by a factor of one to three, depending on the used number of looks.Comment: This work has been accepted by IEEE TGRS for publicatio

Change detection in SAR time-series based on the coefficient of variation

This paper discusses change detection in SAR time-series. Firstly, several statistical properties of the coefficient of variation highlight its pertinence for change detection. Then several criteria are proposed. The coefficient of variation is suggested to detect any kind of change. Then other criteria based on ratios of coefficients of variations are proposed to detect long events such as construction test sites, or point-event such as vehicles. These detection methods are evaluated first on theoretical statistical simulations to determine the scenarios where they can deliver the best results. Then detection performance is assessed on real data for different types of scenes and sensors (Sentinel-1, UAVSAR). In particular, a quantitative evaluation is performed with a comparison of our solutions with state-of-the-art methods

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

A Method for Selecting SAR Interferometric Pairs Based on Coherence Spectral Clustering

To achieve accurate interferometric synthetic aperture radar (SAR) phase estimation, it is essential to select appropriate high-coherence interferometric pairs from massive SAR single-look complex (SLC) image data. The selection should include as many high-coherence interferometric pairs as possible while avoiding low-coherence pairs. By combining coherence and spectral clustering, a novel selection method for SAR interferometric pairs is proposed in this article. The proposed method can be adopted to classify SAR SLC images into different clusters, where the total coherence of interferometric pairs in the same cluster is maximized while that among different clusters is minimized. This is implemented by averaging the coherence matrices of representative pixels to construct an adjacency matrix and performing eigenvalue decomposition for estimating the number of clusters. The effectiveness of the proposed method is demonstrated using 33 TerraSAR-X and 38 dual-polarization Sentinel-1A data samples, yielding improved topography and deformation monitoring results

InSAR Deformation Analysis with Distributed Scatterers: A Review Complemented by New Advances

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) is a powerful remote sensing technique able to measure deformation of the earth’s surface over large areas. InSAR deformation analysis uses two main categories of backscatter: Persistent Scatterers (PS) and Distributed Scatterers (DS). While PS are characterized by a high signal-to-noise ratio and predominantly occur as single pixels, DS possess a medium or low signal-to-noise ratio and can only be exploited if they form homogeneous groups of pixels that are large enough to allow for statistical analysis. Although DS have been used by InSAR since its beginnings for different purposes, new methods developed during the last decade have advanced the field significantly. Preprocessing of DS with spatio-temporal filtering allows today the use of DS in PS algorithms as if they were PS, thereby enlarging spatial coverage and stabilizing algorithms. This review explores the relations between different lines of research and discusses open questions regarding DS preprocessing for deformation analysis. The review is complemented with an experiment that demonstrates that significantly improved results can be achieved for preprocessed DS during parameter estimation if their statistical properties are used

Subsidence activity maps derived from DInSAR data: Orihuela case study

A new methodology is proposed to produce subsidence activity maps based on the geostatistical analysis of persistent scatterer interferometry (PSI) data. PSI displacement measurements are interpolated based on conditional Sequential Gaussian Simulation (SGS) to calculate multiple equiprobable realizations of subsidence. The result from this process is a series of interpolated subsidence values, with an estimation of the spatial variability and a confidence level on the interpolation. These maps complement the PSI displacement map, improving the identification of wide subsiding areas at a regional scale. At a local scale, they can be used to identify buildings susceptible to suffer subsidence related damages. In order to do so, it is necessary to calculate the maximum differential settlement and the maximum angular distortion for each building of the study area. Based on PSI-derived parameters those buildings in which the serviceability limit state has been exceeded, and where in situ forensic analysis should be made, can be automatically identified. This methodology has been tested in the city of Orihuela (SE Spain) for the study of historical buildings damaged during the last two decades by subsidence due to aquifer overexploitation. The qualitative evaluation of the results from the methodology carried out in buildings where damages have been reported shows a success rate of 100%.The European Space Agency (ESA) Terrafirma project has funded all the SAR data processing with the SPN technique. Additionally, this work has been partially financed by DORIS project (Ground deformation risk scenarios: an advanced assessment service) funded by the EC-GMES-FP7 initiative (grant agreement no. 242212), and the Spanish Geological and Mining Institute (IGME). This work has been also supported by the Spanish Ministry of Science and Research (MICINN) under project TEC2011-28201-C02-02 and EU FEDER