Application of differential synthetic aperture radar interferometry (DINSAR) to the monitoring of ground and structure movements

García Sánchez, Adrián Jesús (2019). Application of differential synthetic aperture radar interferometry (DINSAR) to the monitoring of ground and structure movements. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.55682.

Description

Title: Application of differential synthetic aperture radar interferometry (DINSAR) to the monitoring of ground and structure movements
Author/s:
  • García Sánchez, Adrián Jesús
Contributor/s:
  • Marchamalo Sacristán, Miguel
  • González Rodrigo, Beatriz
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería y Morfología del Terreno
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Durante las últimas décadas, la teledetección basada en radar de apertura sintética (SAR) se ha desarrollado y optimizado en el mundo académico con la implementación de algoritmos y metodologías que permiten el aprovechamiento de la información satelital en numerosas aplicaciones. Sin embargo, en muchas de estas aplicaciones, la transición del mundo académico al mundo profesional y operacional aún no se ha producido. La falta de una normalización de las prestaciones y limitaciones de la tecnología SAR ha limitado su completa aplicación comercial en la monitorización de construcciones civiles. El objetivo de esta tesis es arrojar luz sobre este problema. Este trabajo propone una innovadora metodología para aprovechar el archivo de 25 años de datos radar de distintos sensores para desarrollar mapas de deformación histórica. El desarrollo de esta metodología proporciona la posibilidad de llevar a cabo un análisis comparativo de las características de los distintos algoritmos y sensores. Esta información tiene el objetivo de proporcionar criterios de selección de la mejor combinación sensor-algoritmo a un usuario. Asimismo, se ha llevado a cabo un profundo trabajo de validación de la aplicabilidad de la interferometría de puntos persistentes (PSI) satelital al control de trabajos de soterramiento y tunelación. Los trabajos de construcción de la M-30, que supusieron el soterramiento de 50 km de carreteras, son el escenario empleado para la validación. Las deformaciones estimadas mediante PSI son comparadas contra las deformaciones medidas por los instrumentos usados durante el periodo de construcción. La validación demuestra que prestaciones milimétricas pueden obtenerse con los últimos algoritmos basados en PSI. Por otro lado, las limitaciones de la técnica como la latencia con la que las estimaciones son actualizadas y la disponibilidad de estimaciones precisas en áreas decorreladas son detalladas. Como resultado del análisis, se propone una solución de monitorización óptima basada en la integración de la tecnología SAR satelital y un número reducido de instrumentos en tierra para cubrir la monitorización de los elementos que requieren una gran frecuencia de control. Se ha analizado la aplicabilidad de la técnica PSI al escenario urbano más complejo, el centro histórico de una ciudad. Estas zonas se caracterizan por tener una mayor decorrelación que otras áreas urbanas debido a la peculiaridad de sus tejados y fachadas y de la aglomeración de personas en las calles que impide obtener puntos coherentes en las zonas de paso. Se han analizado los trabajos de construcción del túnel ferroviario que une Chamartín y Atocha y la ampliación de los andenes de la parada de metro de Sol. Las limitaciones de disponibilidad de la técnica se muestran claramente en el hecho de que algunos edificios no muestran puntos coherentes. No obstante, se demuestra que la técnica PSI puede complementar la instrumentación convencional proporcionando datos de deformación sobre grandes áreas. Por último, el escenario del centro histórico de Madrid se ha empleado para la definición y validación de unos índices de clasificación que permiten una interpretación objetiva de la técnica PSI y reducen la dependencia de los resultados de las características del algoritmo y sensor empleados en el procesado. ----------ABSTRACT---------- During the last decades, satellite-based Synthetic Aperture Radar (SAR) technology has been fully developed in the academic world with the implementation of the algorithms and methodologies that allow the exploitation of satellite-based radar information. However, in some applications, such as the monitoring of ground civil structures, the transition between the academic and the professional work is far from being complete. The lack of a clear standardization of the potential and limits of the technique along with the limited amount of ground truth data from actual constructions work have slowed down the common operational use of satellite-based SAR sensors in the monitoring of construction works. This thesis aims at shedding light to this matter. An innovative approach is proposed to exploit the long data archives with data from more than 25 years from different sensors generating historical deformation maps. This scenario also provides the opportunity of carrying out a benchmarking analysis pointing out the characteristics of the main frequency bands and the outcomes of different algorithms. This can provide an end user with valuable information to select the best combination of sensor and processing algorithm. A concise validation effort of the application of satellite-based Persistent Scatterer Interferometry (PSI) to the monitoring of tunneling works is carried out. The construction works of the M-30, which implied the underground of up to 50 km of roads, represent the validation scenario. The estimated PSI deformations have been compared against the data from actual instruments used during the construction period. This validation work proves that high accuracies of a few millimeters can be achieved with the state of the art PSI algorithms. In addition, the limitations of the technique, such as the latency of the estimations update, and the limited availability of coherence points in decorrelated areas are detailed. As a result of this analysis, an optimal monitoring process is proposed based on the integration of satellite-based and a reduced amount of on-ground instruments for the assets that require high frequent estimation updates. The applicability of the PSI technique to the most challenging urban scenario, a city center, is assessed. These areas have higher decorrelation statistics than other urban areas due to the characteristics of the facades and rooftops and the crowded streets that prevent from obtaining coherent points in transit areas. The tunneling works of the railway between Atocha and Chamart´ın and the enlargement of the waiting areas of the Sol metro stations are the scenarios used. The availability limitations of the technique are clearly seen in this scenario since some of the building affected by the construction works are not covered by coherent points. Nevertheless, it has been shown that PSI can complement conventional instruments providing deformation estimations over large areas. Finally, the city center scenario is also used for the definition and validation of a set of classification indexes that allow an objective interpretation of the PSI results and reduce the dependency of the results on the algorithm and sensor used in the processing.

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Item ID: 55682
DC Identifier: http://oa.upm.es/55682/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:55682
DOI: 10.20868/UPM.thesis.55682
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 05 Sep 2019 06:52
Last Modified: 05 Mar 2020 23:30
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