Contribution à l'étude de la dynamique des glaciers rocheux dans les Alpes françaises par interférométrie radar différentielle (D-InSAR)

par Thomas Echelard

Thèse de doctorat en Géographie

Sous la direction de Philippe Schoeneich et de Michel Gay.

Soutenue le 04-04-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Images Parole Signal Automatique (laboratoire) et de Politiques publiques, ACtion politique, TErritoires (laboratoire) .

Le président du jury était Charles Le Coeur.

Le jury était composé de Xavier Bodin.

Les rapporteurs étaient Reynald Delaloye, Viktor Kaufmann.


  • Résumé

    Les glaciers rocheux sont l'une des expressions visibles du pergélisol de montagne et sont à ce titre l'objet d'études nombreuses et variées depuis plus de 20 ans. Deux principaux thèmes sont actuellement étudiés par la communauté scientifique : i) mieux appréhender les mouvements qui affectent les glaciers rocheux ainsi que les mécanismes qui les régissent et évaluer l'impact des changements atmosphériques globaux sur ces formes périglaciaires. Dans ces travaux de thèse nous proposons de contribuer au premier de ces deux thèmes de recherche en utilisant un des outils offerts par la télédétection, déjà utilisé dans d'autres pays pour l'étude des glaciers rocheux : l'interférométrie radar différentielle (D-InSAR). L'interférométrie radar différentielle (D-InSAR) est une méthode basée sur la mesure de la différence de phase entre deux images radar qui couvrent la même zone à différents intervalles de temps et depuis des orbites quasi-similaires. Déjà été utilisée dans d'autres domaines, notamment en glaciologie, volcanologie et sismologie, cette technique crée des interférogrammes, cartes de la déformation du sol en deux dimensions dans la ligne de visée du satellite, qui permettent de détecter et de quantifier un déplacement de quelques centimètres survenu au sol entre deux acquisitions radar. Des recherches en Suisse ont également montré que cette technique pouvait être utilisée pour semi-quantifier les mouvements de glaciers rocheux sur de vastes secteurs et parfois les quantifier (sous réserve de respecter certains critères lors de la création et l'analyse des interférogrammes). Dans ce travail de thèse, nous avons acquis des images radar provenant des satellites ERS (datant de 1991 à 1995) et TerraSAR-X (datant de l'été 2012) grâce à l'ESA (agence spatiale européenne) et au DLR (Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt, agence spatiale Allemande) dans le but de créer et d'analyser des interférogrammes dans le secteur des Alpes françaises. Nous nous intéressons principalement à la détection des glaciers rocheux. Les archives des satellites ERS-1 et 2 nous ont permis de travailler à l'échelle de l'ensemble des Alpes françaises avec une résolution moyenne (25m en géométrie sol). Les données provenant de TerraSAR-X (TSX) ont permis des analyses plus fines grâce à une meilleure résolution en géométrie sol (10m). Cependant le secteur d'études s'est restreint à la Haute Maurienne/Haute Tarentaise à cause du coût des données et du temps nécessaire à la création et à l'analyse des interférogrammes. Pour les données ERS, nous avons pris en compte l'ensemble des images disponibles au-dessus des Alpes françaises et choisi celles adaptées pour notre étude. Finalement 9 interférogrammes ont été créés. Pour analyser ces données deux méthodes ont été employées : i) une analyse visuelle par des géomorphologues dans un SIG (aidée par des ortho-images et des données topographiques) ; ii) une évaluation de la pertinence des résultats par l'intermédiaire d'une comparaison entre les résultats D-InSAR et des inventaires de glaciers rocheux existants. Finalement une carte de l'ensemble des glaciers rocheux détectés dans les Alpes françaises a été produite. Les données TSX ont été analysées sensiblement de la même manière. Enfin, une troisième étude s'est concentrée sur le cas peu commun du glacier rocheux « déstabilisé » de Pierre Brune (mouvements > 2m/an). Une reconstitution historique des déplacements a été réalisée à partir d'images optiques d'archive et des données GPS ont été acquises durant l'été 2012 et comparées aux données obtenues par D-InSAR. En nous basant sur ces études aux résolutions d'image et aux échelles spatiales variées, nous proposons une discussion sur la pertinence de l'utilisation de la méthode D-InSAR pour du « monitoring » à moyen et long termes des glaciers rocheux mais également sur les atouts et inconvénients de la méthode.

  • Titre traduit

    Detection and quantification of movements by remote sensing (InSAR)in permafrost area.


  • Résumé

    Rockglaciers are one the visual expressions of mountain permafrost and have been the focus of numerous and various studies in the last two decades. Two main topics are studied by the scientific community: i) better understanding the movements of active rockglaciers and the phenomena that generate those movements; ii) assessing impact of global atmospheric change on these periglacial shapes. Here we propose to contribute to the first topic by using remote sensing method of displacement measurements already used in other countries for rockglaciers studies: Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (D-InSAR). D-InSAR is a method of measurement based on the phase difference between two radar images, which represent the same area but at different time intervals. The technique generates interferograms, maps of surface deformation in two-dimensions allowing for the detection and quantification (in centimeters) of variations in distance between the target and the radar between two different data acquisitions. Recent research has shown that the InSAR technique can be used to semi-quantify rockglacier deformation (under the assumption that certain conditions are respected with regard to generating and interpreting the interferograms). In the present thesis, ERS radar images (dating from 1991 to 1995) and TerraSAR-X data (dating from summer 2012) were obtained in courtesy of ESA (European Space Agency) and DLR (Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, German Space Agency) with the aim of generating interferograms. We are interested by the detection of rockglacier movements. The ERS archives allowed us to work at French Alps scale with moderate resolution (25m in ground geometry) whereas TerraSAR-X data have better ground resolution (10m) but our analysis are more local (Haute Maurienne/Haute Tarentaise) due to the cost of the data and the time-consuming nature of the analyzes. With ERS, we selected all archives data and chose the more relevant of them. Finally 9 interferograms were generated. To analyse this amount of data two methods were employed: i) a GIS analysis of interferograms by geomorphologists (helped by ortho-images and topographic data), ii) a comparison between interferograms and existing rockglaciers shape inventory to evaluate the quality of the radar detections. At the end of the analysis a map of the French Alps with all detected rockglacier movements was produced. With TerraSAR-X data, the method of analysis was almost the same. Analyzes focused on the Haute Maurienne/Haute Tarentaise massif. A third scale of analysis is focus on Pierre Brune rockglacier which has been detected on ERS interferograms as destabilized rockglaciers (movement > 2 m/year). Further investigations have been carried out on this site (historical movements reconstitution and GPS acquisitions). Based on these studies with different scales and resolutions, we proposed a discussion about suitability of D-InSAR measurements method for long term rockglaciers monitoring as well as drawbacks and benefits of the method.


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