Digital surface model generation over urban areas using high resolution satellite SAR imagery : tomographic techniques and their application to 3-Dchange monitoring

par Martina Porfiri

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Laurent Ferro-Famil et de Mattia Giovanni Crespi.

  • Titre traduit

    Génération des modèles numériques de la surface sur les zones urbaines au moyen des images satellitaires SAR à haute résolution : techniques tomographiques et leur application à la surveillance des changements 3-D


  • Résumé

    L'urbanisation et la gestion de l'environnement urbain et sa périphérie deviennent l'un des problèmes les plus cruciaux dans les pays développés et en développement. Dans ces circonstances, les données de télédétection sont une source importante d'information qui reflète les interactions entre les êtres humains et leur environnement. Compte tenu de leur indépendance totale des contraintes logistiques sur le terrain, l'éclairage (lumière du jour) et météorologiques (nuages) conditions, Synthetic Aperture Radar (SAR) les systèmes de satellites peuvent fournir des contributions importantes dans des environnements complexes de reconstruction 3-D. La nouvelle génération de haute résolution SAR capteurs comme COSMOSkyMed, TerraSAR-X RADARSAT-2 a permis d'acquérir des images SAR à haute résolution. Ici, l'attention est mis sur la technique pour l'imagerie 3-D nominée tomographie SAR: à partir d'une pile d'images ont été recueillies en utilisant les données multibaseline effectuées dans la configuration interférométrique, une telle technique permet d'extraire les informations de hauteur formant une ouverture synthétique dans la direction d'élévation afin d'obtenir une résolution sensiblement améliorée. Cette thèse de doctorat se concentre sur les potentialités élevées de techniques tomographiques en 3-D surveillance des changements et la caractérisation des zones complexes et denses bâties en utilisant des estimateurs mono-dimensionnelle de base comme Beamforming, Capon et MUSIC combinée au satellite très haute résolution des images SAR. 2-D et de l'analyse 3-D ont été présentés sur la zone urbaine de Paris en utilisant les données TerraSAR-X à haute résolution et de polarisation unique. Être porté principalement sur les techniques tomographiques 3-D, dans les méthodes de travail 4-D présentés, tels que le Compressive Sensing, ne sont pas pris en compte. Dans un premier temps, l'analyse de la qualité interférométrique de l'ensemble de données transformées a montré de bonnes valeurs de cohérence moyenne et ont permis de détecter des images considérées comme des valeurs aberrantes. L'extraction des tomographies 2-D sur l'azimut différent de profil a montré la capacité de distinguer plus d'un diffuseur à l'intérieur de la même cellule de résolution et de reconstituer les profilés de construction verticaux. Successivement, une caractérisation 3-D globale en terme de bâtiments hauteurs et réflectivité verticale a été réalisée dans le but de développer un outil de suivi des changements des structures simples. En outre, la possibilité de corriger les distorsions géométriques en raison de l'escale (qui affecte fortement ce genre de scénarios) et de déterminer les informations sur le nombre de diffuseurs (jusqu'à trois) et la réflectivité correspondant à l'intérieur d'une cellule de résolution ont été évalués.


  • Résumé

    The urbanization and the management of urban environment and its periphery become one of the most crucial issues in developed and developing countries. In these circumstances, remote sensing data are an important source of information that reflects interactions between human beings and their environment. Given their complete independence from logistic constraints on the ground, illumination (daylight), and weather (clouds) conditions, Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite systems may provide important contributions in complex environments 3-D reconstruction. The new generation of high resolution SAR sensors as COSMO-SkyMed, TerraSAR-X and RADARSAT-2 allowed to acquire high resolution SAR imagery. Here the attention is put on the 3-D imaging technique called SAR Tomography: starting from a stack of images collected using multibaseline data performed in interferometric configuration, such a technique allows to retrieve height information forming a synthetic aperture in the elevation direction in order to achieve a substantially improved resolution. The present PhD thesis is focused on the high potentialities of tomographic techniques in 3-D change monitoring and characterization for complex and dense built-up areas using basic mono-dimensional estimators as Beamforming, Capon and MUSIC combined to very high satellite SAR resolution imagery. 2-D and 3-D analysis have been presented over the urban area of Paris using TerraSAR-X data at high resolution and single polarisation. Being mainly focused on the 3-D tomographic techniques, in the presented work 4-D methods, such as compressive sensing (CS), have not been taken into account. At first, the analysis of the interferometric quality of the processed data set has been performed and results showed good mean coherence values within the entire stack. The extraction of 2-D tomograms over different azimuth-profile has showed the capabilities to distinguish more than one scatterer within the same resolution cell and to reconstruct the vertical building profiles. Successively, a global 3-D characterization both in term of buildings heights and vertical reflectivity has been performed in order to develop a monitoring tool for the changes of single structures. Moreover, the possibility to correct the geometric distortions due to the layover (that strongly affects such kind of scenarios) and to determine the information about the number of scatterers (up to three) and the corresponding reflectivity within one resolution cell have been evaluated. Moreover an innovative time stability analysis of the observed scene have been carried out in order to detect the stable and unstable scatterers. Globally, the investigations showed noisier and sparser point clouds for the Capon method, whereas better capabilities for the Beamforming and MUSIC ones. Indeed, it was possible to detect different scatterers located within the same resolution cell and to resolve pixels affected by the layover. This has lead to perform a good reconstruction of building shape and location and a good estimation of their elevation. The 3-D time stability analysis demonstrated the possibility to monitor the 3-D change depending on the time. Eventually, it is possible to assert that processing high resolution SAR data allows to achieve a strong improvement in 3-D imaging capabilities. It has been demonstrated the potentialities of TomoSAR technique in distortions correction and in 3-D change monitoring using basic mono-dimensional estimators.


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