Étude de la déformation du volcan El Chichon (Mexique) à l'aide de données radar satellitaires de haute résolution (Cosmo-SkyMed)

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1 Ministère de l Enseignement supérieur et de la recherche Conservatoire national des arts et métiers École supérieure des géomètres et topographes MÉMOIRE DE TRAVAIL DE FIN D ÉTUDES présenté en vue de l obtention du titre d ingénieur diplômé de l ESGT Étude de la déformation du volcan El Chichon (Mexique) à l'aide de données radar satellitaires de haute résolution (Cosmo-SkyMed) ILLUSTRATION Mémoire soutenu par : DROUIN Vincent Membres du jury: Président : Mme Joëlle NICOLAS-DUROY Maître de stage : Mme Virginie PINEL Le 02 Juillet 2012 Professeur référent : Mme Élisabeth SIMONETTO École supérieure des géomètres et topographes 1 boulevard Pythagore Le Mans

2 Résumé Étude de la déformation du volcan El Chichon (Mexique) à l'aide de données radar satellitaires de haute résolution (Cosmo SkyMed). De par leur couverture spatiale et leur capacité à mesurer des zones inaccessibles par les méthodes traditionnelles, les données radar satellitaires sont très prisées pour les études de déformation des régions volcaniques. Parmi les volcans les plus dangereux, les stratovolcans andésitiques font partie des plus difficiles à surveiller par interférométrie radar satellitaire (SAR). Il y a plusieurs raisons à cela. Ce sont des volcans à fortes pentes, ce qui accentue les problèmes des images radar (ombres et repliements). La seconde est que les déformations sont souvent localisées sur une petite zone proche du sommet, ce que la faible résolution spatiale des images acquises avec les premières générations de satellite SAR ne permet pas de détecter. Il y a aussi des problèmes de cohérence dus à la végétation et aux dépôts de cendres. Et enfin il y a des effets atmosphériques importants et en partie corrélés à la topographie comme le signal qui serait induit par le stockage du magma sous le volcan. C'est pour cette raison que l'équipe Géophysique des volcans de l'institut des Sciences de la Terre (ISTerre) s'y est intéressé. Le stratovolcan andésitique "test" est le volcan mexicain El Chichon (17,36 N; 93,23 W; 1150 m). D'avril 2008 à mai 2010, des mesures de distancemétrie ont montré un raccourcissement de l'ordre de quelques centimètres entre le bord et fond du cratère. Une série d'images Cosmo-SkyMed Spotlight sur le volcan El Chichon a été commandée auprès de l'agence Spatiale Italienne. Il s'agit d'une première série de 10 images ascendantes et 10 images descendantes acquises entre septembre 2010 et janvier 2011 et d'une seconde série de 8 images ascendantes et 8 images descendantes acquises entre août et novembre Cosmo-Skymed (CSK) est une constellation de 4 satellites SAR. Cela permet de disposer d'images radar avec un temps de répétition de 1 à 32 jours, ce qui est un gros avantage par rapport aux autres missions SAR. Elle fait partie de la dernière génération de satellites SAR après la fin des missions ERS 1 & 2, Envisat et ALOS. Ces satellites opèrent dans la Bande-X qui permet de mesurer des déplacements de faible amplitude (inférieurs à 1,5 cm). De plus l'utilisation du mode d'acquisition Spotlight offre une haute résolution spatiale aux images (aux alentours du mètre). La haute résolution en bande-x a déjà été utilisée avec succès sur des volcans grâce aux données Terrasar-X [Sigmundsson et al., 2010][Wadge et al., 2010] et Cosmo-Skymed en mode Stripmap [Froger et al., 2011]. Mais à notre connaissance, aucune donnée Cosmo-Skymed acquise en mode spotlight n'avait encore été utilisée sur ce type de volcan. Pour obtenir des images de déformations à partir des images radar, la première étape a été de trouver un logiciel permettant de calculer des interférogrammes. Le choix s'est porté sur ROI_PAC, car même s'il ne supporte pas nativement les images Cosmo-Skymed, c'est un logiciel open-source. À partir de là, en étudiant le code, il a suffit de créer des scripts pour mettre les images radar dans un format lisible par ROI_PAC. 1

3 Résumé L'interférométrie radar satellitaire (InSAR) consiste à utiliser les images de phase de deux images radars pour obtenir un interférogramme. L'information contenue dans ce dernier est influencée la topographie de la zone observée ainsi que par l'écart de date, l'écart de position et les différences de conditions atmosphériques entre les deux acquisitions. Pour faire des mesures de déformations c'est l'écart de date qui est intéressant, il faut donc se débarrasser de l'influence des autres composantes. L'influence de l'écart de position est facilement obtenue et corrigée à partir des orbites des satellites fournies avec les images. L'influence due à la topographie peut être supprimée avec l'utilisation de Modèles Numériques de Terrain (MNT). Les données radar haute résolution ne sont pleinement valorisées que lorsqu'un MNT de résolution spatiale équivalente est disponible et utilisé dans le traitement [Froger et al., 2011]. Pour cela trois MNT différents ont été utilisés : le SRTM (résolution 90 m), l'aster (résolution 30 m) et le SpotDEM (résolution 20 m). Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le SpotDEM mais il était nécessaire de le sous-échantillonner 5 fois et de sur-échantillonner 16 fois l'interférogramme pour obtenir un résultat avec ROI_PAC. Pour cette raison des MNT ont été générés par photogrammétrie à partir d'images Spot 5 noir et blanc (résolution 2,5 m). Ils n'ont toutefois pas pu être testés faute de temps. De même la création d'un MNT par InSAR était possible mais n'a pas pu être mise en application. La minimisation de l'influence des conditions atmosphériques sur l'interférogramme s'est faite en deux parties. Premièrement, la différence de délai atmosphérique induit par le gradient de température, de pression et d'humidité entre les différentes couches de l'atmosphère a été calculé et enlevée à partir de données météo. Deuxièmement, la partie turbulente de l'atmosphère ne pouvant être calculée, son influence a été minimisée mathématiquement par moindre carré à partir de la redondance d'informations de plusieurs interférogrammes indépendants mais similaires. Au final, les interférogrammes obtenus sont sensés ne contenir que l'information qui nous intéresse, celle induite par l'écart de temps entre les acquisitions, à savoir les déformations du terrain. Ces déformations sont représentées sous la forme de déplacements dans la ligne de visée du satellite. On dispose à la fois d'images de déplacement vues depuis l'est du volcan (images descendantes avec visée à droite) et vues depuis l'ouest du volcan (images ascendantes avec visée à droite). En considérant que les lignes de visée des satellites sont dans le même plan (Vertical-Ouest- Est), il est donc possible de calculer les déplacements suivant l'axe vertical et les déplacements suivant l'axe horizontal Ouest-Est. Et, à partir de ces déplacements, il a été possible de vérifier qu'ils n'étaient pas incohérents avec les mesures faites sur le terrain. En conclusion, le travail effectué a permis de tester le potentiel des données Cosmo-Skymed Spotlight avec les différents outils actuellement à disposition. Il est maintenant possible de traiter les données CSK avec ROI_PAC. On dispose de MNT de bonne qualité et il est possible d'en obtenir des meilleurs. Pour les déformations obtenues, il faudrait faire de nouveaux calculs avec plus d'interférogrammes. Il serait alors possible de confirmer ou d'infirmer la cohérence entre les mesures terrain et les mesures radar. Pour cela, il faudrait aussi se procurer les mesures terrain exactes et la position précise de la stations et des cibles. 2

4 Résumé Sur l'utilisation d'images CSK Spotlight pour l'étude de déformation du volcan El Chichon, deux remarques : la déformation étant de faible amplitude, le choix d'un satellite en Bande-X est adapté. La faible végétation sur la partie sommitale du volcan permet de disposer d'une cohérence suffisante et ce même à plus d'une année d'intervalle. le mode Spotlight ne se justifie pas forcément, sa résolution spatiale native est trop importante par rapport à celle des MNT dont on peut disposer actuellement. De plus, les dimensions importantes du volcan (cratère de 1 km de diamètre) et la nature des déformations à observer ne justifient pas de disposer d'une information sur la phase tous les mètres. En effet, une telle résolution ne peut même pas être mise à profit pour le suivi des éboulements sur les pentes du cratère : les déformations sont bien supérieures à ce que permet l'utilisation de la Bande-X et on perd donc de la cohérence. Mais il est généralement nécessaire de sous-échantillonner, via multilooking, les images pour améliorer le signal de phase. Il paraît donc pertinent de les sous-échantillonner de manière à ce qu'elles aient une résolution proche de 5 mètres, suffisante pour visualiser les déformations localisées. Il y aurait un gain sur le temps de calcul pour obtenir les interférogrammes, un gain sur l'espace de stockage des données, et l'utilisation du MNT obtenu par photogrammétrie serait suffisante. Ce dernier ne nécessite que quelques traitements supplémentaires (correction manuelle sur une zone plus grande) pour pouvoir être utilisable. Il disposerait à la fois d'une meilleure résolution spatiale et d'une information plus récente (images Spot 5 datant de 2008 et 2011 alors que celle du Spotdem datent de 2003). Le mécanisme physique derrière les déformations observées n'a pas pu être déterminé. Il faudrait faire des études complémentaires sur le volcan pour savoir s'il s'agit de déformation d'origine volcanique ou d'origine structurale (glissements de terrains). Pour cela, il faudrait à la fois des études terrain (analyses des émissions de gaz, analyses électriques,...) et d'autres études InSAR d'images provenant de satellites en Bande-C ou en Bande-L (qui permettent de mesurer des déformations de plus grande amplitude). À propos de l'avenir de l'insar, l'esa devrait mettre gratuitement à disposition les données radar de sa prochaine génération de satellites SAR : Sentinel-1. Ce sera une constellation de deux satellites opérant en bande-c. Ils auront un temps de revisite de 12 jours. Il y a aussi Alos-2 qui devrait être lancé en Mars C'est un satellite unique en Bande-L de l'agence Spatiale Japonaise, avec un temps de revisite de 14 jours. Il serait intéressant que les différentes agences spatiales se concertent pour créer des standards sur le format des données radar qu'ils fournissent. Actuellement, les modes d'acquisition (Spotligth, Stripmap, ScanSAR) et les fréquences (Bande X, C ou L) sont communs aux différents satellites. Mais, à l'opposé, les données sont fournies à l'utilisateur sous format de fichiers différents selon les satellites. Cela complique, voire rend impossible, leur exploitation avec certains logiciels et rend difficile la comparaison des données et de leurs attributs. 3

5 1 Je remercie particulièrement Virginie PINEL, ma maître de stage, chercheur à l ISTerre, pour avoir été disponible en permanence que ce soit avant, pendant et après mon stage, pour répondre à mes questions et pour m avoir laisser gérer en autonomie mon stage. Je remercie Élisabeth SIMONETTO, mon professeur référent, pour m avoir donné des conseils sur la rédaction du mémoire. Je remercie le laboratoire Environnements, DYnamiques et TErritoires de la Montagne (EDYTEM) du CNRS qui m a autorisé à avoir accès à leur ordinateurs et à utiliser leur licence du logiciel LPS. Je remercie le CNES qui, à travers du programme ISIS, nous a fourni des données 1 indispensables à la réalisation de ce travail. Je tiens particulièrement à remercier toute l équipe Géophysique des volcans et le personnel de l ISTerre pour leur accueil et leur convivialité. Je remercie enfin mes parents qui m ont toujours soutenu et motivé. 1. c CNES 2012, distribution Spot Image S.A.

6 Table des matières 1 Introduction 4 2 Rappel sur la technologie SAR SAR InSAR Étape 1 : Différence de phase Étape 2 : Retrait des franges orbitales Étape 3 : Retrait de la phase topographique Étape 4 : Retrait de la phase atmosphérique Description des données Site étudié Données disponibles Répartition spatiale Répartition temporelle Test de différents logiciels de traitement de données INSAR NEST SARscape ROI PAC Xima et XimaTHR Étapes préalables aux calculs des interférogrammes Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC Considérations techniques Traiter les données Cosmo-Skymed avec ROI PAC Classement des scripts Création et choix de MNT SRTM 90 m ASTER 30 m Spot 3D à 20 m À partir d images SPOT5 NB 2,5 mètres (par photogrammétrie) par INSAR Comparaison des MNT Comparaison de l information géographique Comparaison de l information sur l altitude Calcul des interférogrammes DINSAR Choix des couples interférométriques Images ascendantes Images descendantes Retrait de l erreur de phase atmosphérique

7 TABLE DES MATIÈRES Atmosphère stratifiée Atmosphère turbulente et bruit Résumé des choix effectués À propos des MNT utilisés Analyse des résultats Analyse des coupes Analyse des stacks Calcul des composantes verticale et horizontale du déplacement Correspondance avec les déformations mesurées sur le terrain Conclusion 51 Glossaire 53 Bibliographie 54 Annexes 56

8 Chapitre 1 Introduction Le stage s est déroulé du 6 février au 22 juin 2012 au Bourget-du-lac à l Institut des Sciences delaterre(isterre).cetinstitutaétécrééen2010parlafusiondulgitetdulgca.ildépend à la fois du Centre National de la Recherche Scientifique(CNRS), de l Université Joseph Fournier à Grenoble (UJF), de l Université de Savoie à Chambéry (UDS), de l Institut de Recherche pour le Développement (IRD) et de l Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l Aménagement et des Réseaux(IFSTTAR). Il héberge les 9 groupes de recherche suivants : Cycle sismique et déformations transitoires, Géochimie 4D, Géodynamo, Géophysique des volcans, Mécanique des failles, Minéralogie et Environnements, Ondes et structures, Risques et Tectonique, reliefs et bassins. Le stage a été effectué sous la tutelle de Virginie PINEL (CR1-IRD) appartenant à l équipe Géophysique des Volcans. Elle est spécialisée dans la modélisation des contraintes et des déformations associées au transport et au stockage de magma. Elle est principal investigator des projets Catégorie 1 de l ESA no 3312 Measuring deformations at Mexican volcanoes using In- SAR data : Tracking possible magma movements, eruption potential and edifice instabilities. et no 7218 Insights into magma plumbing systems from the temporal evolution of surface displacements measured above active basaltic volcanoes ainsi que du projet Cosmo-Skymed de l Agence Spatiale Italienne no 2257 Monitoring stratovolcanoes activity by interferometry : Application to Mexican volcanoes. Le stage se déroule dans le cadre de ce dernier projet. De part leur couverture spatiale et leur capacité à mesurer des zones inaccessibles par les méthodes traditionnelles, les données radar satellitaires sont prisées pour les études de déformation des régions volcaniques. Mais, parmi les volcans les plus dangereux, les stratovolcans andésitiques font partie des plus difficiles à surveiller par interférométrie radar satellitaire (SAR). Il y a plusieurs raisons à cela. Ce sont des volcans à fortes pentes, ce qui accentue les problèmes des images radar (ombres et repliements). La seconde est que les déformations sont souvent localisées sur une petite zone proche du sommet, ce que la faible résolution spatiale des images acquises avec les premières générations de satellite SAR ne permet pas de détecter. Il y a aussi des problèmes de cohérence due à la végétation et aux dépôts de cendres. Et enfin il y a des effets troposphériques importants et corrélés à la topographie comme le signal qui serait induit par le stockage du magma. Cependant la dernière génération de satellites (Cosmo-Skymed et TerraSAR-X) offre des possibilités d acquisitions nouvelles avec notamment l utilisation de la Bande-X et du mode haute résolution Spotlight. Il devient ainsi possible de mesurer de faibles déplacements sur de petites zones. La haute résolution en bande-x a déjà été utilisée avec succès sur des volcans grâce aux données Terrasar-X [Sigmundsson et al., 2010][Wadge et al., 2010] et Cosmo-Skymed en mode Stripmap[Froger et al., 2011]. Mais à notre connaissance, aucune donnée Cosmo-Skymed acquise en mode spotlight n a encore été utilisée sur ce type de volcan. C est pour cette raison qu une série d images Cosmo-SkyMed Spotlight sur le volcan El

9 5 Chichon a été commandée auprès de l Agence Spatiale Italienne. Il s agit d une première série de 10 images ascendantes et 10 images descendantes acquises entre septembre 2010 et janvier 2011 et d une seconde série de 8 images ascendantes et 8 images descendantes acquises entre août et novembre Les données ont été acquises avec un temps de répétition allant de 1 à 32 jours. Le stratovolcan andésitique test est le volcan mexicain El Chichon (17,36 N; 93,23 W; 1150 m). D avril 2008 à mai 2010, des mesures de distancemétrie ont montré un raccourcissement de l ordre de quelques centimètres entre le bord et fond du cratère. Cosmo-Skymed est une constellation de 4 satellites SAR. Cela permet de disposer d images radar avec un temps de répétition de 1 à 32 jours, ce qui est un gros avantage par rapport aux autres missions SAR. Elle fait partie de la dernière génération de satellites SAR après la fin des missions ERS 1 & 2, Envisat et ALOS. À partir de là, on distingue plusieurs objectifs pour ce stage. Premièrement, tester les données Cosmo-Skymed et trouver un logiciel permettant de les traiter pour obtenir des interférogrammes. Deuxièmement, obtenir des Modèles Numériques de Terrain (MNT) haute résolution. En effet, les données radar haute résolution ne sont pleinement valorisées que lorsqu un Modèle Numérique de Terrain de résolution spatiale équivalente est disponible et utilisé dans le traitement [Froger et al., 2011]. Troisièmement, analyser et traiter les meilleurs interférogrammes pour en déduire les déformations sur la période d acquisition. Vérifier si elles concordent avec celles mesurées sur le terrain. Les conditions initiales du stage sont les suivantes : utiliser le logiciel NEST pour traiter les images et générer des interférogrammes. utiliser le modèle numérique de terrain SRTM pour s affranchir de la topographie sur les interférogrammes.

10 Chapitre 2 Rappel sur la technologie SAR 2.1 SAR La détection radar est une technique datant du début du XXème sciècle. Elle a été initialement utilisée pour éviter les collisions entre navires, et ensuite pendant la seconde guerre mondiale pour détecter les avions. Les premières utilisations scientifiques eurent lieu dans les années 50 pour déterminer la vitesse des planètes du système solaire. Son principe : le radar émet un signal électromagnétique à une fréquence porteuse donnée (domaine radio ou micro-onde, voir figure 2.2) et reçoit son écho sur un obstacle. Le temps de trajet entre l émission et la réception apporte une information sur la distance parcourue. Le Radar à Synthèse d Ouverture (RSO ou SAR en anglais) est une catégorie particulière de systèmes radar, appelés radar imageurs. Le radar est installé sur un avion ou un satellite de façon à ne regarder que d un seul côté, ce qui permet d éviter des réflexions ambiguës (voir figure 2.3). La taille de l antenne radar est le facteur limitant la résolution de l image. Lors de l acquisition, chaque écho radar a une empreinte au sol de plusieurs kilomètres de côté, cependant ces empreintes ont un fort taux de recouvrement. Cette redondance d informations est utilisée pour générer une image haute résolution (pixels de quelques mètres de côté), c est la focalisation. Figure 2.1 Images ERS de 100 km par 100 km avant (à gauche) et après (à droite) focalisation.[massonnet and Feigl, 1998] Une image radar focalisée est constituée d une image d amplitude et d une image de phase. Elle est caractérisée par deux directions : suivant la distance : direction donnée par la ligne de visée. Elle correspond aux lignes de l image focalisée. suivant l azimut : direction donnée par la trajectoire du satellite. Elle correspond aux colonnes de l image focalisée.

11 2.1 SAR 7 Bande Longeur d onde Satellites Bande-L 23,5 cm ALOS, JERS-1 Bande-C 5,6 cm ERS-1, ERS-2, Envisat, Radarsat, Radarsat 2 Bande-X 3 cm Cosmo-Skymed, TerraSAR-X Figure 2.2 Liste des ondes porteuses couramment utilisées en imagerie radar. Les données radar sont pour la plupart acquises avec l un des trois modes suivants : Stripmap : le mode d acquisition par défaut. L antenne est fixée de manière à être perpendiculaire à la trace au sol du satellite, il en résulte une acquisition en bandes parallèles. Spotlight : le mode d acquisition haute résolution. L antenne est orientée au fur et à mesure que le satellite avance de manière à toujours viser la zone cible. Il y a une plus grande redondance d informations sur la zone, et par conséquent la résolution après focalisation est améliorée. ScanSAR : plusieurs bandes parallèles sont acquises sur la durée d acquisition. La zone couverte est donc plus grande mais la résolution après focalisation est plus petite (moins de redondance). Les différences principales entre l imagerie radar et l imagerie optique peuvent être résumées comme suit : la géométrie d acquisition est différente : en particulier le radar donne une information en distance et ne permet pas de distinguer deux points situés à égale distance du satellite tandis que l optique donne une information angulaire. le radar permet d obtenir une image de nuit ou en présence de nuages, ce qui n est pas possible en optique. Figure 2.3 Influence de la topographie lors de l acquisition d une image radar. L information de distance enregistrée par le radar peut être représentée sous forme de cercles concentriques. θ est l angle de visée, θ inc l angle d incidence et θ loc l angle d incidence local. Les pentes situées face au satellite sont raccourcies (foreshortening), voire se replient (layover). Au contraire, sur les pentes opposées, sont rallongées ou même cachées par les ombres (shadow). [Hanssen, 2001a]

12 2.2 InSAR 8 Figure 2.4 Historique des satellites SAR récents. 2.2 InSAR Massonnet and Feigl (1998) ou Hanssen (2001) ou encore Massonnet and Souyris (2008) apportent une introduction aux principes de base de l InSAR c est à dire de l interférométrie effectuée à partir de deux données provenant d un radar à synthèse d ouverture. L idée de l utilisation de l information sur la phase pour comparer deux images radar est généralement attribuée à Carl Wiley (1951). Pour cela, il faut que la phase soit restée cohérente tout au long de l acquisition. Le processus suivant décrit les grandes étapes du traitement de deux images SAR pour en obtenir uniquement le signal de déformation. L InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) est un terme qui désigne à la fois le processus dans son entier, ou seulement les étapes 1 et 2 (et à partir de l étape 3 on parle de DinSAR) Étape 1 : Différence de phase En soustrayant une image de phase à une autre image de phase, la phase résultante étant calculée modulo 2π, on obtient un interférogramme : Φ interfero = Φ image1 Φ image2 Φ interfero = Φ deformation +Φ atmospherique +Φ topographique +Φ orbitale +Φ bruit Le bruit Φ bruit peut être minimisé en moyennant la phase par rapport à ses plus proches voisins. Cela peut être fait à n importe quelle étape mais est signalé ici pour ne plus avoir à l indiquer dans les formules par la suite Étape 2 : Retrait des franges orbitales Les satellites ne passent pas exactement au même endroit lors du premier et du second passage : l écart des positions engendre alors des franges orbitales sur l interférogramme. On peut les retirer en calculant précisément la position des satellites au moment de la prise de vue : Φ interfero = Φ deformation +Φ atmospherique +Φ topographique +Φ orbitale Φ interfero Φ orbi.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique +Φ topographique +Φ orbitale Φ orbi.calculee

13 2.2 InSAR 9 Et comme Φ orbitale Φ orbi.calculee, on obtient : Φ intefero Φ orbi.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique +Φ topographique Étape 3 : Retrait de la phase topographique Le DinSAR (Differential Radar Interferometry) a pour but de retirer la Φ topographique de l interférogramme. Un MNT est nécessaire à cette étape, on le passe en géométrie radar et on calcule les franges topographiques que cela crée sur l interférogramme : avec : Φ topo.calculee = 4πB perph λrsinθ B perp : baseline perpendiculaire caractérisant l écart de position entre les satellites [m] h : altitude du point considéré [m] λ : longueur d onde [m] R : distance satellite-cible [m] θ : angle de visée Il ne reste plus qu à les soustraire pour obtenir un interférogramme corrigé de la topographie. Φ interfero Φ orbi.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique +Φ topographique Φ interfero Φ orbi.calculee Φ topo.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique +Φ topographique Φ topo.calculee Et comme Φ topographique Φ topo.calculee, on obtient : Φ intefero Φ orbi.calculee Φ topo.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique Étape 4 : Retrait de la phase atmosphérique La dernière étape consiste à corriger l interférogramme de la Φ atmospherique. Pour cela on utilise un modèle qui nous donne le retard de phase induit par l atmosphère en fonction de paramètres mesurés (humidité de l air, température,...) : Φ atmo.calculee. Φ interfero Φ orbi.calculee Φ topo.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique Φ interfero Φ orbi.calculee Φ topo.calculee Φ atmo.calculee = Φ deformation +Φ atmospherique Φ atmo.calculee Et comme Φ atmospherique Φ atmo.calculee, on obtient : Φ interfero Φ orbi.calculee Φ topo.calculee Φ atmo.calculee = Φ deformation En pratique, il y reste souvent des franges atmosphériques car on arrive à modéliser la partie stratifiée de l atmosphère mais pas la partie turbulente. Suivant l altitude d ambiguïté 1, il peut aussi rester des franges topographiques. La phase d un interférogramme n est connue qu à 2π près. Elle correspond à une différence de trajet égale à la longueur d onde λ du signal émis. Or comme le signal effectue un aller-retour, cela correspond à un déplacement du sol de λ/2 dans la direction du satellite. 1. il s agit de l erreur de MNT qui entraine une erreur de phase de 2π, sa variation est inverse à celle de la baseline perpendiculaire.

14 Chapitre 3 Description des données 3.1 Site étudié Le volcan El Chichon, appelé aussi El Chichonal, est un volcan andésitique situé au Sud-Est du Mexique dans l état du Chiapas. Il était très peu documenté, voir inconnu, avant sa dernière série d éruptions en Il culmine actuellement à une hauteur de 1153 m. Il a connu une douzaine de cycles éruptifs lors des 8000 dernières années[smithsonian Institution, ]. Avant 1982, il était fortement boisé et était constitué d un imposant dôme de lave dans son cratère de 2 km de diamètre. Il ne se distinguait guère des collines environnantes (voir Figure 3.1). L éruption s est déroulée comme suit : Fin Apparition des premiers signes d activité du volcan : petits séismes, émissions de souffre, réchauffement de l eau des rivières. Mars Chaque jour entre 10 et 25 séimes de magnitude 4, localisés à une profondeur de 5 km, sont enregistrés. 27 Mars Une soixantaine de séismes par heure, à 2 km de profondeur, sont enregistrés. 28 Mars Les séismes cessent dans la soirée et l éruption commence peu avant minuit. Le panache de fumée s élève à une hauteur de 17 km et l éruption dure 6 heures avant de se calmer. 3-4 Avril L éruption est à son paroxysme, le dôme est pulvérisé et toute végétation est détruite dans un rayon de 8 km. Le panache de fumée s élève jusqu à une hauteur de 24 km. Après l éruption, le volcan a un nouveau cratère de 1 km de diamètre et de 230 mètres de profondeur en lieu et place de l ancien dôme. Un lac qui atteint une profondeur de 120 mètres se forme en son centre. Figure 3.1 Le volcan El Chichon avant (à gauche) et après (à droite) l éruption de L éruption a fait plus de 2000 victimes et on estime à près d un milliard de tonnes la quantité de produits éjectés. Toutefois son impact le plus notable fut son influence sur le climat : une

15 3.2 Données disponibles 11 grande quantité de dioxyde de souffre a été libérée lors de l éruption et s est dispersée dans la stratosphère. Cela a eu pour influence une diminution du rayonnement solaire atteignant la surface de la terre et par conséquent une baisse de la température globale pendant plusieurs années. Le nuage stratosphérique de l éruption de 1982 El Chichon est resté détectable jusqu à fin Depuis le volcan n a pas eu de nouveaux épisodes éruptifs mais reste sous surveillance des volcanologues. En 30 ans, les plantes ont eu le temps de repousser sur les flancs du volcan mais pas dans le cratère. L InSAR étant sensible à la végétation et a fortiori dans la Bande X, il n est pas garanti que l on puisse obtenir des interférogrammes sur le volcan. Cependant la végétation actuelle est constituée majoritairement d herbes hautes qui ne sont pas aussi gênantes que les arbres pour l InSAR. 3.2 Données disponibles Nous disposons de 36 images Cosmo-Skymed acquises dans le mode Spotlight : 18 images ascendantes et 18 images descendantes acquises sur El Chichon entre septembre 2010 et novembre Cosmo-Skymed est une mission de l Agence Spatiale Italienne. Le segment spatial est constitué de 4 satellites : le premier a été lancé en juin 2007 et le dernier en novembre Ils sont tous équipés de radar à synthèse d ouverture œuvrant dans la bande X Répartition spatiale Figure 3.2 Emprise des acquisitions radar (descendantes en bleu foncé et ascendantes en bleu clair). Les coordonnées sont exprimées en latitude, longitude. L espace entre 2 courbes de niveau est de 50 mètres.

16 3.2 Données disponibles 12 On voit bien la distinction entre les images ascendantes et les images descendantes, la différence d orientation étant directement liée à l inclinaison de l orbite du satellite. Le volcan est parfaitement couvert par les deux séries; toutefois les images ne recouvrent pas parfaitement la même zone, il y a des décalages plus ou moins importants. Une différence importante entre les image ascendantes et descendantes est l angle d incidence sous lequel elles sont acquises : environ 58,5 degrés pour les ascendantes environ 40 degrés pour les descendantes Ce sont des valeurs assez élevées pour des images radar, elles ont une influence sur l image : il y a peu de zones de repliement, ce qui est un avantage, mais les zones d ombres sont plus marquées, ce qui est un inconvénient. Les images ont des dimensions comprises entre et pixels en distance, et entre et pixels en azimut. La taille des pixels étant inférieure au mètre en azimut et inférieure à 50 cm en range, on a donc des scènes d une emprise totale inférieure à 10 km par 10 km Répartition temporelle Les images sont réparties en deux séries temporelles : La première série, de septembre 2010 à janvier 2011, avec une répartition suivant un cycle de 32 jours : acquisition, attente de 24 jours, acquisition, attente de 8 jours. Figure 3.3 Première série temporelle : de septembre 2010 à janvier 2011 La seconde série, d août 2011 à novembre 2011, avec une répartition suivant un cycle de 32 jours : acquisition, attente de 31 jours, acquisition, attente de 1 jour. Figure 3.4 Seconde série temporelle : d août 2011 à novembre 2011 On remarque une petite erreur dans la commande d images : il y a un couple d images ascendantes en trop en août 2011 alors qu il en manque un en novembre Les images ascendantes ont toutes été acquises aux alentours de 12h UTC tandis que les images descendantes ont été acquises vers 0h UTC.

17 Chapitre 4 Test de différents logiciels de traitement de données INSAR Il existe de nombreux logiciels pour le traitement des images radar[simonetto and Follin, 2009] cependant, pour les images CSK à disposition, seuls les logiciels déjà installés à l ISTerre ont été utilisés. 4.1 NEST Le logiciel NEST (Next ESA SAR Toolbox) est, comme son nom l indique, un outil de traitement de données SAR. C est un logiciel open-source développé par Array Systems Computing Inc pour le compte de l Agence Spatiale Européenne (ESA). Il a été conçu pour traiter les données radar ERS-1 & 2, ENVISAT de l ESA mais il supporte aussi les données radar d autres missions : JERS-1, ALOS PALSAR, TerraSAR-X, Radarsat-2 et Cosmo-Skymed. La version utilisée du logiciel NEST est la 4B-1.1 La mission était donc de tester ce logiciel, d en voir les possibilités et de s en servir pour générer un interférogramme à partir des données CSK sur El Chichon. Après avoir fait des tutoriels avec des données ERS et ENVISAT, j ai procédé à un essai avec les données CSK. Elles sont bien lues par NEST mais deux problèmes sont apparus : NEST ne donne aucune information sur la baseline l interférogramme généré laissait apparaître les franges orbitales Après s être renseigné sur la documentation et le forum de NEST, il est apparu que l information sur la baseline ne serait affichée dans NEST qu à sa prochaine version (date de sortie inconnue). De plus, le logiciel avait été déclaré compatible avec les données CSK après des test sur des données CSK Strimap alors que ce sont des données CSK Spotlight dont nous disposons sur El Chichon. En conclusion, l idée d utiliser ce logiciel pour traiter les données CSK a été abandonnée, les options restantes étant les logiciels SARscape et ROI PAC. 4.2 SARscape SARscape est un logiciel conçu pour traiter les données radar, il est développé par la société Exilis. Cette dernière édite aussi le logiciel ENVI, largement utilisé pour ses applications de traitement des images et de télédétection. SARscape a déjà été utilisé avec succès pour traiter des images CSK en mode Stripmap [Atzori et al., 2009]. Lors de précédents essais, V. Pinel m avait mis en garde sur le fait qu elle n avait pas réussi à recaler les images à SARscape. Après test, il s avère en effet qu un message d erreur apparaît dès le début du recalage. La licence de SARscape ayant expiré, le support Exilis n a pas pu nous aider. Mais, même si le recalage était impossible, SARscape a servi pour récupérer l information sur la baseline pour tous les couples d images. Cette information sur la baseline perpendiculaire

18 4.3 ROI PAC 14 permet de déterminer l altitude d ambiguïté et ainsi de choisir les meilleurs couples d images pour : générer un MNT à partir des interférogrammes (grande baseline petite altitude d ambiguïté) minimiser les courbes topographiques sur l interférogramme (petite baseline grande altitude d ambiguïté) Les images ont alors toutes été comparées à la même image maîtresse, la première image de chaque série (celle du 10/09/2010 pour les AR et celle du 04/09/2010 pour les DR), et il a été ainsi possible d obtenir des graphiques et des tableaux permettant de choisir les meilleurs couples (voir Annexes 1 et 2). 4.3 ROI PAC Suite aux échecs avec NEST et SARscape pour traiter les données Spotlight, il a fallu trouver une autre solution. Le choix s est porté naturellement sur ROI PAC, qui était aussi installé sur la station de travail. Ce logiciel est conçu pour traiter les données radar ERS, Envisat ou ALOS. Son principal avantage est qu il s agit d un projet open-source et qu il est donc possible d - analyser et de modifier le code pour créer ses propres scripts. Ce qui était une condition nécessaire pour pouvoir l utiliser, vu qu il ne supporte pas nativement les données Cosmo-Skymed. La version utilisée de ROI PAC est la 3.0.1, la dernière en date. Un support des données Cosmo-Skymed (Raw/SLC) et TerraSAR-X (SLC) est prévu pour la version 3.1 mais aucune date de sortie n était indiquée. Suite à un problème de disque dur il a fallu réinstaller ROI PAC ainsi que l ensemble des logiciels précédemment testés. Mais leur documentation étant bien fournie cela n a pas posé de difficultés particulières. 4.4 Xima et XimaTHR Ce sont des logiciels développés par Jean-Marie Nicolas de Telecom Paristech, rencontré à l occasion d une journée de formation à la division ISTerre de Grenoble. Il nous les a fournis gracieusement sous condition unique de lui faire part de nos impressions sur leur utilisation. L installation a été plus ardue que pour les autres logiciels car il faut avoir une bonne connaissance de la compilation sous Linux. Xima et XimaTHR supportent nativement les fichiers CSK. Ils ne sont pas conçus pour générer des interférogrammes mais ils permettent cependant une bonne visualisation des données et disposent d un bon nombre d outils permettant d analyser les images radar. Il est ainsi possible d avoir en un clic un tableau donnant la baseline perpendiculaire entre toutes les images. Une autre fonction intéressante permet d afficher toutes les images recalées entre elles sous forme d un diaporama. On peut alors visualiser un aperçu de l évolution de la zone du volcan et principalement les remplissages et évaporations du lac dans le cratère.

19 Chapitre 5 Étapes préalables aux calculs des interférogrammes 5.1 Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC C est donc ROI PAC qui a été retenu car c était le seul logiciel qui pouvait nous permettre d obtenir des interférogrammes à partir d image CSK Spotlight. À la base, il est uniquement conçu pour traiter des données radar brutes ERS, ENVISAT ou ALOS. Les 3 étapes importantes du traitement par ROI PAC sont : 1. Conversion des données brutes en une image.raw et son fichier descripteur associé.rsc (avec les scripts de type make raw.pl) 2. Focalisation de l image.raw (avec le début du script process 2pass.pl) 3. Génération d un interférogramme à partir d un couple d images focalisées (avec la fin du script process 2pass.pl) LesdonnéesdontondisposesontdesimagesSCSB, cequi signifie danslejargoncsk qu elles ont déjà été focalisées. L objectif est donc de se raccorder à la chaîne de traitement de ROI PAC après l étape Considérations techniques ROI PAC a été écrit dans deux langages de programmation : le Fortran et le C, et un langage de script : le Perl. Le C et le Fortran sont deux des langages les plus rapides à faire exécuter par la machine, ils sont donc désignés pour les calculs répétitifs tel le traitement d images pixel par pixel. Mais leur syntaxe est assez difficile à appréhender pour les non-développeurs de formation, et ce sont les langages qui nécessitent le plus de lignes de code pour faire un programme. De plus ils nécessitent d être compilés à chaque modification du code. Au contraire, le Perl est plus lent à l exécution mais c est un langage semi-interprété : il ne nécessite pas d être recompilé à chaque fois. Même si sa syntaxe n est pas des plus claires, il permet d écrire des programmes complexes avec peu de lignes de code. De nombreuses ressources sont disponibles sur internet pour son apprentissage. La structure interne de ROI PAC peut être décrite comme suit : Le Fortran et le C forment l ossature. Les programmes sont conçus pour faire une action et la faire rapidement. Le Perl forme la partie modulable, il lie les programmes entre eux par des scripts. Il récupère des valeurs, appelle les programmes avec ces mêmes valeurs en arguments, récupère les valeurs en sortie, fait de petits traitements/tests sur ces valeurs, appelle un autre programme avec ces valeurs en argument, etc... L objectif a donc été de créer des scripts Perl pour se raccorder à la chaîne de traitement de ROI PAC. Les programmes en Fortran et en C n ont pas eu à être modifiés. Cela permet l utilisation des scripts sans avoir à recompiler ROI PAC, ce qui était une condition nécessaire pour qu ils puissent être réutilisés facilement après mon départ.

20 5.1 Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC 16 En effet, la plupart des applications développées dans le monde scientifique se trouvent généralement confrontées à des problèmes lorsque l on veut les diffuser. Les géophysiciens n étant généralement pas des développeurs, la phase de compilation pose problème : le makefile 1 doit être fait correctement par l auteur (ce qui nécessite de bonnes connaissances techniques) sinon l utilisateur rencontre des difficultés à avoir un programme en état de marche. C est là qu est tout l avantage des scripts : il suffit de copier le fichier sur la machine, le rendre exécutable et il prêt à être utilisé. Cela simplifie par la même occasion la portabilité entre les systèmes d exploitation (sous condition qu il y ait un interpréteur du langage de script d installé sur l ordinateur cible). Une difficulté rencontrée lors de la phase de traitement des données par ROI PAC est que certains programmes Fortran n acceptaient pas les fichiers de plus de 2 Giga-octets. Ceci était dû à l utilisation d un système d exploitation 32-bit sur mon ordinateur. Or à peu près un quart des images CSK à traiter font plus de 2 Go. Deux options se présentaient pour traiter ces fichiers : 1. Modifier le code Fortran et modifier les options de compilations, ce qui était au-dessus de mes compétences en matière de programmation (cela m aurait pris beaucoup de temps pour en appréhender toutes les subtilités et réussir à le faire fonctionner, si tant est que cela puisse réellement marcher). De plus cela était contraire à mon objectif initial de ne pas toucher au code ROI PAC. 2. Installer un système d exploitation 64-bit et recompiler ROI PAC dessus. C est donc cette deuxième option, plus à ma portée, qui a été choisie. Plutôt que de me lancer dans un partitionnement de disque, j ai fait un live USB persistant (installer le système d exploitation sur une clé USB au lieu d un disque dur). J ai utilisé la distribution Crunchbang (basée sur Debian), très légère et donc parfaite pour être installée sur ma clé. Après y avoir recompilé ROI PAC, j ai pu traiter sans difficulté aucune mes fichiers de plus de 2 Go. Par la même occasion j ai pu constater la portabilité de mes scripts et la facilité de leur exécution Traiter les données Cosmo-Skymed avec ROI PAC La première étape a été d apprendre le Perl; j ai commencé par étudier les scripts de ROI PAC pour m habituer à la syntaxe. Ensuite, j ai commencé par faire de petits scripts pour m entraîner. Globalement le Perl ressemble à un mélange de C et de script shell, ayant déjà des connaissances dans ces 2 langages je n ai pas eu de difficulté particulière à m y habituer. Toutefois, une particularité de ce langage est qu il y a souvent plusieurs façons de faire la même chose (c est à la fois un avantage et un inconvénient) et donc il est courant de tomber sur quelque chose qu on ne connaît pas mais qui fait quelque chose que l on sait faire. Un atout qu a le Perl par rapport à d autres langages est l utilisation des expressions régulières, qui permet de traiter facilement les chaînes de caractères pour y rechercher une information, ce qui s est avéré très utile par la suite. Le but était donc de mettre les données sous le format nécessaire à ROI PAC, sachant que l on partait d après l étape de focalisation. Pour chaque image, il a été déterminé qu il fallait : AAAAMMJJ.raw : un fichier image vide AAAAMMJJ.raw.rsc : le fichier descripteur au format texte de l image raw AAAAMMJJ.slc : un fichier binaire contenant l information radar AAAAMMJJ.slc.rsc : le fichier descripteur au format texte de l image slc roi.dop : le fichier descripteur au format texte sur le doppler hdr data points AAAAMMJJ.rsc : le fichier descripteur au format texte de l orbite du satellite 1. fichier de configuration contenant les instructions pour que l ordinateur compile le programme.

21 5.1 Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC 17 Le fichier image.raw est le fichier le plus simple à créer : il ne s agit ni plus ni moins que d un fichier vide avec un nom de la forme AAAAMMJJ.raw. Ceci s explique par le fait que ROI PAC lit l information contenue dans ce fichier seulement pour l étape de focalisation, or cette étape n a pas besoin d être faite avec les images CSK car elles sont déjà focalisées. Toutefois, il est nécessaire car ROI PAC ne fonctionne pas en l absence de ce fichier. Les 5 autres fichiers ont été bien plus complexes à créer. En effet, les données Cosmo-Skymed sont fournies sous la forme d un unique fichier binaire qui contient à la fois les attributs et l image radar : le format HDF5 (dont l extension est.h5 ou.h5). Il était donc impossible de le lire directement pour y récupérer les informations intéressantes. Au début, c est donc NEST qui a permis de récupérer une partie des attributs (via un export dans un fichier texte) et SARscape qui a permis de récupérer l image radar sous la forme d un fichier.slc. Une première difficulté est apparue : les noms des attributs de NEST ne correspondaient pas à ceux de ROI PAC. Il a donc fallu lire les commentaires des scripts Perl de ROI PAC et les descriptions d attribut de NEST pour ensuite les comparer. Un parallèle a aussi été fait entre les attributs des fichier.rsc d images Envisat traitées par ROI PAC et les attributs ayant la même valeur dans NEST. Pour cela nous disposions d un jeu de données ENVISAT à la fois sous forme brute (raw) pouvant être traitées avec ROI PAC et sous forme focalisée (slc) pouvant être traitées avec NEST. Un second problème s est ensuite posé : le fichier des attributs (exporté de NEST) ne contenait pas toutes les informations nécessaires pour faire des fichiers descripteurs.rsc complets. Devant ce constat, il a fallu rechercher une autre façon d obtenir les attributs. C est de cette façon, en se renseignant sur le fichier format HDF5, que l on a découvert qu il existait un pack d outils disponibles sur le site de l éditeur permettant d interagir avec les fichiers.h5 : HDFview : C est un logiciel conçu uniquement pour visionner le contenu d un fichier.h5; il ne lit pas les autres formats et ne permet pas l export des données/attributs. HDF5 toolbox: C est un pack d outils en ligne de commande permettant de lire, modifier, ajouter et extraire les informations dans un fichier au format HDF5. Ça a été la clé de la réussite pour permettre le traitement automatisé des données CSK avec ROI PAC. Seule la commande h5dump, qui permet la lecture et l extraction de données, a été utilisée. La toute dernière difficulté a été la détermination des paramètres qui n étaient pas donnés directement dans les attributs du fichier.h5 : Orbites HDR Les satellites CSK ne bénéficiant pas comme les satellites ERS des orbites précises calculées par Delf (ODR), il faut créer un fichier d orbites HDR pour que ROI PAC puisse fonctionner. C est un fichier texte de 5 lignes, contenant sur chacune des lignes : l heure UTC du satellite en secondes, ses coordonnées XYZ et sa vitesse suivant chaque axe XYZ. La première ligne correspond à l heure de début de l acquisition et la cinquième à l heure de fin, les trois autres heures sont également réparties entre les deux. Dans le fichier.h5, on dispose des coordonnées du satellite, de sa vitesse et de son accélération pour 10 temps UTC mesurés toutes les 10 secondes. Il y a 5 temps avant la fin de l acquisition et 5 temps après; sachant que la durée d acquisition d une scène est inférieure à 2 secondes, on ne dispose pas précisément des paramètres du satellite pour les heures qu il nous faut. Le déplacement du satellite n étant pas linéaire, il n est pas facile d en calculer les paramètres pour n importe quelle heure. Heureusement, après recherche, il existe un programme dans ROI PAC qui est chargé d interpoler les coordonnées et les vitesses du satellite pour une heure donnée

22 5.1 Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC 18 à partir d un fichier d orbites de type HDR, il s agit de HDR2polynom. Pour obtenir le fichier d orbites HDR formaté, il a donc fallu extraire les 10 orbites du fichier.h5 dans un fichier texte, lire l heure de début et de fin d acquisition, calculer les 3 heures intermédiaires et enfin utiliser HDR2polynom. Calcul du starting range Dans les fichiers descripteurs des images, il y a un paramètre appelé starting range. La traduction française la plus juste étant distance de départ, il a fallu effectuer une recherche parmi les attributs pour savoir lequel pouvait y correspondre. Aucun attribut du fichier n y correspondait que ce soit par la description ou bien par la valeur, par contre il est possible d avoir accès à la position du satellite durant l acquisition ainsi qu aux coordonnées des 4 coins de l image. Si la traduction est exacte, le starting range est la distance entre le satellite à l instant 0 de l acquisition et le coin en haut à gauche de l image (les images fournies sont en géométrie radar donc que le satellite soit ascendant ou descendant, le premier point acquis est celui en haut à gauche de l image). Avant de pouvoir calculer cette distance, il faut procéder à une transformation de coordonnées : en effet, la position du satellite est fournie en coordonnées cartésiennes alors que celles des coins de l image le sont en coordonnées géographiques. Elles ont toutefois le même ellipsoïde de référence : le WGS84, ce qui simplifie la tâche. Ainsi, les coordonnées du coin de l image sont passées du système géographique au système cartésien par la formule suivante : avec X = (a/w+h) sin(λ) cos(φ) Y = (a/w +h) sin(λ) sin(φ) Z = ((1 e2)a/w +h) cos(λ) a = e2 = 0, w = (1 e2 sin(φ) 2 Tout le processus a été écrit dans le script Vincent makeh5.pl pour pouvoir être exécuté de manière automatique pour chaque image. Calcul du doppler L image radar qui nous est fournie est déjà focalisée (image 1A) alors que normalement c est ROI PAC qui se charge de cette étape. Il écrit dans un fichier les composantes de la focalisation, à savoir : Doppler range0 : Doppler polynomial constant term, [sans unité] Doppler range1 : Doppler polynomial linear term, [s 1 ] Doppler range2 : Doppler polynomial quadratic term, [s 2 ] Doppler range3 : Doppler polynomial cubic term, [s 3 ] Squint : Squint angle 2 from heading Aucun attribut du fichier CSK ne correspond directement à ces composantes mais l attribut Centroid vs Range Time Polynomial semble s en approcher par la description. Il est composé de trois variables dop0 en Hz, de dop1 en Hz/s et de dop2 en Hz/s 2. Après avoir comparé les unités et lu le descriptif des données de ROI PAC, il est apparu que l on obtient nos composantes 2. Angle formé par l écart entre la visée du satellite lors de l acquisition et la perpendiculaire à sa trajectoire

23 5.1 Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC 19 en effectuant la transformation suivante : Avec : Doppler range0 = dop0 prf Doppler range1 = Doppler range2 = Doppler range3 = 0 Squint = 0 dop1 prf taux d echantillonnage dop2 prf taux d echantillonnage 2 prf : Pulse Repetition Frequency [Hz] Le squint est égal à 0 parce que l image fournie par l Agence Spatiale Italienne est focalisée à doppler nul. L image restituée correspond à une acquisition faite dans un axe perpendiculaire à la direction du satellite. Le Doppler range3 est toujours indiqué à 0 dans les fichiers doppler d autres images SAR Classement des scripts Conventions pour les scripts : Les dates sont écrites sous la forme suivante : AAAAMMJJ Les fichiers.lst sont de simples fichiers texte contenant la liste des fichiers à traiter. Il doit y avoir un seul fichier par ligne et pas de ligne vide. Le chemin absolu ou relatif des fichiers peut être indiqué. Un fichier.lst ne peut contenir que des fichiers lisibles par le programme pour lequel il est destiné. Voir en Annexe 5 pour avoir un schéma du processus de traitement des données CSK. Étape 1 : Préparation des données Vincent make h5.pl DESCRIPTION : Extrait les attributs du fichier CSK pour créer les fichiers descripteurs nécessaires à ROI PAC. Ces fichiers sont placés dans un répertoire ROI PAC à côté du fichier CSK. UTILISATION : Vincent make h5.pl [fichier.h5 ou.lst] PRÉ-REQUIS : Avoir téléchargé et rendu exécutable HDF5tools. Vincent h5data2slc.pl DESCRIPTION : Extrait l image radar du fichier CSK pour créer l image nécessaire à ROI PAC. Ce fichier est placé dans un répertoire ROI PAC à côté de du fichier CSK. UTILISATION : Vincent h5data2slc.pl [fichier.h5 ou.lst] PRÉ-REQUIS : Avoir téléchargé et rendu exécutable HDF5tools. Vincent delay.pl DESCRIPTION : Lit un fichier.del contenant les informations météo calculées par NSBAS et crée un nouveau fichier ne contenant que l information sur l altitude et sur le délai total en radians. UTILISATION : Vincent delay.pl [fichier.del] Vincent delay volcan.pl DESCRIPTION : Interpole les délais atmosphériques selon l altitude pour un point donné. Traite une liste de fichiers.csv. UTILISATION : Vincent h5data2slc.pl [fichier.lst] MODIFICATION DU SCRIPT : On peut modifier les chemins des répertoires contenant les fichiers formatés avec Vincent delay.pl. On peut aussi indiquer les coordonnées des points météos de référence et les coordonnées du point où l on veut l information météo interpolée.

24 5.1 Créer des scripts pour se rattacher à ROI PAC 20 Étape 2 : ROI PAC Vincent Prepare ElChichon.pl DESCRIPTION : Crée en une ligne de commande le fichier de configuration ainsi que l arborescence de répertoires avec les fichiers nécessaires au lancement de process2pass.pl. UTILISATION: Vincent Prepare ElChichon.pl[ AR ou DR ][date1][date2][nblook] [MNT] MODIFICATION DU SCRIPT : On peut modifier les chemins des répertoires contenant les images. On peut aussi modifier les chemins des MNT. Vincent process2pass.pl DESCRIPTION : Lance ROI PAC à la place de process 2pass.pl. UTILISATION : Vincent process2pass.pl [fichier.proc] NOTE : Lors du recalage des deux images radar, le décalage en azimut calculé par ROI PAC est 10% supérieur au vrai décalage. Cela peut faire échouer le processus, auquel cas relancer la même commande résoudra le problème. Le recalage entre l interférogramme et le MNT peut aussi échouer, auquel cas il faut utiliser Vincent DEMoffset.pl pour faire le recalage. Vincent GetPeg.pl DESCRIPTION : Identique à GetPeg.pl sauf que les lignes 25 à 28 ont été commentées pour pouvoir fonctionner dans Vincent process2pass.pl. Vincent DEMoffset.pl DESCRIPTION : Permet de calculer les paramètres de transformation en cas d échec du recalage de l interférogramme et du MNT. UTILISATION : Vincent DEMoffset.pl [répertoire contenant les interférogrammes] APRÈS UTILISATION : Plusieurs fichiers ont dû être créés dans le répertoire courant. Vérifier que le fichier cull.out contient bien les paramètres de transformation. Si c est le cas, copier tous les fichiers créés dans le répertoire contentant les interférogrammes, cela aura pour effet d écraser les anciens fichiers. Étape 3 : Correction atmosphérique Vincent remove atmo.pl DESCRIPTION : Corrige une liste d images de l effet atmosphèrique. Ce script appelle Vincent remove hgt2difdelay.pl et Vincent unw substract delay.pl à tour de rôle pour la liste d images. UTILISATION : Vincent remove atmo.pl [fichier.unw ou.lst] Vincent remove hgt2difdelay.pl DESCRIPTION : Calcule le délai atmosphérique entre 2 dates pour chaque point d un fichier.hgt. UTILISATION : Vincent remove hgt2difdelay.pl [fichier.hgt] [date1] [date2] [ AR ou DR ] MODIFICATION DU SCRIPT : On peut modifier les chemins des répertoires contenant les fichiers météo formatés avec Vincent delay.pl et Vincent delay volcan.pl Vincent unw substract delay.pl DESCRIPTION : Soustrait l image du délai atmosphérique à l interférogramme. UTILISATION :Vincent unw substract delay.pl [interférogramme : fichier.unw ou.hgt] [fichier.unw ou.hgt] Étape 4 : Création de l image de vitesse de déplacement Vincent sortie.pl

25 5.2 Création et choix de MNT 21 DESCRIPTION : Génère une image de déplacement en radian/jour à partir d une liste d images géoréférencées. Ce script appelle Vincent recadrer.pl, Vincent unw ref.pl et Vincent unw merge.pl à tour de rôle pour la liste d images. UTILISATION : Vincent sortie.pl [fichier.lst de.unw] Vincent recadrer.pl DESCRIPTION: Recadre une image géoréférencée suivant les limites données en paramètres. UTILISATION: Vincent recadrer.pl[fichier.unw,.int,.dem ou.lst][xmin][ymin][xmax] [ymax] Vincent unw ref.pl DESCRIPTION : Change la phase d une image géoréférencée suivant la phase d un point donné. La valeur de la phase de référence est moyennée à partir du pixel central et de ses 8 pixels voisins avant d être soustraite pour tout les autres pixels. UTILISATION : Vincent unw ref.pl [fichier.unw ou.lst] [xref] [yref] Vincent unw merge.pl DESCRIPTION : Crée une image de vitesse de déplacement en radian/jour à partir d une liste d images dans la même géométrie. UTILISATION : Vincent unw ref.pl [fichier.lst de.unw] Étape 5 : Analyse des résultats Vincent composantes.pl DESCRIPTION : Calcule les composantes horizontale et verticale de la déformation à partir d un stack ascendant et d un stack descendant. UTILISATION : Vincent composantes.pl [fichier.int ascendant] [fichier.int descendant] MODIFICATION DU SCRIPT: On peut modifier la valeur de l angle d incidence moyen pour les images ascendantes et pour les images descendantes. Vincent extract lin-col.pl DESCRIPTION : Permet la création de coupes à travers l extraction de l information d une ligne ou d une colonne d une image dans un fichier texte. UTILISATION : Vincent extract lin-col.pl [fichier.unw.int.dem ou.lst] [ v ou h ] [numéro ligne/colonne] Autres scripts Vincent DEMpente.pl DESCRIPTION : Calcule les pentes sur les axes x et y d une image radar.hgt et en déduit la baseline minimum nécessaire pour ne pas avoir un effet d aliasing sur un interférogramme avec la topographie. UTILISATION : Vincent DEMpente.pl [fichier radar.hgt] [angle d incidence] Vincent Baseline.pl DESCRIPTION : Calcule la baseline d une liste d images par rapport à la même image maîtresse. UTILISATION : Vincent DEMpente.pl [fichier radar.hgt] [angle d incidence] NOTE : les baselines renseignées sont celles calculées par ROI PAC, on peut trouver des écarts avec les baselines calculées avec SARscape ou XimaTHR. 5.2 Création et choix de MNT SRTM 90 m Le MNT du Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) est le premier MNT à avoir été utilisé. Il provient d une mission de la NASA de l année 2000 qui a mesuré pendant 11 jours

26 5.2 Création et choix de MNT 22 l ensemble de la planète. Il a été obtenu par interférométrie radar. La résolution au sol d un pixel est d environ 90 m pour les données SRTM3, les meilleurs disponibles sur la zone du volcan El Chichon. Il existe des données SRTM1 avec une résolution de 30 m mais elles sont limitées aux territoires des États-Unis. Ces données sont disponibles au plus grand nombre gratuitement : par exemple on trouve des dalles de 5 degré par 5 degré sur le site du CGIAR (Consortium for Spatial Information). Pour ma part j ai téléchargé la dalle allant de -94 à -93 degrés en longitude et de 18 à 17 degrés en latitude. Lors de l utilisation de ROI PAC un premier problème s est posé : la taille des pixels de l image (respectivement 0,36 m en range et 0,70 en azimut) est nettement inférieure à la taille des pixels du MNT (environ 90 m dans les 2 directions). Cela empêchait la corrélation automatique entre l image d amplitude et le MNT en géométrie radar, il a donc fallu les ré-échantillonner toutes les deux. L interférogramme a été sous-échantillonné 16 fois grâce à une option ROI PAC (5,8 m en range et 11,2 m en azimut) et le MNT a été sur-échantillonné 9 fois avec ENVI (10 m dans deux les directions). On remarque l apparition de quelques artefacts sur le MNT ré-échantillonné. Le recalage des 2 images devient alors possible mais au prix d une tolérance plus grande que la normale sur la sélection des points contribuant à définir les paramètres de transformation. La précision du MNT est d environ 10 m [Japan Space Systems, ] ASTER 30 m Le deuxième MNT obtenu est celui de la mission Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER), conduite par le METI japonais et la NASA américaine. La mission a commencé en 2000 et est toujours en cours. Une première version de MNT global a été mise à disposition du public en juin Les données sont téléchargeables gratuitement sur le site de l ASTER GDEM pour quiconque travaille sur l un des 9 domaines suivants : risques, santé, énergie, climat, météo, écosystème, agriculture, et biodiversité. J ai utilisé la seconde version du MNT, publiée en octobre 2011, qui est corrigée des zones d ombres et de différents artefacts (par exemple, hauteur du niveau des surfaces d eau non-homogènes). Le MNT étant fourni avec une taille de pixel de 30 m dans les deux directions, je l ai donc sur-échantillonné 3 fois (méthode bilinéaire) pour obtenir une taille de pixel de 10 m. J ai donc pu le recaler avec l interférogramme échantillonné 16 fois. La précision du MNT est comprise entre 7 et 14 m [Japan Space Systems, ] Spot 3D à 20 m Ce modèle de terrain a été réalisé par corrélation automatique de couples stéréoscopiques acquis par l instrument HRS de Spot5 en Des informations provenant de MNT SRTM ont aussi été utilisées lors de sa création. Il est payant mais est disponible à prix réduit pour les scientifiques à travers le programme ISIS (Incitation à l utilisation Scientifique des Images SPOT) du CNES. Pour l obtenir, il faut faire un dossier détaillé sur sa mission scientifique et le soumettre à validation du CNES. Il est aussi nécessaire de citer la provenance du produit dans chacune des publications scientifiques de la mission. Il est fourni avec une résolution au sol de 20 m. Il a été sur-échantillonné 5 fois pour obtenir ainsi une taille de pixel au sol de 4 m ce qui permettait en théorie de l utiliser pour un interférogramme sous-échantillonné moins de 16 fois. Mais j ai préféré continuer à l utiliser avec le même interférogramme que les modèles de terrain SRTM et ASTER pour obtenir des résultats sur des images de même dimension. La précision relative du MNT est comprise entre 5 et 10 m [CNES, ].

27 5.2 Création et choix de MNT À partir d images SPOT5 NB 2,5 mètres (par photogrammétrie) Le but est d obtenir un MNT de très bonne résolution spatiale à partir d images satellites haute-résolution mises à disposition par le programme ISIS du CNES. On peut espérer obtenir une précision d un demi-pixel (soit 1,25 mètre) sur les MNT générés. On dispose du couple d images suivantes : Image panchromatique prise le 06/03/2008 avec un angle d incidence de 28,75 degrés Image panchromatique prise le 25/02/2011 avec un angle d incidence de 1,38 degrés Figure 5.1 Le couple d images Spot5 : à gauche l image de 2011 à droite celle de La zone encadrée en rouge est la zone du volcan El Chichon Remarques : L écart élevé d environ 30 degrés entre les deux prises de vue n a pas posé de problème lors du traitement. Par contre l écart de temps de 3 ans entre les 2 images a complexifié l identification des objets homologues sur les 2 images (les arbres ont grandi ou ont été coupés, les villes se sont étalées et les bâtiments ont pu être modifiés sans que cela n apparaisse de façon nette). La correction radiométrique des images a surexposé les routes et bâtiments ce qui leur donne une apparence de points blancs ou de lignes blanches. Si la visualisation de ces objets en est facilitée, cela accentue la difficulté d y définir avec précision des points homologues. Photogrammétrie avec ENVI Le module d extraction de MNT d ENVI nous a été fourni par Exilis pour une version d essai de 2 semaines. Son apprentissage a été rapide et facile notamment grâce à un guide sur l utilisation de ce module [ITT Visual Information Solutions, 2009]. La génération du MNT passe par les étapes suivantes : 1. Ouverture des images avec ENVI : aucun problème, les images sont nativement reconnues et bien importées ainsi que leurs métadonnées 2. Définition des points de contrôle au sol : nous n en avons pas en notre possession, par conséquent le géoréférencement des points est moins bon mais cela n empêche pas de continuer le processus

28 5.2 Création et choix de MNT Définition des points homologues: la recherche est automatique mais il est possible d éditer les points a posteriori. Les paramètres par défaut sont conservés; le module recherche 25 points homologues. Quasiment tous les points trouvés par l algorithme sont faux; ils ont été repris manuellement un par un. 4. Création des images épipolaires à partir des points homologues. Les paramètres par défaut sont conservés. 5. Définition des paramètres pour générer le MNT: après plusieurs tests les meilleurs résultats sont obtenus avec des fenêtres de référence de 7x7 pixels, un seuil de corrélation de 0,7, un relief high et une génération en 5 passes. Afin de savoir si la répartition des points homologues avait une influence sur le MNT généré, deux MNT ont été créés à partir de points homologues différents. Pour le premier, les points homologues étaient répartis pour la plupart sur les flancs du volcan et sur les bords du cratère. Pour le second, les points étaient répartis de la façon la plus régulière possible pour couvrir l ensemble de la zone de recouvrement des deux images. Au final aucune différence entre les deux MNT n a pu être mise en évidence. En conclusion, il ne sert à rien de saisir manuellement un grand nombre de points homologues sur le volcan dans le but d améliorer le MNT. La qualité intrinsèque des MNT générés avec le module d extraction d ENVI laisse clairement à désirer si le but est d avoir un MNT avec une bonne résolution spatiale. En effet, en appliquant un effet d ombre au MNT, on se rend compte qu il y a de grandes facettes triangulaires générées par interpolations. Elles sont dues à la corrélation automatique entre les deux images qui ne trouve qu un nombre limité de points homologues. Il existe un outil de correction de MNT inclus dans ENVI mais il nécessite de connaître l altitude ou la géométrie des zones à corriger. Figure 5.2 Vue ombrée du MNT fait avec ENVI. Le Nord est en Haut et l Est à droite. Le MNT a été extrait avec une résolution spatiale de 3 m qui est la valeur par défaut fournie par le module d extraction. Photogrammétrie avec LPS Afin d obtenir un meilleur MNT par photogrammétrie, il a fallu utiliser un logiciel plus complet que le module d extraction de MNT d ENVI. Le logiciel devait être dédié à la photogrammétrie et permettre l utilisation de la vision stéréoscopique pour l édition manuelle du

29 5.2 Création et choix de MNT 25 MNT. Les contacts de l ISTerre avec le laboratoire Environnements, DYnamiques et TErritoires de la Montagne (EDYTEM) du CNRS, situé sur le même campus, ont permis d avoir accès à leurs ordinateurs et d utiliser leur licence du logiciel LPS. Leica Photogrammetry Suite (LPS) est un logiciel de la suite ERDAS, développé par Intergraph Corporation. Comme son nom l indique, LPS est un logiciel de photogrammétrie : il est bien plus complet que le module d extraction de MNT d ENVI mais aussi, par conséquent, bien plus complexe. L apprentissage a été donc été long malgré l aide d internet et de plusieurs manuels et guides de l utilisateur[erdas, 2010][Leica Geosystems, 2006]. Les étapes pour la constitution du MNT sont : 1. Création d un nouveau projet et chargement des images dans LPS. 2. Recherche des points homologues par corrélation automatique. Les paramètres par défaut sont conservés; LPS recherche 25 points homologues. au contraire d ENVI tous les points trouvés sont bons. 3. Génération du MNT à partir de 2 images. LPS permet de sélectionner la zone à extraire, ce qui permet de gagner un temps important en processus : la zone d intérêt fait une centaine de km 2 (10 km x 10 km) alors que la zone de recouvrement des deux images fait environ 3000 km 2 (50 km x 60 km). Il est normalement possible de définir des zones à ne pas extraire dans la zone d intérêt (dans notre cas le lac dans le cratère et le lit d une rivière) mais cela cause une erreur et ferme LPS. 4. Correction et modification du MNT avec le module d édition de MNT. Il convient d avoir choisi un MNT vecteur et non raster à l étape précédente si l on ne veut pas se retrouver limité à des fonctions d édition semblables à celles du module d ENVI. Le choix a été fait d extraire le MNT au format vecteur TerraModel TIN, il est ainsi possible d ajouter/éditer/supprimer des points et surtout d ajouter des breaklines (lignes de rupture de pentes). Ces dernières sont très utiles pour définir le contour du cratère et les nombreuses marques d érosion sur les pentes du volcan. L édition se fait par stéréoscopie (utilisation de la vision par anaglyphe) et LPS permet l affichage de n importe laquelle des combinaisons des éléments suivant : images, points, breaklines, courbes de niveau (calculées en temps réel) ce qui est extrêmement pratique pour visualiser le résultat final. 5. Transformation du MNT vecteur en MNT raster. Malgré son apparente facilité cette étape est celle qui a demandée le temps de recherche le plus long. LPS ne proposant pas de faire la conversion, le MNT a été enregistré au format ASCII avec ERDAS imagine. Il est ainsi possible d utiliser ce fichier pour générer un MNT raster avec le logiciel Surfer 9 du Scientific Software Group, mais ce dernier ne prend pas en compte les breaklines. En cherchant sur internet dans des forums d aide, il est apparu que la conversion se fait dans ERDAS Imagine grâce au Terrain Prep Tool du menu Terrain (alors que je cherchais dans Vecteur, Raster ou Gestion des données ). Au final, LPS est un très bon logiciel pour l extraction de MNT par photogrammétrie, le module d édition de MNT est bien conçu et la visualisation est agréable. Cependant l ergonomie, l organisation et la logique des menus laissent clairement à désirer. Cela ne le rend pas accessible aux néophytes, au contraire du module d extraction d ENVI qui permet d obtenir un MNT par photogrammétrie sans s y connaître à l avance. L accès à LPS n a été possible que 2 semaines et demi avant la fin du stage. Par conséquent, faute de temps, le MNT fait avec LPS n a pu être corrigé manuellement que sur la partie sommitale du volcan (qui correspond à peu près à l emprise de la figure 5.8). Le MNT a été extrait de manière à obtenir des pixels de 5 mètres par 5 mètres, le temps passé sur l édition du MNT ne rendant pas pertinent l utilisation d une meilleure résolution.

30 5.2 Création et choix de MNT par INSAR Il est possible de générer un MNT à partir d interférogrammes non corrigés de la topographie. Après réflexion, la méthode a été définie comme suit : 1. Sélectionner les interférogrammes des couples avec une grande baseline perpendiculaire : l altitude d ambiguïté est plus petite ce qui engendre plus de franges topographiques. Cependant l écart entre deux franges ne doit pas être inférieur à deux pixels sinon il y a apparition d un phénomène d aliasing et la phase ne peut pas être déroulée correctement. Il faut aussi que les couples aient la plus petite baseline temporelle afin de limiter l influence de la déformation sur phase. 2. Retirer l erreur de phase due à la partie stratifiée de l atmosphère. Il ne reste alors que l erreur de phase due à l atmosphère turbulente que l on peut considérer comme aléatoire et qui donc se compense lors de la combinaison des interférogrammes entre eux à l étape 7. Par conséquent la phase de l interférogramme est uniquement influencée par une seule composante : la topographie. 3. Dérouler la phase des interférogrammes sélectionnés. 4. Définir un même point pour tous les interférogrammes sélectionnés et en faire la référence pour la phase. 5. Convertir la phase en altitude pour tous les interférogrammes en utilisant la formule suivante : Alt = λrsinθ 2B perp avec λ : longueur d onde [m] R : Distance satellite-cible [m] B perp : baseline perpendiculaire [m] θ : angle de visée 6. Recaler les interférogrammes entre eux. 7. Moyenner les valeurs d altitude de tous les interférogrammes recalés pour générer une image finale qui peut être considérée comme le MNT en géométrie radar. 8. Passer les MNTdela géométrieradar àlagéométrieterrain en se basant sur les paramètres d acquisition du satellite. 9. Fusionner le MNT obtenu avec des images ascendantes avec celui obtenu avec des images descendantes. 10. Recaler en altimétrie le MNT sur un point de référence. Après étude des différents paramètres, les couples suivants ont été considérés comme les plus intéressants pour générer un MNT : Orientation Image maîtresse Image esclave B temp B perp H amb AR 12/08/ /08/ AR 28/08/ /08/ DR 22/08/ /08/ DR 26/11/ /11/ Le script Vincent DEMpente.pl a été utilisé sur des images sous-échantillonnées 16 fois : il risque d y avoir un phénomène d aliasing sur la pente du cratère opposée au satellite. Mais par extrapolation ce phénomène devrait disparaître pour les images non-ré-échantillonnées. On dispose d une cohérence suffisante sur les interférogrammes à 1 jour pour obtenir un MNT avec une surface étendue (exemple figure 5.3).

31 5.2 Création et choix de MNT 27 Figure 5.3 Interférogramme non corrigé de la topographie du couple d images descendantes du 26/11/2011 et du 27/11/2011. La méthode a été testée avec les scripts suivants : Vincent unwarp.pl DESCRIPTION : Effectue l étape 3, déroule la phase d un interférogramme à partir d un dossier formaté contenant tous les fichiers nécessaires au traitement. UTILISATION : Vincent unwarp.pl [répertoire] AVERTISSEMENT : La phase du fichier en sortie n est pas déroulée correctement. Vincent DEM.pl DESCRIPTION : Effectue les étapes 3, 4, 5,6 et 7 pour deux interférogrammes uniquement. Script de test. UTILISATION : Vincent DEM.pl [fichier.unw] [fichier.unw] MODIFICATION DU SCRIPT : Étant un script expérimental, il faut y définir de nombreux paramètres à propos des interférogrammes. Je n ai pas réussi à obtenir le résultat voulu, la phase ne se déroulant pas correctement pour les interférogrammes : il y a des sauts dans la phase déroulée suivant des lignes et des colonnes. Je n ai pas réussi à déterminer la cause de ces erreurs. Devant cet échec les étapes 8, 9 et 10 n ont pas été codées.

32 5.3 Comparaison des MNT Comparaison des MNT Comparaison de l information géographique Figure 5.4 Emprise des différents MNT. Leur résolution spatiale est indiquée dans la légende. Pour ce qui est de la résolution spatiale, le meilleurs des MNT externes est le SpotDEM, il a une définition 1,5 fois meilleure que le MNT ASTER et 4,5 fois meilleure que le MNT SRTM. Mais on peut atteindre une résolution bien supérieure avec les MNT faits par photogrammétrie à partir des images Spot 5. C est le cas du MNT ENVI qui a une résolution spatiale de 3 mètres et le MNT LPS qui a une résolution spatiale de 5 mètres. Au niveau de la zone couverte par les MNT, l emprise du SpotDEM est suffisante pour contenir toutes les zones couvertes par les images CSK. Par conséquent, les MNT générés par photogrammétrie ont été limités à la même zone. Les MNT SRTM et ASTER étant fournis sous la forme de dalles de 1 ou plusieurs degrés de côté, la zone couverte est trop importante par rapport à la zone d intérêt. Il faut donc penser à les recadrer avant toute opération de rééchantillonnage sinon l on risque d avoir des fichiers de taille trop importante pour les logiciels Comparaison de l information sur l altitude Le MNT qui a servi de référence pour comparer les altitudes est le SpotDEM car c est le MNT externe qui dispose de la meilleure résolution spatiale et de la meilleur précision sur l altitude. Toutes les opérations ont été effectuées avec le logiciel ENVI. Pour pouvoir comparer les MNT, il a d abord fallu les mettre dans la même géométrie ce qui passe par 2 étapes :

33 5.3 Comparaison des MNT 29 Réduire la zone d étude à la partie sommitale du volcan uniquement. Le recadrage se fait automatiquement entre images géoréférencées avec ENVI. Mettre tous les MNT à la même résolution spatiale : 10 mètres. Pour cela, il a fallu souséchantillonner les MNT SRTM, ASTER et SpotDEM et sur-échantillonner les MNT LPS et ENVI. Cela a permis d évaluer la qualité du géoréférencement des MNT : après le recadrage, ils étaient tous un peu décalés par rapport au SpotDEM. Le MNT ENVI était le plus mal géoréférencé avec un écart de 191 m vers l Est et de 14 m vers le Sud; tous les autres avaient un écart de moins de 30 mètres dans les 2 directions avec le MNT SpotDEM. La correction de ces écarts a été faite à la main en modifiant le géoréférencement dans les fichiers d en-tête.hdr des MNT. Par contre, il ne semble pas y avoir d erreur sur la taille indiquée des pixels. Une fois que tous les MNT ont été mis dans la même géométrie, la dernière étape consiste à les soustraire un par un au MNT SpotDEM grâce à l outil Band Math. On obtient les résultats suivants : Figure 5.5 Échelle des écarts entre MNT en mètres Figure 5.6 Différences entre le MNT SpotDEM et les MNT SRTM et ASTER On remarque que le MNT SRTM est tout à fait compatible avec le MNT SpotDEM : la moyenne de la différence entre les deux MNT est de 1,17 mètres et son écart-type de 10,38 mètres. Cela s explique en partie par le fait que des données SRTM aient été utilisées lors de la génération du SpotDEM. Les écarts sont logiquement concentrés sur les zones où le relief est le plus marqué (bord du cratères, lignes de crêtes et talwegs) où la différence de résolution native et l interpolation influencent l exactitude des valeurs. Le constat est moins bon pour le MNT ASTER : la moyenne des écart est de 10,25 mètres et l écart-type de 15,07 mètres. Bien qu il s agisse de la seconde version du MNT ASTER, il n a pas encore une qualité suffisante pour être plus intéressant que le SRTM sur la zone du volcan.

34 5.3 Comparaison des MNT 30 Figure 5.7 Différences entre le MNT SpotDEM et le MNT ENVI On voit bien que le MNT fait avec le module d extraction d ENVI est très insuffisant : écart moyen de 40,10 mètres avec SpotDEM et écart-type de 37,08 mètres. Toutefois, si l on effectue une translation de 40 mètres vers le haut au MNT ENVI, la carte des écarts est bien plus réaliste. En effet, la zone périphérique au cratère et le flanc Nord-Est du volcan sont des zones à faible pente et sans végétation, là où la corrélation automatique avait trouvé le plus de points. Le risque d erreur était donc plus faible que dans les autres zones. Figure 5.8 Différences entre le MNT SpotDEM et les MNT LPS Au contraire du MNT ENVI qui présente de grosses disparités, l écart entre les MNT LPS et SpotDEM est bien plus homogène : l écart-type est de 10,67 mètres (soit presque aussi bien qu avec le MNT SRTM). Mais il souffre du même problème au niveau de la moyenne : 41,30 mètres. Pour corriger cela, j ai augmenté l altitude du MNT LPS de 41 mètres. Le résultat obtenu est bien plus cohérent avec le travail de restitution photogrammétrique sous LPS : il

35 5.3 Comparaison des MNT 31 n y avait pas 41 mètres d écart entre le couple d images et les points saisis manuellement ou automatiquement. J en conclus que l erreur moyenne de 40 mètres avec le MNT ENVI et de 41 mètres avec le MNT LPS est uniquement due à l absence de points de contrôle au sol. Cela aurait pour conséquence un moins bon géoréférencement, principalement en altitude, car calculé uniquement à partir des fichiers d orbites des satellites. Par contre, je n explique pas le fait que le MNT LPS n ait pas souffert des mêmes problèmes de géoréférencement en latitude et longitude que le MNT ENVI, si ce n est un moins bon support des orbites des satellites de la part du module d extraction de MNT d ENVI. Pour conclure, le meilleur MNT actuellement à disposition est, a priori, le SpotDEM. En effet, il dispose à la fois d une meilleure résolution spatiale et d une meilleure précision altimétrique relative que les MNT ASTER et SRTM. Il reste toutefois limité par sa résolution native de 20 m qui empêche de profiter pleinement de la haute résolution des images Spotlight. On est donc contraint à sous-échantillonner 16 fois l image radar pour avoir un interférogramme. Le MNT SRTM, même ré-échantillonné, est un choix tout à fait valide pour l étude du volcan El Chichon. Par contre, le MNT ASTER ne soutient pas la comparaison avec le MNT SRTM même s il dispose nativement d une meilleure résolution spatiale. Le MNT LPS est le plus prometteur, il faudrait toutefois l améliorer sur 2 points avant de pouvoir le considérer comme utilisable : Utiliser des points de référence pour bénéficier d un meilleur géoréférencement, principalement pour l altitude. Améliorer et corriger manuellement le MNT sur une zone plus grande que l actuelle (uniquement la zone sommitale du volcan). On disposerait alors d un MNT de meilleure qualité et de meilleure résolution spatiale que le MNT SpotDEM. Cette conclusion demande toutefois à être confirmée par la pratique en générant et comparant des interférogrammes de mêmes couples d images mais avec un MNT différent.

36 Chapitre 6 Calcul des interférogrammes DINSAR 6.1 Choix des couples interférométriques Afin de voir si l on peut mesurer des déformations sur El Chichon avec des images CSK Spotlight, des couples particuliers d images ont été choisis. À partir des tableaux de baseline (voir Annexe 1 et 2), les couples correspondant aux critères suivants ont été sélectionnés : baseline temporelle supérieure à 100 jours. Les déformations étant faibles a priori, si on veux avoir un signal visible de déformation il faut faire un interférogramme à partir d images espacées dans le temps. baseline perpendiculaire inférieure à 100 mètres. La baseline perpendiculaire ne doit pas être trop grande pour que, même en cas d erreur de MNT, il ne soit pas généré de franges topographiques; ce qui perturberait le signal de déformation. Parmi les résultats obtenus, les couples qui avaient une baseline temporelle semblable (la plus grande possible) ont été sélectionnés. Aucune image n a été sélectionnée plus d une fois. L indépendance entre les couples permet à chaque image d avoir la même contribution lors du calcul de la vitesse linéaire de déplacement et ainsi de ne pas biaiser le résultat Images ascendantes B temp : baseline temporelle [jours] B perp : baseline perpendiculaire [mètres] Ha : altitude d ambiguïté [mètres] Image maîtresse Image esclave B temp B perp Ha 10/09/ /10/ /10/ /09/ /11/ /09/ /12/ /08/ /01/ /08/

37 6.2 Retrait de l erreur de phase atmosphérique 33 Figure 6.1 Les 5 couples ascendants choisis Images descendantes Image maîtresse Image esclave B temp B perp Ha 12/09/ /09/ /10/ /10/ /10/ /09/ /12/ /11/ /01/ /10/ Figure 6.2 Les 5 couples descendants choisis 6.2 Retrait de l erreur de phase atmosphérique Atmosphère stratifiée Les satellites étant en orbite autour de la planète, le signal radar doit traverser l atmosphère avant d atteindre le sol. Le signal se déplace alors plus lentement que dans le vide ce qui engendre un retard : le délai atmosphérique. Les conditions atmosphériques changeant en permanence, le retard du signal change d autant. Lors de la génération d un interférogramme, il y a peu de chance que les 2 images aient été acquises dans des conditions atmosphérique identiques. La modélisation de l atmosphère est une chose complexe, principalement due à l impossibilité d avoir des informations sur sa composition avec une bonne résolution spatiale et temporelle. Par conséquent, pour retirer les franges atmosphériques on utilise un modèle simple qui nous donne le retard atmosphérique en fonction de l altitude à partir du taux d humidité de l atmosphère.

38 6.2 Retrait de l erreur de phase atmosphérique 34 Le calcul du délai atmosphérique pour chacune des images se fait en suivant la méthode proposée par [Doin et al., 2009]. On obtient donc un modèle d erreur où la phase atmosphérique est entièrement corrélée à la topographie de la zone observée. La présence de franges fortement liées à la topographie est un indice de la présence d un retard atmosphérique. Mais il faut toutefois faire attention lorsque l on retire ces franges car les déformations d un volcan sont le plus souvent centrées sur lui même et épousent aussi les formes topographiques. Pour distinguer les franges dues à l atmosphère et les franges dues aux déformations, une première étape est de calculer la somme des franges et de voir si une telle déformation est possible et cohérente avec les mesures prises sur le terrain. Nous avons utilisé des données atmosphériques 1 sur les 4 points les plus proches du volcan El Chichon. Ces données ont été traitées avec la chaine de traitement NSBAS afin d obtenir le délai atmosphérique en fonction de l altitude pour chacun de ces points. J ai ensuite été chargé de faire des scripts permettant pour chaque image de : 1. Calculer les délais au niveau du volcan par interpolation bilinéaire. 2. Générer une image de retard atmosphérique de la phase à partir du MNT en géométrie radar. 3. Soustraire cette image de phase à l interférogramme déroulé. Il faut faire attention au résultat obtenu car le modèle atmosphérique employé est simple et les données météo utilisées sont interpolées. Généralement une amélioration de l interférogramme est constatée : les franges topographiques disparaissent (voir figure 6.3). Mais dans dans certains cas, l interférogramme non corrigé semble correct et la correction atmosphérique ajoute des franges topographiques (voir figure 6.4). La modélisation du délais atmosphérique présente donc des limites. La soustraction de ce modèle à l interférogramme est donc à prendre au cas par cas. Figure 6.3 Couple descendant (06/10/ /26/2011), Ha = 99 m. L interférogramme avec délais atmosphérique (à droite) et sans (à gauche). 1. tirée du modèle météorologique global ERAInterim (modèle de ré-estimation météorologique mondiale) de l ECMWF pour une prévision atmosphérique à moyen terme (Jolivet et al 2011)

39 6.3 Résumé des choix effectués 35 Figure 6.4 Couple ascendant (16/01/ /08/2011), Ha = 3601 m. L interférogramme avec délais atmosphérique (à droite) et sans (à gauche) Atmosphère turbulente et bruit Afin de réduire le bruit sur les interférogrammes (en particulier celui induit par la contribution de l atmosphère turbulente), le script Vincent sortie.pl a été écrit. Il permet, par moindres carrés, de calculer la vitesse de déplacement des déformations. L hypothèse a été faite que cette dernière est constante dans le temps, d après les déplacement linéaires observés par distancemétrie sur le terrain [Vázquez et al., 2010]. Pour ce faire, un stack est créé à partir d une série de couples à laquelle on applique la formule suivante : V = ni=1 Φ i t i ni=1 t 2 i avec V : vitesse du déplacement [radians/jours] φ : phase du couple i [radians] t : temps entre les 2 images du couple i [jours] n : nombre d images dans le stack Onobtientalorslavitessededéformationmoyenneparjoursurlevolcandanslalignedevisée du satellite. Ainsi une valeur positive indique une élévation du terrain et/ou son rapprochement vers le satellite dans le plan horizontal et, inversement, une valeur négative une subsidence du terrain ou son éloignement à l opposé du satellite dans le plan horizontal. 6.3 Résumé des choix effectués Tous les interférogrammes ont été faits sur les images sous-échantillonnées 16 fois pour plusieurs raisons : Les variations de phase sont plus visibles, car avec ROI PAC la phase d un pixel est moyennée avec celle de ses voisins lors du ré-échantillonnage. Il s agit du multilooking. Les pixels des images font alors environ 6 mètres en distance et 11 mètres en azimut ce qui facilite le recalage avec le MNT. Gain de temps à la fois sur le processus de ROI PAC et sur les scripts.

40 6.4 À propos des MNT utilisés 36 Des tests ont été effectués avec des images ré-échantillonnées 4 fois, mais aucun avantage n a pu être mis en évidence. Les difficultés à recaler le MNT avec l interférogramme sont accrues. La résolution spatiale augmente ce qui permet en théorie de mieux visualiser l évolution de la phase. Mais cet avantage est contrebalancé par le rapport signal sur bruit qui devient plus petit et au final il est plus aisé de voir les variations de phase sur un interférogramme ré-échantillonné 16 fois. Le recadrage des images a été fait de manière à obtenir une image de 1000 pixels par 1000 pixels. Le référencement le phase se fait sur le pixel de la ligne 500 et de la colonne 500 des images recadrées, soit dans le cratère, pour avoir une déformation centrée sur le volcan. On choisit donc arbitrairement une zone de déplacement nul dans le cratère. 6.4 À propos des MNT utilisés La première génération d interférogrammes a été générée en utilisant le MNT SRTM rééchantillonné 10 fois (pixel de 10 mètres par 10 mètres). À chaque fois il faut recaler le MNT et l interférogramme à la main et, lors de la corrélation des deux, être moins restrictif sur la qualité des points. La seconde génération d interférogrammes a été générée en utilisant le MNT ASTER rééchantillonné 3 fois (pixel de 10 mètres par 10 mètres). Il faut souvent recaler le MNT et l interférogramme à la main et ne pas être trop restrictif lors de la corrélation, mais moins qu avec le MNT SRTM. La troisième génération d interférogrammes, celle utilisée pour le rapport, a été générée avec le MNT SRTM ré-échantillonné 5 fois (pixel de 4 mètres par 4 mètres). Il faut encore parfois le recaler à la main mais il n est plus nécessaire de changer les restrictions par défaut sur la qualité de la corrélation; dans les autres cas le recalage se déroule de façon automatique sans difficulté particulière. La quatrième génération d interférogrammes, qui devait utiliser le MNT LPS, n a pas été générée faute de temps. La cinquième génération d interférogrammes, qui devait utiliser le MNT fait à partir des interférogrammes, n a pas été générée suite à l échec pour obtenir le MNT. Figure 6.5 Couple ascendant à 1 jour (12/08/ /08/2011), Ha = 27 m. On trouve, de gauche à droite, les générations suivantes : la première, la seconde et la troisième.

41 6.4 À propos des MNT utilisés 37 Afin d évaluer la qualité des MNT utilisés, les interférogrammes des trois premières générations ont été comparés. La comparaison a été faite sur des couples à un jour pour avoir la meilleure cohérence possible sur une grande zone. On peut évaluer la qualité des générations d interférogramme suivant leur aspect. Sur la figure 6.5, l interférogramme de troisième génération est le plus lisse des trois, vient ensuite celui de première génération et enfin celui de seconde génération. Ce côté lisse est important car il indique que la phase est peu liée au relief. Figure 6.6 Couple descendant à 1 jour (23/09/ /09/2011), Ha = 233 m. On trouve, de gauche à droite, les générations suivantes : la première, la seconde et la troisième. Dans ce cas les différences entre les 3 générations sont minimes. L altitude d ambiguïté étant importante, seule une très grande différence entre MNT serait visible, or ce n est pas le cas. En conclusion, la qualité du MNT n est pas vraiment un facteur limitant pour la génération d interférogrammes DinSAR tant que les couples ont une grande baseline perpendiculaire (et une petite altitude d ambiguïté). Cependant il faut garder à l esprit que la difficulté à recaler un MNT de basse résolution avec l interférogramme est un problème important. La troisième génération d interférogramme est celle qui présente la meilleure qualité, cela étant directement lié à la bonne qualité du MNT SpotDEM : meilleure résolution spatiale et bonne précision de l altitude. Ce résultat est cohérent avec ceux énoncés dans la section Comparaison des MNT.

42 Chapitre 7 Analyse des résultats 7.1 Analyse des coupes Seuls des interférogrammes de troisième génération sont utilisés dans ce chapitre. Les ascendants sont visibles en annexe 3 et les descendants en annexe 4. L analyse par coupes permet de comparer plus facilement l évolution de la phase des images les unes par rapport aux autres. Les coupes nord-sud 690 et ouest-est 450 ont été retenues parce-qu une déformation intéressante, la bosse, avait été relevée à leur intersection lors d une précédente analyse. Une 3ème coupe, nord-sud 550, qui passe au centre du cratère, a également été choisie. Figure 7.1 Localisation des coupes sur les images recadrées. Le nord est en haut et l est à droite. Une courbe de niveau représente 20 mètres.

43 7.1 Analyse des coupes 39 Figure 7.2 Coupe Nord-Sud 690 des images ascendantes choisies Figure 7.3 Coupe Nord-Sud 690 des images descendantes choisies Au niveau de la coupe Nord-Sud 690, pour les images ascendantes, on remarque que les courbes sont bien corrélées entre elles sur le flanc Sud du volcan mais moins pour le cratère. La phase du couple ne semble pas s être bien déroulée. Pour les images descendantes, les courbes sont corrélées entre elles au niveau de l aspect mais il y a des variations importantes dans leur amplitude. On remarque notamment que la bosse visible sur les interférogrammes est bien présente sur le graphique pour chacune des courbes aux alentours de l axe Ouest-Est 450. Sur les deux graphiques, les courbes ne semblent pas corrélées à la topographie. Globalement, pour chacun des couples la phase tend à former une droite qui diminue plus on va vers le Sud.

44 7.1 Analyse des coupes 40 Figure 7.4 Coupe Nord-Sud 550 des images ascendantes choisies Figure 7.5 Coupe Nord-Sud 550 des images descendantes choisies Pour la coupe Nord-Sud 550, qui passe au centre du cratère, les courbes ascendantes sont fortement corrélées entre elles, y compris pour le couple qui posait un problème de déroulement de la phase sur l axe Nord-Sud 690. On remarque aussi qu elles sont un peu corrélées à la topographie, sauf pour la partie centrale du cratère. Cette anomalie doit être due au lac où la cohérence est faible et qui est plus ou moins rempli suivant la période de l année. Les courbes descendantes sont moins corrélées entre elles que les courbes ascendantes mais elles partagent la même anomalie au niveau du lac dans le cratère. De même que pour l axe Nord-Sud 690 la phase tend à diminuer lorsque l on va vers le Sud, pour les couples ascendants comme descendants.

45 7.1 Analyse des coupes 41 Figure 7.6 Coupe Ouest-Est 450 des images ascendantes choisies Figure 7.7 Coupe Ouest-Est 450 des images descendantes choisies Sur l axe Ouest-Est 450, les courbes descendantes sont corrélées entre elles. C est aussi le cas des courbes descendantes, sauf pour le couple qui se différencie des autres par sa phase qui continue d augmenter après le bord Est du cratère, alors que pour les autres la phase diminue. Au contraire des deux coupes Nord-Sud, les courbes des images ascendantes et celles des images descendantes sont anti-corrélées. La phase diminue lorsque l on va vers l Est pour les images ascendantes alors qu elle augmente puis diminue avec un pic aux alentours de l axe Nord-Sud 690 pour les images descendantes. En conclusion, à deux exceptions près, la phase se comporte de façon similaire pour les couples d images sachant qu ils sont indépendants les uns des autres. Le choix de ces couples est

46 7.2 Analyse des stacks 42 donc validé pour la prochaine étape. 7.2 Analyse des stacks Figure 7.8 Stack ascendant (à gauche) et descendant (à droite). Le Nord est en haut et l Est à droite. Une frange représente 1 cm/an. Trois informations sont affichées sur ces images. La première, la plus importante est la valeur du déplacement, représenté par les franges de couleurs. La seconde est le nombre d images ayant contribué aux résultats, représenté par une zone plus claire pour les zones avec plus d images. La troisième est une image ombrée du MNT, pour avoir une meilleure vision des zones de déformation. Les franges des interférogrammes ne semblent pas corrélées à la topographie. On voit bien la bosse sur le stack des images descendantes. Par contre, dans la même zone les artefacts n ont pas totalement disparus sur le stack des images ascendantes.

47 7.2 Analyse des stacks 43 Figure 7.9 Coupe Nord-Sud 690 des stacks Les deux courbes sont semblables si ce n est un décalage d environ + 1 cm/an pour la courbe descendante. La bosse est bien visible sur la coupe DR mais pas sur la coupe AR. Figure 7.10 Coupe Nord-Sud 550 des stacks Comme pour l axe Nord-Sud 690, les deux courbes ont la même attitude, il y a juste une translation de 2 cm/an entre les deux. La vitesse de déformation est positive au nord, puis diminue progressivement pour devenir de plus en plus négative lorsque l on va vers le Sud.

48 7.3 Calcul des composantes verticale et horizontale du déplacement 44 Figure 7.11 Coupe Ouest-Est 450 des stacks Comme cela avait été remarqué dans la section précédente, les deux courbes de déformation ne suivent pas la même tendance. La déformation est nulle sur la partie Ouest du cratère pour les images ascendantes comme descendantes. La déformation observée par les satellites descendants est toujours positive : elle augmente rapidement du centre du cratère jusqu à la bosse sur le bord Est du cratère avant de diminuer plus doucement. Au contraire la déformation mesurée par les satellites ascendants est toujours négative et diminue en allant vers l Est. Cette différence peut s expliquer par une déformation horizontale d axe Ouest-Est : les satellites descendants observent un raccourcissement de la distance alors que les ascendants observent une élongation. 7.3 Calcul des composantes verticale et horizontale du déplacement Un satellite mesure un déplacement dans son axe de visée. On ne peut donc pas directement comparer les résultats obtenus entre les images ascendantes et les images descendantes car leur angle de visée n est pas le même. De plus, analyser le déplacement suivant un axe oblique n est pas évident, c est pourquoi il est mieux de la décomposer en 2 parties : la composante verticale et la composante horizontale. On considère que les satellites se déplacent suivant un axe Nord-Sud, et donc que le déplacement est mesuré uniquement sur l axe Ouest-Est pour la composante horizontale. En pratique, les satellites sont inclinés sur leur orbite et donc leur axe de visée n est pas dans le même plan. Par conséquent, il faudrait disposer d une troisième image de déformation (acquise suivant un axe de visée différent des deux autres) pour connaître le déplacement suivant les trois composantes : haut-bas, Nord-Sud et Ouest-Est.

49 7.3 Calcul des composantes verticale et horizontale du déplacement 45 Figure 7.12 Représentation du déplacement et de ses composantes, si l on considère que les deux axes de visée des satellites sont dans le même plan. θ AR : angle d incidence des images ascendantes [degrés] θ DR : angle d incidence des images descendantes [degrés] D AR : déplacement mesuré par les images ascendantes [cm/an] D DR : déplacement mesuré par les images descendantes [cm/an] D : déplacement réel du point [cm/an] Les valeurs de déplacement sont inversées car, vu du satellite, un raccourcissement est une valeur négative, mais vu du point au sol, c est une valeur positive. De même, vu du satellite, un éloignement est une valeur positive, mais vu du point au sol, c est une valeur négative. Pour trouver les composantes verticales et horizontales d après la figure 7.12, j ai choisi d utiliser une approche topographique. Pour cela on considére le système de coordonnées suivant: L axe vertical donne la composante verticale du déplacement. Les valeurs sont positives vers le haut. L axe horizontal donne la composante horizontale du déplacement. Les valeurs sont positives vers la droite. Les angles, appelés gisements en topographie, sont mesurés à partir de l axe vertical selon le sens horaire Le point origine est le point au sol. Il a donc les coordonnées suivantes (0;0) Les coordonnées d un point à l intersection de deux droites peuvent être obtenues grâce à une formule utilisée en topographie. Pour cela il faut connaître les coordonnées d un point de chaque droite ainsi que le gisement de chaque droite. Dans notre cas, pour obtenir le déplacement D, il suffit de faire l intersection des deux droites perpendiculaires aux vecteurs de déplacement D AR et D DR. Lapremièreétapeconsistedoncàtrouverlescoordonnées(H i,v i )desextrémitésdesvecteurs de déplacement D AR et D DR. Pour cela on effectue un passage de coordonnées polaires à coordonnées cartésiennes avec les formules suivantes : VAR = ( D AR ) cos( θ AR ) H AR = ( D AR ) sin( θ AR )

50 7.3 Calcul des composantes verticale et horizontale du déplacement 46 VDR = ( D DR ) cosθ DR H DR = ( D DR ) sinθ DR La deuxième étape consiste à calculer les composantes du déplacement D. Elles sont obtenues directement grâce la formule suivante : avec : V = VAR + ((H DR H AR ) (V DR V AR ) tan(θ DR +90)) tan( θ AR +90) tan(θ DR +90) H = H AR +(V V AR ) tan( θ AR +90) ( θ AR +90) : gisement de la droite perpendiculaire au déplacement D AR [degrés] (θ DR +90) : gisement de la droite perpendiculaire au déplacement D DR [degrés] Ces formules sont appliquées à l ensemble des deux stacks ascendante et descendante avec Vincent composantes.pl. On obtient une image du déplacement dans le plan horizontal et une image du déplacement dans le plan vertical. Figure 7.13 Cartes de la déformation : composante horizontale à gauche et composante verticale à droite. Le Nord est en haut et l Est à droite. Une frange représente 1 cm/an.

51 7.3 Calcul des composantes verticale et horizontale du déplacement 47 Figure 7.14 Coupe Nord-Sud 690 des composantes de la déformation. Sur la composante verticale, une valeur positive indique un déplacement vers le haut. Sur la composante horizontale, une valeur positive indique un déplacement vers l Est. Figure 7.15 Coupe Nord-Sud 550 des composantes de la déformation. Sur la composante verticale, une valeur positive indique un déplacement vers le haut. Sur la composante horizontale, une valeur positive indique un déplacement vers l Est.

52 7.4 Correspondance avec les déformations mesurées sur le terrain 48 Figure 7.16 Coupe Ouest-Est 450 des composantes de la déformation. Sur la composante verticale, une valeur positive indique un déplacement vers le haut. Sur la composante horizontale, une valeur positive indique un déplacement vers l Est. Sur les axes Nord-Sud : plus on va vers le sud, plus les déplacements vers le haut sont importants. Au contraire, le déplacement horizontal reste plus ou moins stable (comme cela se voit sur la figure 7.13). Les courbes ne semblent pas corrélées à la topographie. Sur la coupe NS690, au centre on distingue un pic de déplacement vers le bas, même si l effet est sans doute accentué par les sauts de phase (sans doute des erreurs) plus au Nord. Sur l axe Ouest-Est : si l on exclut les sauts au niveau du lac et aux extrémités des courbes, le pic de déformation vers le bas est aussi bien visible. Il est situé sur le bord Est du cratère. Dans le même temps, plus on va vers l Est, plus le déplacement vers l Ouest est important. Les courbes ne semblent pas corrélées à la topographie. On peut en déduire que la déformation visible sur les interférogrammes descendants, sur le bord Est du cratère, est en fait une zone d affaissement qui se déplace vers l Ouest. 7.4 Correspondance avec les déformations mesurées sur le terrain Chaque année une équipe du CENAPRED (Centre mexicain de prévention des désastres) effectue une campagne de mesures sur le volcan El Chichon. Nous disposons d un de leurs rapports, datant de juin 2010, dans lequel sont indiqués les résultats des déformations sur la période [Vázquez et al., 2010]. Des mesures de distances ont été faites entre une station, située sur le bord Est du cratère, et 5 cibles, situées dans le cratère à l opposé. La pression atmosphérique, la température et l humidité de l air ont été mesurées au niveau de la station afin de corriger les mesures de distances. Pour chacun des points 2, 3 et 4, on constate une diminution de la distance avec la station d environ 1 cm par an. Les résultats des points 1 et 5 ne sont pas indiqués.

53 7.4 Correspondance avec les déformations mesurées sur le terrain 49 Figure 7.17 Localisation des points mesurés (en blanc) et de la station (en rouge). La qualité de leur positionnement absolu est tributaire de la numérisation de leurs coordonnées à partir d un plan basse résolution. Il s agit maintenant de savoir si les mesures terrain sont cohérentes avec les résultats obtenus avec les interférogrammes. Pour cela, on calcule la réduction de distance entre la station et le point 3 engendrée par les déplacements verticaux et horizontaux obtenus. La localisation de la station et des points mesurés n étant pas connue précisément, les paramètres suivants ont été déterminés de manière très approximative 1 à l aide du SpotDEM et des images des composantes du déplacement : Distance horizontale Di h : 800 mètres (à ± 100 mètres). Distance verticale Di v : 150 mètres (à ± 25 mètres) Déplacement horizontal De h : +2,2 cm sur un an (à ± 5 mm). Le point 3 se déplace vers l Est et/ou la station se déplace vers l Ouest. Déplacement vertical De v : +2,1 cm sur un an (à ± 5 mm). Le point 3 se déplace vers le haut et/ou la station se déplace vers le bas. Sur un an, l écart entre les distances mesurées entre la station et le point 3 avant et après déplacement est calculé de la manière suivante : ΔDist = Dist apres Dist avant ΔDist = (Di h De h ) 2 +(Di v De v ) 2 Di 2 v +Di 2 v ΔDist = 799, , ΔDist = 0,025m Si l on considère que les distances sont exactes, l incertitude induite par les déplacements est calculée comme suit : dδdist(de h,de v ) = ddist apres (De h,de v ) ddist avant (De h,de v ) dδdist(de h,de v ) = ddist apres (De h,de v ) 2 (Di dδdist(de h,de v ) = h De h ) dde 2 (Di 2 (Di h De h ) 2 +(Di v De v) 2 h + v De v) dde 2 (Di h De h ) 2 +(Di v De v) 2 v 799,978 dδdist(de h,de v ) = 0, ,979 0, , , , ,979 2 dδdist(de h,de v ) = 0,006m 1. J ai volontairement décalé la station selon un axe Sud-Est pour qu elle soit située sur le bord du cratère. Les points mesurés ont subi la même translation.

54 7.4 Correspondance avec les déformations mesurées sur le terrain 50 Donc sur un an ΔDist = 2,5cm±6 mm. Ce résultat montre bien un raccourcissement de la distance entre la station et le point 3, ce qui concorde avec les mesures faites sur le terrain. La valeur est cependant plus importante (2,5 cm au lieu de 1 cm) mais il convient de relativiser son exactitude aux vues des incertitudes sur les paramètres. En effet la position des points et stations est très incertaine, ce qui influence les valeurs de déplacement lues entre les deux. De plus, seul 10 couples on été utilisé pour calculer ces déplacements, il faudrait en utiliser plus pour pouvoir confimer ce résultat.

55 Chapitre 8 Conclusion Ce stage doit être vu comme un test du potentiel des données Cosmo-Skymed Spotlight avec les différents outils actuellement à disposition. Il est maintenant possible de traiter les données CSK avec ROI PAC. On dispose d un MNT de bonne qualité et il est possible d en obtenir des meilleurs. On dispose d une cohérence suffisante avec les données CSK Spotlight sur El Chichon : sur tout le volcan à 1 jour pour faire des MNT par InSAR, sur la partie sommitale et le cratère à plus d un an d intervalle pour observer les déformations. Pour les déformations obtenues, il faudrait faire de nouveaux stacks avec plus de couples d images. Il serait alors possible de confirmer ou d infirmer la cohérence entre les mesures terrain et les mesures radar. Pour cela, il faudrait aussi se procurer les mesures terrain exactes et la position précise de la stations et des cibles. Sur l utilisation d images CSK Spotlight pour l étude de déformation du volcan El Chichon, deux remarques : la déformation étant de faible amplitude, le choix d un satellite en Bande-X est adapté. La faible végétation sur la partie sommitale du volcan permet de disposer d une cohérence suffisante et ce même à plus d une année d intervalle. le mode Spotlight ne se justifie pas forcément, sa résolution spatiale native est trop importante par rapport à celle des MNT dont on peut disposer actuellement. De plus, les dimensions importantes du volcan (cratère de 1 km de diamètre) et la nature des déformations à observer ne justifient pas de disposer d une information sur la phase tous les mètres. En effet, une telle résolution ne peut même pas être mise à profit pour le suivi des éboulements sur les pentes du cratère : les déformations sont bien supérieures à ce que permet l utilisation de la Bande-X et on perd donc de la cohérence. Mais il est généralement nécessaire de sous-échantillonner, via multilooking, les images pour mieux améliorer le signal de phase. Il paraît donc pertinent de les ré-échantillonner de manière à ce qu elles aient une résolution proche de 5 mètres, suffisante pour visualiser les déformations localisées. Il y aurait un gain sur le temps de calcul pour obtenir les interférogrammes, un gain sur l espace de stockage des données, et l utilisation du MNT LPS serait suffisante. Cependant, si l on souhaite quand même profiter de la résolution native du mode Spotlight, la solution serait de rendre opérationnels les scripts permettant d obtenir un MNT à partir des interférogrammes non corrigés de la topographie. Le MNT aurait alors une aussi bonne résolution que les images elles-mêmes, ce qui devrait faciliter son recalage avec les interférogrammes (l utilisation de MNT sur-échantillonnés posant souvent problème lors de cette étape). Une autre méthode serait de partir d un MNT de bonne résolution et de le corriger grâce à l interferometrie. Pour ce qui est des MNT, les meilleurs interférogrammes ont été obtenus en utilisant le SpotDEM. Une fois sur-échantillonné, il est suffisant pour être utilisé sur des images radar sous-échantillonnées 16 fois. Cependant le MNT LPS ne nécessite que quelques traitements supplémentaires (correction sur une zone plus grande) pour pouvoir être utilisable. Il disposerait à la fois d une meilleure

56 52 résolution spatiale et d une information plus récente (images Spot 5 datant de 2008 et 2011 alors que celle du Spotdem datent de 2003). À propos de l avenir de l InSAR, l ESA devrait mettre gratuitement à disposition les données radar de sa prochaine génération de satellites SAR : Sentinel-1. Ce sera une constellation de deux satellites opérant en bande-c. Ils auront un temps de revisite de 12 jours. Il y a aussi Alos-2 qui devrait être lancé en Mars C est un satellite unique en Bande-L de l Agence Spatiale Japonaise, avec un temps de revisite de 14 jours. Il serait intéressant que les différentes agences spatiales se concertent pour créer des standards sur le format des données radar qu ils fournissent. Actuellement, les modes d acquisition (Spotligth, Stripmap, ScanSAR) et les fréquences (Bande X, C ou L) sont communs aux différents satellites. Mais, à l opposé, les données sont fournies à l utilisateur sous format de fichiers différents selon les satellites. Cela complique, voire rend impossible, leur exploitation avec certains logiciels et rend difficile la comparaison des données et de leurs attributs. Pour finir, ce stage a été très formateur, principalement en InSAR mais aussi en géophysique, en photogrammétrie et en informatique. J ai ainsi acquis des bases solides, aussi bien théoriques que pratiques, sur le traitement des images radar et sur l interférométrie. Il aussi m a permis d entrer en contact avec Freysteinn Sigmundsson qui va superviser ma prochaine thèse en Islande, intitulée Measurements and modeling of Earth deformation in the Northern Volcanic Zone (NVZ) of Iceland, using InSAR and GPS.

57 Glossaire CSK : Cosmo-Skymed H5 : Format des fichiers CSK fournis AR : terme CSK désignant une image ascendante DR : terme CSK désignant une image descendante ESA : Agence spatiale européenne NASA : Agence spatiale américaine JAXA : Agence spatiale japonaise Les formats utilisés par ROI PAC : RAW : format d image brute SLC (Single Look Complex) : contient l image radar INT : contient une image Baseline temporelle : différence de temps entre l acquisition des deux images du couple. Baseline perpendiculaire : distance caractérisant l écart de position entre les 2 satellites. Squint : Angle formé par l écart entre la visée du satellite lors de l acquisition et la perpendiculaire à sa trajectoire.

58 Bibliographie [Atzori et al., 2009] Atzori, S., Ingrid, H., Marco, C., Stefano, S., Cristiano, T., Christian, B., Salvatore, S., Elisa, T., Andrea, A., and Enzo, B. (2009). Finite fault inversion of dinsar coseismic displacement of the 2009 l aquila earthquake (central italy). Geophysical Research Letters, 36. [CNES, ] CNES. Utilisation de spot5. [Doin et al., 2009] Doin, M. P., Lasserre, C., Peltzer, G., Cavalié, O., and Doubre, C. (2009). Corrections of stratified tropospheric delays in sar interferometry : Validation with global atmospheric models. Journal of Applied Geophysics, 69. [ERDAS, 2010] ERDAS (2010). LPS Terrain Editor User s Guide. [Ferretti et al., 2007] Ferretti, A., Monti-Guarnieri, A., Prati, C., Rocca, F., and Massonet, D. (2007). InSAR Principles : Guidelines for SAR Interferometry Processing and Interpretation. ESA Publications. [Froger et al., 2011] Froger, J.-L., Bato, M. G., Villeneuve, N., Souriot, T., Rabaute, T., Durand, P., Cayol, V., Di Muro, A., Staudacher, T., Fruneau, B., and Tinel, C. (2011). High-resolution interferometric monitoring of piton de la fournaise with terrasar-x and cosmo-skymed data. [Hanssen, 2001a] Hanssen, R. F. (2001a). Radar interferometry - Data interpretation and error analysis., volume 2. [Hanssen, 2001b] Hanssen, R. F. (2001b). Radar Interferometry : Data Interpretation and Error Analysis. Kluwer Academic Publishers. [HDF Group, ] HDF Group. Hdf5 documention. index.html. [Italian Space Agency, 2009a] Italian Space Agency (2009a). COSMO-SkyMed SAR Products Handbook. [Italian Space Agency, 2009b] Italian Space Agency (2009b). COSMO-SkyMed System Description & User Guide. [ITT Visual Information Solutions, 2009] ITT Visual Information Solutions (2009). DEM Extraction Module User s Guide. [Japan Space Systems, ] Japan Space Systems. Features of aster g-dem. jspacesystems.or.jp/ersdac/gdem/e/2.html. [Leica Geosystems, 2006] Leica Geosystems (2006). Leica Photgrammetry Suite Automatic Terrain Extraction. [Lhullier, ] Lhullier, S. Formation perl. [Massonet and Souyris, 2008] Massonet, D. and Souyris, J.-C. (2008). Imaging with synthetic aperture radar. EPFL Press. [Massonnet and Feigl, 1998] Massonnet, D. and Feigl, K. L. (1998). Radar interferometry and its application to changes in the earth s surface. Rev. Geophys. [Massonnet and Souyris, 2008] Massonnet, D. and Souyris, J. C. (2008). Imaging with synthetic aperture radar. EPFL-CRC Press.

59 BIBLIOGRAPHIE 55 [Nest, ] Nest. Nest documention. [Pinel, 2012] Pinel, V. (2012). Transport et stockage de magma : suivi par interférométrie radar satellitaire et modélisation. [ROI PAC, ] ROI PAC. Roi pac wiki. [Sigmundsson et al., 2010] Sigmundsson, F., Hreinsdottir, S., and Hooper, A. (2010). Intrusion triggering of the 2010 eyjafjallajokull explosive eruption. [Simonetto and Follin, 2009] Simonetto, E. and Follin, J.-M. (2009). An overview on interferometric sar software and a comparison between doris and sarscape packages. [Smithsonian Institution, ] Smithsonian Institution. Smithsonian institution - global volcanism program. [Vázquez et al., 2010] Vázquez, A. G., de la Cruz Reyna, S., and Soto, A. R. (2010). Monitoreo Geoquimico, Térmico y de Deformacion en el volcan Chichon. [Wadge et al., 2010] Wadge, G., Cole, P., Stinton, A., Komorowski, J.-C., Stewart, R., Toombs, A., and Legendre, Y. (2010). Rapid topographic change measured by high-resolution satellite radar at soufriere hills volcano, montserrat, Journal of Volcanology and Geothermal Research.

60 Annexes # Annexe 1 : Baseline perpendiculaire entre les différentes images ascendantes # Annexe 2 : Baseline perpendiculaire entre les différentes images descendantes # Annexe 3 : Interférogrammes ascendants corrigés de la topographie et de l atmosphère stratifiée # Annexe 4 : Interférogrammes descendants corrigés de la topographie et de l atmosphère stratifiée # Annexe 5 : Description de l ordre d utilisation les scripts pour traiter les images Cosmo- Skymed

61 AR 10/09/10 18/09/10 12/10/10 20/10/10 13/11/10 21/11/10 15/12/10 23/12/10 16/01/11 24/01/11 12/08/11 13/08/11 28/08/11 29/08/11 13/09/11 14/09/11 15/10/11 16/10/11 10/09/ /09/ /10/ /10/ /11/ /11/ /12/ /12/ /01/ /01/ /08/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/ /10/ /10/ Images ascendantes 1000 Baseline Perpendiculaire (m) /08/10 29/09/10 18/11/10 07/01/11 26/02/11 17/04/11 06/06/11 26/07/11 14/09/11 03/11/11 23/12/ Date Annexe 1: Baseline perpendiculaire entre les différentes images ascendantes

62 DR 04/09/10 12/09/10 06/10/10 14/10/10 07/11/10 15/11/10 09/12/10 17/12/10 10/01/11 18/01/11 22/08/11 23/08/11 23/09/11 24/09/11 25/10/11 26/10/11 26/11/11 27/11/11 04/09/ /09/ /10/ /10/ /11/ /11/ /12/ /12/ /01/ /01/ /08/ /08/ /09/ /09/ /10/ /10/ /11/ /11/ Images descendantes 1000 Baseline Perpendiculaire (m) /08/10 29/09/10 18/11/10 07/01/11 26/02/11 17/04/11 06/06/11 26/07/11 14/09/11 03/11/11 23/12/ Annexe 2: Baseline perpendiculaire entre les différentes images descendantes Date

63 Annexe 3: Interférogrammes ascendants corrigés de la topographie et de l'atmosphère stratifiée Les interférogrammes sont tous dans la même géomètre. Le Nord est en haut et l'est à droite. Une frange représente 2π. Couple 1: 10/09/ /10/2011

64 Couple 2: 12/10/ /09/2011 Couple 3: 21/11/ /09/2011

65 Couple 4: 15/12/ /08/2011 Couple 5: 01/16/ /08/2011

66 Annexe 4: Interférogrammes descendants corrigés de la topographie et de l'atmosphère stratifiée Les interférogrammes sont tous dans la même géomètre. Le Nord est en haut et l'est à droite. Une frange représente 2π. Couple 1: 12/09/ /09/2011

67 Couple 2: 06/10/ /10/2011 Couple 3: 14/10/ /09/2011

68 Couple 4: 09/12/ /11/2011 Couple 5: 18/01/ /10/2011

69 Annexe 5 : description de l'ordre d'utilisation les scripts pour traiter les images Cosmo-Skymed

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