Cette étude illustre les résultats d’une activité expérimentale basée sur des couples d’images ERS et ENVISAT, appliquée en Calabre (Italie du sud) pour la période 1998-2007. L’objectif de ce travail a été la détection de subsidences, de glissements de terrain et de l’évaluation des conditions du risque pour une zone stratégiquement très importante tel que la « Piana di Lamzia » avec l’utilisation de données dérivées de l’interféromètre SAR et leur intégration dans un SIG. Après avoir présenté les principes des techniques utilisées et l’illustration de certaines approches originales dans leur implémentation, on a montré quelques résultats de leurs applications. En particulier nous avons focalisé l’attention sur les zones urbaines et l’environnement des villes de Vibo Valentia et Lamezia Terme et sur le réseau des infrastructures présentes. Le travail a porté sur la standardisation d’une procédure opérationnelle avec l’intégration d’un logiciel expérimental. Les apports de la technique concernent à la fois la localisation, la caractérisation et la quantification des phénomènes affectant la surface topographique. L’ensemble des informations obtenues fournit des indications inédites et précieuses à la compréhension de certains phénomènes et à leur modélisation. Pour ce qui concerne l’apport direct de la technique au contrôle des infrastructures, elle semble résulter adaptée que pour une étude indirecte. Une analyse plus fine ne serait possible qu’avec l’utilisation de la technique des Permanent Scatterers / The work shows the experimental results based on ERS and ENVISAT data, developed in the central area of Calabria since 1998 up to 2007 (Envisat).The objective is to use SAR derived elevation data to improve subsidence prediction, landslides, earth motion and damage assessment for a important regional area such as "Piana of Lamezia". After a synthetic presentation of the technique and the illustration of an original approaches in it implementation, we have showed the thematic results. In particular, we have dealt with the urban areas of Vibo Valentia and Lamezia Terme cities, their surroundings, and the network of infrastructures. Works carried to the standardization of an operational procedure with the integration of experimental software. The contributions of the technique relate at the same time the localization, characterization and quantification of the phenomena affecting topographic surface. The obtained information provides new and important indications to the comprehension of different phenomena and their modelling. Concerning the direct contribution of the DInSAR technique to the control of the infrastructures it seems to still result adapts for a indirect study. Currently, not being completely operative new satellites SAR with metric and sub-metric resolution, a finer analysis would be possible only with the use of the Permanent Scatterers technique

Dans ce travail, nous proposons de localiser, caractériser et quantifier les déformations topographiques en liaison avec le contexte sismo-tectonique, sans exclure les actions anthropiques, de l’Atlas méridional de la Tunisie. L’analyse sismo-tectonique et le calcul des paramètres morphométriques du relief nous ont permis de distinguer les structures (eg., J. Ben Younes, J Bou Ramli, J. Orbata) qui ont subi préalablement des déformations récentes dues principalement à la réactivation des failles, essentiellement la faille de Gafsa. Dans un autre volet, l’analyse et le traitement de 17 images radar (ERS 1 et 2) couvrant l’Atlas méridional de la Tunisie, grâce à l'interférométrie différentielle (DInSAR), n’a pas révélé des déplacements topographiques liés au contexte géodynamique. Par contre, cette technique nous a permis de déterminer une subsidence locale dans la région de Moulares, que nous interprétons comme une conséquence de l'exploitation des mines souterraines de phosphates. Enfin, la compilation des résultats des différentes analyses nous a permis de suggérer l’établissement d’un réseau GPS de surveillance géodynamique dans la zone d’étude, afin de mieux quantifier la déformation dans la région et à préciser la cartographie sismique et enfin à mieux évaluer l’aléa sismique / In this work, we propose to locate, characterize and quantify the topographic deformations linked to the seismotectonic context, including anthropogenic actions of the southern Atlas of Tunisia. The seismotectonic analyses and the calculation of Landscape morphometric parameters enabled us to distinguish the structures of J. Ben Younes, J Bou Ramli and J. Orbata, , which have experienced recent deformations caused principally by the reactivation of faults, essentially the fault of Gafsa. In another part, the analyses and treatment of 17 radar images (ERS 1 and 2) covering the southern Atlas of Tunisia, using the differential interferometric method (DInSAR), have showed no active neotectonic displacement (associated with topographic geodynamic context). Neverheless, this technique allowed us to determine local subsidence in the region of Moulares, which is interpreted as a consequence of underground mining exploration of phosphates. Finally, the compilation of results of different tests allowed us to suggest the establishment of a monitoring geodynamic GPS network in the study area to better quantify the deformation in the southern Tunisia and to clarify the active faults and the seismic mapping in order to better assess seismic hazard

Ground subsidence is today very common. It can occur due to man-made or natural causes. Today, it is most common that subsidence occurs in urban areas, and there the causes are almost exclusively man-made, including groundwater extraction, construction under or above ground. This can lead to damage of buildings or other constructions and lead to large costs for reparation. To avoid this, subsidence must be detected in an early stage. Therefore, this thesis work will study the most effective way to detect and measure subsidence using dInSAR, GNSS and levelling. The thesis work will contain a literature study, a compilation of cases comparing the methods and a quantitative comparison of data, called case Stockholm. The main focus of case Stockholm is to compare the RMS error for the datasets and to determine how well the linear regression of the datasets cohere. The literature study and the case compilation presents the strengths and weaknesses of the different methods, where dInSAR’s strength is the ability to measure large areas at once while the weakness is the inability to detect small movements within a large movement. The possibility to measure individual points of interest is the strength of both GNSS and levelling, where the most time-consuming method, levelling, also has the highest accuracy. In case Stockholm, the linear regression for dInSAR mostly follows the linear regression for GNSS and levelling. However, irregular levelling measurements that do not follow the general ground subsidence is missed by dInSAR and the amplitude of the dInSAR measurements differ from both GNSS and levelling measurements. This confirms the strengths and weaknesses mentioned in the literature study. The conclusion that can be drawn from this is that the most effective way of using dInSAR, GNSS and levelling is to first screen large areas for any movement using dInSAR. Later only the areas that display movement of any sort is measured with either GNSS or levelling depending on demands on accuracy. / Sättningar i mark är något som idag är väldigt vanligt. De sker antingen av naturliga orsaker eller skapas av människans påverkan på marken. Idag är den vanligaste förekomsten av sättningar i eller i närheten av stora städer där upptagning av grundvatten samt konstruktion ovan och under mark påverkar marken i så stor utsträckning att skador på byggnader och konstruktioner kan uppstå. För att undvika stora reparationskostnader så är det nödvändigt att upptäcka sättningarna i ett så tidigt skede som möjligt. Denna studie kommer därför behandla möjligheten att på ett så effektivt sätt som möjligt upptäcka och mäta sättningar med hjälp av dInSAR, GNSS och avvägning. Detta kommer göras genom en litteraturstudie, en sammanställning av andra praktiska fall där de tidigare nämnda metoderna jämförts med varandra samt en kvantitativ jämförelse av data över Stockholm. I den kvantitativa jämförelsen kommer vikten ligga på att jämföra metoderna baserat på RMS fel samt hur väl de linjära approximationerna följer varandra för de olika metoderna. Litteraturstudien tillsammans med sammanställningen av de praktiska fallen ger en bred bild av metodernas styrkor och svagheter, där dInSARs styrka ligger i förmågan att läsa av stora områden men dess svaghet är att små individuella rörelser inom en stor rörelse inte kan fångas upp. Styrkan för GNSS och avvägning är punktinmätning, där avvägning har den högsta noggrannheten, men också är mest tidskrävande. Den kvantitativa jämförelsen av data bekräftar styrkorna och svagheterna för metoderna då det var tydligt att dInSAR till största del fångar upp samma markrörelse som både GNSS och avvägning. Det som skiljer dInSAR från GNSS och avvägning är amplituden av mätningarna samt det faktum att vissa avvägda mätningar som visar en annan rörelse än den generella inte fångas upp av dInSAR. Slutsatsen som kan dras från detta är att det mest effektiva sätt att upptäcka och mäta sättningar är att till en början grovt granska stora områden för eventuell rörelse med användning av dInSAR och att sedan, där rörelse uppmäts, göra noggrannare punktmätningar med antingen GNSS eller avvägning, beroende på önskad noggrannhet.

La sécheresse géotechnique est à l'origine de nombreux désordres urbains dans la régio n d'Ile-de-France. La présence d'argiles continentales Eocène-Oligocène aux propriétés gonflantes parmi les dépôts actuels les plus récents de la série géologique du Bassin Parisien entraîne, sous l'influence des contrastes climatiques liés à des évènements climatiques « extrêmes » (alternances sécheresse et période humide) des variations importantes du volume des sols. Les variations sont susceptibles d'induire des déplacements de la surface du sol qui affecte le bâti. Deux méthodes d'interférométrie radar y sont appliquées afin de suivre ces déplacements relatifs au cours du temps : si la méthode différentielle (DINSAR), qui permet de mesurer les déplacements de la surface du sol à partir de deux images radar acquises à des dates différentes se révèle peu performante sur l'Est du Bassin de Paris devant la faible cohérence de l'habitat pavillonnaire individuel, la seconde méthode, la technique de suivi des réflecteurs permanents, appelé Persistant Scatterer Interferometry ( PSI) permet de décrire précisément dans le temps les déplacements absolus de points à forte rétrodiffusion radar par la localisation, la caractérisation et la quantification des déplacements de la surface du sol à partir d'un grand nombre d'images radar à ouverture de synthèse (RSO). Des déformations liées au RGA observées sur les profils de pavillons sinistrés ont été mise en évidence et corrélé avec les périodes de sécheresse. Cette méthode présente un fort potentiel pour l'étude du risque naturel sécheresse géotechnique tout particulièrement sur l'Est du Bassin de Paris affecté lors des dernières périodes de sécheresses dans un contexte de changement climatique mondiale / Swelling soils may induce, under various climatic conditions such as drought or humid periods, surface displacements that affect small houses and buildings. The aim of this PhD work is to monitor through new interferometric methods those small displacements. Radar differential interferometry (DINSAR) method which enables one to map surface displacements from two radar images acquired on a specific area gives poor results in the east of the Paris Basin highly affected by the dryness hazards. It contrasts with Persistent Scatterer Interferometry (PSI) revealing precisely the seasonal behaviour of the displacements above swelling soils from a huge amount of radar images. Dryness events are correlated with swellings soils effects on damaged buildings thanks to the PSI profiles interpretation. This new application presents high potential to better understand the geologic processes and the natural hazard induced by swelling soils

La sécheresse géotechnique est à l'origine de nombreux désordres urbains dans la régio n d'Ile-de-France. La présence d'argiles continentales Eocène-Oligocène aux propriétés gonflantes parmi les dépôts actuels les plus récents de la série géologique du Bassin Parisien entraîne, sous l'influence des contrastes climatiques liés à des évènements climatiques " extrêmes " (alternances sécheresse et période humide) des variations importantes du volume des sols. Les variations sont susceptibles d'induire des déplacements de la surface du sol qui affecte le bâti. Deux méthodes d'interférométrie radar y sont appliquées afin de suivre ces déplacements relatifs au cours du temps : si la méthode différentielle (DINSAR), qui permet de mesurer les déplacements de la surface du sol à partir de deux images radar acquises à des dates différentes se révèle peu performante sur l'Est du Bassin de Paris devant la faible cohérence de l'habitat pavillonnaire individuel, la seconde méthode, la technique de suivi des réflecteurs permanents, appelé Persistant Scatterer Interferometry ( PSI) permet de décrire précisément dans le temps les déplacements absolus de points à forte rétrodiffusion radar par la localisation, la caractérisation et la quantification des déplacements de la surface du sol à partir d'un grand nombre d'images radar à ouverture de synthèse (RSO). Des déformations liées au RGA observées sur les profils de pavillons sinistrés ont été mise en évidence et corrélé avec les périodes de sécheresse. Cette méthode présente un fort potentiel pour l'étude du risque naturel sécheresse géotechnique tout particulièrement sur l'Est du Bassin de Paris affecté lors des dernières périodes de sécheresses dans un contexte de changement climatique mondiale

Dans ce travail, nous proposons de localiser, caractériser et quantifier les déformations topographiques en liaison avec le contexte sismo-tectonique, sans exclure les actions anthropiques, de l'Atlas méridional de la Tunisie. L'analyse sismo-tectonique et le calcul des paramètres morphométriques du relief nous ont permis de distinguer les structures (eg., J. Ben Younes, J Bou Ramli, J. Orbata) qui ont subi préalablement des déformations récentes dues principalement à la réactivation des failles, essentiellement la faille de Gafsa. Dans un autre volet, l'analyse et le traitement de 17 images radar (ERS 1 et 2) couvrant l'Atlas méridional de la Tunisie, grâce à l'interférométrie différentielle (DInSAR), n'a pas révélé des déplacements topographiques liés au contexte géodynamique. Par contre, cette technique nous a permis de déterminer une subsidence locale dans la région de Moulares, que nous interprétons comme une conséquence de l'exploitation des mines souterraines de phosphates. Enfin, la compilation des résultats des différentes analyses nous a permis de suggérer l'établissement d'un réseau GPS de surveillance géodynamique dans la zone d'étude, afin de mieux quantifier la déformation dans la région et à préciser la cartographie sismique et enfin à mieux évaluer l'aléa sismique

Le suivi des espaces urbanisés et de leurs dynamiques spatio-temporelles représente un enjeu important pour la population urbaine, autant sur le plan environnemental, économique et social. Avec le lancement des satellites portant des radars à synthèse d’ouverture de la nouvelle génération (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, ALOS, RADARSAT-2,Sentinel-1, Constellation RADARSAT), il est possible d’obtenir des séries temporelles d’images avec des résolutions spatiales et temporelles fines. Ces données multitemporelles aident à mieux analyser et décrire les structures urbaines et leurs variations dans l’espace et dans le temps. L’interférométrie par satellite est effectuée en comparant les phases des images RSO prises à différents passages du satellite au-dessus du même territoire. En optant pour des positions du satellite séparées d’une longue ligne de base, l’InSAR mène à la création des modèles numériques d’altitude (MNA). Si cette ligne de base est courte et à la limite nulle, nous avons le cas de l’interférométrie différentielle (DInSAR) qui mène à l’estimation du mouvement possible du terrain entre les deux acquisitions. Pour toutes les deux applications de l’InSAR, deux opérations sont importantes qui garantissent la génération des interférogrammes de qualité. La première est le filtrage du bruit omniprésent dans les phases interférométriques et la deuxième est le déroulement des phases. Ces deux opérations deviennent particulièrement complexes en milieu urbain où au bruit des phases s’ajoutent des fréquents sauts et discontinuités des phases dus à la présence des bâtiments et d’autres structures surélevées. L’objectif de cette recherche est le développement des nouveaux algorithmes de filtrage et de déroulement de phase qui puissent mieux performer que les algorithmes considérés comme référence dans ce domaine. Le but est d’arriver à générer des produits InSAR de qualité en milieu urbain. Concernant le filtrage, nous avons établi un algorithme qui est une nouvelle formulation du filtre Gaussien anisotrope adaptatif. Quant à l’algorithme de déroulement de phase, il est fondé sur la minimisation de l’énergie par un algorithme génétique ayant recours à une modélisation contextuelle du champ de phase. Différents tests ont été effectués avec des images RSO simulées et réelles qui démontrent le potentiel de nos algorithmes qui dépasse à maints égards celui des algorithmes standard. Enfin, pour atteindre le but de notre recherche, nous avons intégré nos algorithmes dans l’environnement du logiciel SNAP et appliqué l’ensemble de la procédure pour générer un MNA avec des images RADARSAT-2 de haute résolution d’un secteur de la Ville de Montréal (Canada) ainsi que des cartes des mouvements du terrain dans la région de la Ville de Mexico (Mexique) avec des images de Sentinel-1 de résolution plutôt moyenne. La comparaison des résultats obtenus avec des données provenant des sources externes de qualité a aussi démontré le fort potentiel de nos algorithmes. / The monitoring of urban areas and their spatiotemporal dynamics is an important issue for the urban population, at the environmental, economic, as well as social level. With the launch of satellites carrying next-generation synthetic aperture radars (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, ALOS, RADARSAT-2, Sentinel-1, Constellation RADARSAT), it is possible to obtain time series of images with fine temporal and spatial resolutions. These multitemporal data help to better analyze and describe urban structures, and their variations in space and time. Satellite interferometry is performed by comparing the phases of SAR images taken at different satellite passes over the same territory. By opt-ing for satellite positions separated by a long baseline, InSAR leads to the creation of digital elevation models (DEM). If this baseline is short and, at the limit zero, we have the case of differential interferometry (DInSAR) which leads to the estimation of the possible movement of the land between the two acquisitions. In both InSAR applica-tions, two operations are important that ensure the generation of quality interferograms. The first is the filtering of ubiquitous noise in the interferometric phases and the second is the unwrapping of the phases. These two operations become particularly complex in urban areas where the phase noise is added to the frequent jumps and discontinuities of phases due to the presence of buildings and other raised structures. The objective of this research is the development of new filtering and phase unwrap-ping algorithms that can perform better than algorithms considered as reference in this field. The goal is to generate quality InSAR products in urban areas. Regarding filtering, we have established an algorithm that is a new formulation of the adaptive anisotropic Gaussian filter. As for the phase unwrapping algorithm, it is based on the minimization of energy by a genetic algorithm using contextual modelling of the phase field. Various tests have been carried out with simulated and real SAR images that demonstrated the potential of our algorithms that in many respects exceeds that of standard algorithms. Finally, to achieve the goal of our research, we integrated our algorithms into the SNAP software environment and applied the entire procedure to generate a DEM with high-resolution RADARSAT-2 images from an area of the City of Montreal (Canada) as well as maps of land movement in the Mexico City region (Mexico) with relatively medium-resolution Sentinel-1 images. Comparison of the results with data from external quality sources also demonstrated the strong potential of our algorithms.

This interdisciplinary doctoral dissertation addresses land subsidence in different and diverse study cases in the world, employing advanced techniques and methodologies to measure their magnitude and comprehensively explore its causes, and implications. Investigating areas such as the San Luis Potosi metropolitan area, Alaşehir-Sarıgöl sub-basin (ASSB) in Türkiye, and the Alto Guadalentín Valley in Spain, the research unveils critical insights into the complex dynamics of subsidence phenomena. Utilizing advanced remote sensing techniques like Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and Coherent Pixels Technique (CPT), the study assesses subsidence rates and correlates them with factors such as trace faults, groundwater extraction, and soft soil thickness. Validation methodologies were developed and proposed to the scientific community on the first stage, integrating Global Navigation Satellite System (GNSS) benchmarks, enhance the reliability of Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (DInSAR) measurements, ensuring a robust foundation for subsequent analyses. The research aims to contribute to the understanding of land subsidence and contribute to create a decision-support framework to mitigate the phenomenon while addressing specific research objectives within each identified topic of inquiry. The research topic 1 includes the “DInSAR for monitoring land subsidence in overexploited aquifers”. In the San Luis Potosi metropolitan area (Mexico), the application of CPT technique reveals intriguing correlations between trace faults, land subsidence, and groundwater extraction. Specifically, areas in the municipality of Soledad de Graciano Sánchez exhibit subsidence values ranging between -1.5 and -3.5 cm/year, while in San Luis Potosi, values range from -1.8 to -4.2 cm/year. The validation of CPT results against five Global Navigation Satellite System (GNSS) benchmarks establishes a robust correlation of 0.986, underlining the reliability of InSAR-derived deformations. Additionally, in regions like the Alaşehir-Sarıgöl sub-basin (Türkiye), where water stress is heightened due to intensive agricultural irrigation, the study explores the roles of tectonic activity and groundwater withdrawal in land subsidence. Utilizing the P-SBAS algorithm, 98 Sentinel-1 SAR images in ascending orbits and 123 in descending orbits were analysed, covering the period from 2016 to 2020. Independent Component Analysis was applied to distinguish long-term displacements from seasonal variations in the DInSAR time series data. Displacement rates of up to -6.40 cm/year were identified, thus, the proposed P-SBAS algorithm facilitates the monitoring of displacement, revealing direct correlations between DInSAR displacement and critical factors like aquitard layer compaction. These findings contribute valuable insights into the dynamic interactions shaping overexploited aquifers. The research topic 2, developing parallelly to topic 1, consists of the “Validation of DInSAR data applied to land subsidence areas”. Addressing the imperative for validation methodologies in subsidence assessments, a systematic approach introduces statistical analyses and classification schemes. This methodology is designed to validate and refine DInSAR data, enhancing the reliability of subsidence assessments. By normalizing Root Mean Square Error (RMSE) parameters with the range and average of in-situ deformation values and employing the squared Pearson correlation coefficient (R²), a classification scheme is established. This scheme facilitates the acceptance/rejection of DInSAR data for further analyses through the application of automatic analysis supported by a Matlab © code, ensuring a more accurate representation of land subsidence phenomena. The research topic 3 covers the exploitation of DInSAR data for assessing flooding potential and determining characteristic parameters of aquifer systems. The first one is “Impact of land subsidence on flood patterns”. The study in the Alto Guadalentín Valley, a region experiencing extreme flash floods jointly with high-magnitude land subsidence, integrates flood event models, Differential interferometric SAR (DInSAR) techniques, and 2D hydraulic flow models. Through Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite images and DInSAR, land subsidence's magnitude and spatial distribution are quantified. The results demonstrate significant changes in water surface elevation between the two 1992 and 2016 temporal scenarios, leading to a 2.04 km² increase in areas with water depths exceeding 0.7 m. These outcomes, incorporated into a flood risk map and economic flood risk assessment, underscore the pivotal role of land subsidence in determining inundation risk and its socio-economical implications. The research offers a valuable framework for enhancing flood modelling by considering the intricate dynamics of land subsidence. The second application of DInSAR data is about the “Automatic calculation of skeletal storage coefficients in aquifer systems”. In response to the need for automating data analysis for specific storage coefficients in aquifer systems, a MATLAB© application is introduced. This application streamlines the correlation between piezometric levels and ground deformation, significantly reducing analysis time and mitigating potential human interpretation errors. The developed application integrates temporal groundwater level series from observation wells and ground deformation data measured by in-situ or remote sensing techniques (e.g., DInSAR). Through the automatic construction of stress-strain curves, the application contributes to the estimation of skeletal storage coefficients, offering a valuable tool for evaluating aquifer system behaviours. This comprehensive research, guided by the complexities of these three distinct research topics, yields detailed insights and methodological advancements. By integrating diverse datasets and employing advanced techniques, this dissertation offers a multidimensional understanding of land subsidence dynamics and provides a robust foundation for sustainable groundwater management globally. / This research is funded by the PRIMA Programme supported by the European Union (Grant agreement 1924), project RESERVOIR.