Dams are man-made structures that in order to keep functioning and to be considered structurally healthy need constant monitoring. Assessing the deformation of dams can be time consuming and economically costly. Recently, the technique of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) has proved its potential to measure ground and structural deformation. This geodetic method represents a cost-effective way to monitor millimetre-level displacements and can be used as supplemental analysis to detect movements in the structure and its surroundings. The objective of this work is to assess the practicality of the method through the analysis of the surface deformation of the Ajaure dam located in northern Sweden, in the period 2014-2017, using the freely available Sentinel-1A images. The scenes, 51 in ascending and 47 in descending mode, were processed exploiting the Persistent Scatterer (PS) technique and deformation trends, and time series were produced. Built in the 60’s, the Ajaure embankment dam is considered as high consequence, meaning that a failure would cause socio-economic damages to the communities involved and, for this reason, the dam needs constant attention. So far, a program of automatic measurements in situ has been collecting data, which have been used partly to compare with InSAR results. Results of the multi temporal analysis of the limited PS points on/around the dam show that the dam has been subsiding more intensely toward the centre, where maximum values are of approximately 5 ± 1.25 mm/year (descending) and 2 ± 1.27 mm/year (ascending) at different locations (separated of approximately 70 m). Outermost points instead show values within -0.7 and 0.9 mm/year, describing a stable behaviour. The decomposition of the rate has furthermore revealed that the crest in the observation period has laterally moved toward the reservoir. It has been observed that the operation of loading and unloading the reservoir influence the dam behaviour. The movements recorded by the PS points on the dam also correlate with the air temperature (i.e. seasonal cycle). The research revealed that the snow cover and the vegetation could have interfered with the signal, that resulted in a relative low correlation. Therefore, the number of PS points on and around the dam is limited, and comparison with the geodetic data is only based on a few points. The comparison shows general agreement, showing the capacities of the InSAR method. The study constitutes a starting point for further improvements, for example observation in longer period when more Sentinel1 images of the study area are collected. Installation of corner reflectors at the dam site and/or by use of high resolution SAR data is also suggested.

Syftet med denna studie är att undersöka skillnader mellan en geodetisk och en icke-geodetisk metod för deformationsövervakning. För att undersöka detta konstruerades två experiment som båda efterliknar deformationsförloppet för en lutande vägg. Experiment 1 simulerades med hjälp av en whiteboardtavla som roterades runt en axel, där två sensorer placerades längst med rotationsaxeln. I experiment 2 placerades tre sensorer högst upp på en plywoodvägg, som sedan lutades med passbitar. Tanken var att simuleringarna skulle efterlikna en lutande vägg som deformeras över tiden. Alla mätningarna gjordes vid två olika tidpunkter eller epoker. Den geodetiska metoden bestod av att mäta längder och vinklar med en totalstation, vilka sedan användes för att beräkna väggens lutning. Inmätningen skedde via rutnätskanning och en minstakvadratanpassning av ett plan, från vilket trigonometriska sedan funktioner användes för att beräkna väggens lutning mot zenitriktningen, vilken benämns β. Den icke-geodetiska metoden utgjordes av sensorsystemet FlatMesh, som består av tre lutningssensorer samt en 3G-gateway. Utöver detta tillhandahålls en online-monitor som sammanställer och presenterar sensorernas data. Förhållandet mellan horisontalplanet och sensorns Y-axel bedömdes motsvara totalstationens vinkel β. Experiment 1 visade på en skillnad mellan de olika metoderna på enbart 13,392 bågsekunder, vilket motsvarar 0,065 mm/m. Experiment 2 visade på en skillnad om 316,08 bågsekunder eller 1,5324 mm/m. Detta visar att sensorerna ger olika resultat beroende på hur de placeras på objektet, ur vilket slutsatsen kan dras att sensorerna inte lämpar sig för monitorering av objekt där riktningen på deformationen ska studeras. Däremot lämpar de sig för att upptäcka mycket små lutningsförändringar på objekt. / This study aims to determine the differences between a geodetic and a non-geodetic method for deformation surveying. Two experiments were performed to investigate whether the locations of the sensors on the deformation object influence the results. The first experiment used two sensors that were mounted at the object’s rotation axis. The second experiment were performed using a plywood wall that could be tilted. In this experiment, three sensors were placed on the upper parts of the board. All measurements were carried out over two epochs. The geodetic method consisted of using a total station followed by a least-squares adjustment to calculate the tilt of the wall (denoted by β). The non-geodetic method was to use the sensor system FlatMesh. This system consists of three tilt sensors and a 3G-gateway. In addition, a web monitor is included, which enables computation and presentation of the sensor data. The tilt that was determined to best resemble the total station tilt β were the tilt of the sensor’s Y-axis in relation to the horizontal plane. According to the two surveys, the following can be stated. The first experiment showed a difference between the methods of 13.392 arcseconds, which corresponds to 0.065 millimetres per meter. The second experiment resulted in a difference of 316.08 arcseconds or 1.5324 millimetres per meter. This indicates that the sensors give different results depending on how or where they are mounted. It is concluded that the sensors are not suitable for monitoring objects where the direction of the deformation is of interest. However, they are suitable for detecting very small slope changes on objects.

Les techniques d'interférométrie sur réflecteurs persistants, ou points stables (PSI), sont des outils particulièrement efficaces pour le suivi des déformations du sol et offrent les avantages typiques des systèmes de télédétection radar à synthèse d'ouverture (RSO) : une large couverture spatiale combinée à une résolution relativement élevée. Ces techniques sont basées sur l'analyse d'un jeu d'images RSO acquises sur une zone donnée. Elles permettent de régler le problème de décorrélation grâce à l'identification d'éléments particuliers (au sein de la cellule de résolution) dont la rétrodiffusion radar est de haute qualité et stable sur toute une série d'interférogrammes. Ces techniques sont fort efficaces (utiles ?) pour l'analyse de zones urbaines où les constructions constituent de bons réflecteurs avec une réflexion supérieure à celle du sol ; il en va de même pour des zones de campagne où la densité d'infrastructures est plus limitée. La technique PSI requiert un modèle temporel approximatif a priori pour la détection des déformations, bien que la caractérisation de l'évolution temporelle de la déformation soit communément l'un des objectifs des études. Le travail réalisé porte sur une technique PSI particulière, appelée Stable Point Network (SPN), Réseau de Points Stables, qui a été totalement développée par Altamira Information en 2003. Le travail présente de manière concise les caractéristiques de la technique et décrit les principaux produits générés : carte moyenne de déformation, séries temporelles de déformation des points mesurés, et les cartes de résidu d'erreur topographique utilisées pour géocoder de façon précise les produits PSI. Le principal objectif de cette thèse est l'identification et l'analyse des points faibles de la chaîne de traitement SPN et le développement de nouveaux outils et méthodologies pour résoudre les problèmes identifiés. Dans un premier temps, les performances de la technique SPN sont examinées et illustrées sur des cas pratiques (basés sur des sites test réels et à partir de données provenant de différents capteurs) et à l'aide de simulations. Les principaux points faibles de la technique sont identifiés et commentés, notamment le manque de paramètres automatiques de contrôle qualité, l'évaluation de la qualité des données d'entrée, la sélection de bons points pour la mesure ainsi que l'utilisation d'un modèle fonctionnel pour le déroulement de phase (franges interferometriques) basé sur une tendance linéaire de la déformation dans le temps. Différentes solutions sont ensuite envisagées. Nous nous intéressons tout particulièrement au contrôle qualité automatique dans la procédure de coregistration, en utilisant l'analyse du positionnement inter-pixel de certains points naturels, comme par exemple des pixels identifiés dans les images. L'amélioration de la sélection finale des points de mesure (carte PSI) s'obtient grâce à l'analyse de la signature du signal radar des cibles les plus puissantes présentes au sein de l'image, afin de sélectionner uniquement le centre du lobe principal du point de mesure. D'autres développements apportent plus de robustesse dans des étapes clefs, ainsi l'analyse du rotationel des estimations en lien étroit avec un réseau de mesures relatives, ou l'implémentation d'une méthodologie différente pour l'intégration qui peut être lancée en parallèle afin d'être comparée avec l'intégration classique. Enfin le principal inconvénient de la technique, c'est-à-dire l'utilisation d'un modèle linéaire de détection des déformations du sol fait l'objet d'un développement d'une nouvelle méthode d'ajustement qui permet des changements de tendance durant la période de temps considérée(...) / Persistent Scatterer Interferometric techniques are very powerful geodetic tools for land deformation monitoring that offer the typical advantages of the satellite remote sensing SAR (Synthetic Aperture Radar) systems : a wide coverage at a relatively high resolution. Those techniques are based on the analysis of a set of SAR images acquired over a given area. They overcome the decorrelation problem by identifying elements (in resolution cells) with a high quality returned SAR signal which remains stable in a series of interferograms. These techniques have been useful for the analysis of urban areas, where man-made objects produce good reflections that dominate over the background scattering, as well as in field areas where the density of infrastructures is more limited. Typically, PSI technique requires an approximate a priori temporal model for the detection of the deformation, even though characterizing the temporal evolution of a deformation is commonly one of the objectives of any study.This work is focused on a particular PSI technique, which is named Stable Point Network (SPN) and that it has been completely developed by Altamira Information in 2003. The work concisely outlines the main characteristics of this technique, and describes its main products: average deformation maps, deformation time series of the measured points, and the so-called maps of the residual topographic error, which are used to precisely geocode the PSI products. The main objectives of this PhD are the identification and analysis of the drawbacks of this processing chain, and the development of new tools and methodologies in order to overcome them. First, the performances of the SPN technique are examined and illustrated by means of practical cases (based on real test sites made with data coming from different sensors) and simulated scenarios.Thus, the main drawbacks of the technique are identified and discussed, such as the lack of automatic quality control parameters, the evaluation of the input data quality, the selection of good points for the measurements and the use of a functional model to unwrap the phases based on a linear deformation trend in time. Then, different enhancements are proposed. In particular, the automatic quality control of the coregistration procedure has been introduced through the analysis of the inter-pixel position of some natural point targets-like pixels identified within the images. The enhancements in the selection of the final points of measurements (the final PSI map) come by means of the analysis of the SAR signal signature of the strong targets presented within the image, in order to select only the center of the main lobe as point of measurement. The introduction of robustness within some critical steps of the technique is done by means of the analysis of the rotational of the estimates in close loops within a network of relative measurements, and by means of the implementation of a different integration methodology, which can be ran in parallel in order to compare it with the classical one. Finally, the main drawback of the technique, the use of a linear model for the detection of ground deformations, is addressed with the development of a new fitting methodology which allows possible change of trends within the analyzed time span. All those enhancements are evaluated with the use of real examples of applications and with simulated data. In particular, the new methodology for detecting non-linear ground deformations has been tested in the city of Paris, where a large stacking of ERS1/2 and ENVISAT SAR images are available. Those images are covering a very large time period of analysis at where some known non-linear ground deformations where occurring

Les réseaux de capteurs permettent une surveillance multi-paramètres de zones d'étendue limitée grâce à la coopération d'un ensemble de récepteurs déployés in-situ qui gèrent l'acquisition, le traitement et le transfert de données. Afin de coupler le concept de réseaux de capteurs et un positionnement précis des récepteurs à l'aide de puces GPS mono-fréquence, l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière (IGN) a mis au point le Geocube.La première partie de ce travail a été consacrée au développement d'une stratégie d'acquisition, de transfert et de traitement des données GPS des Geocubes pour permettre un positionnement précis et en temps-réel des récepteurs au sein du réseau. Un traitement utilisant les observations de phase GPS ainsi qu'un filtrage de Kalman a été adopté. Cependant, les séries temporelles de positions brutes sont entachées de l'effet des multitrajets. Diverses méthodes d'atténuation de ce phénomène sont alors proposées. Au final, une précision infra-centimétrique à millimétrique est atteinte.La seconde partie de cette thèse a été consacrée à l'application de réseaux de Geocubes pour l'étude d'objets géophysiques. Deux sites d'étude ont été sélectionnés: le glissement de terrain de Super-Sauze dans la vallée de l'Ubaye et le glacier d'Argentière dans le massif du Mont-Blanc. La dynamique des objets d'intérêt peut alors être étudiée à une échelle infra-journalière grâce à la précision et à la grande résolution temporelle du positionnement des Geocubes. De plus, la densité des réseaux de mesure et leur facilité d'installation permet d'instrumenter la grande majorité des points où un besoin de surveillance est identifié. / Wireless Sensor Networks (WSN) allow a multi-parameters monitoring of small extend areas thanks to cooperative data acquisition, transfer and processing. In order to combine WSN with a precise positioning of the receivers within the network using single frequency GPS modules, the Geocube has been developed by the French National Institute of Geographic and Forest Information (IGN-France). The first part of this work focused on GPS data management and processing to allow the relative positioning of the Geocubes within a local network. To this end, a processing method customized for Geocube data and WSN environment was developed. It is based on the use of GPS carrier phase double differences and a Kalman filtering. Due to the basic GPS antenna used into the Geocube to minimize its price and its size, multipath affect position time series. Various strategies are proposed for multipath mitigation, and finally a sub-centimeter to millimeter level accuracy is reached for relative positioning depending on measurement conditions.The second part of this work was devoted to the use of Geocube networks for geophysical structures monitoring. Two test sites were selected: the Super-Sauze landslide (Ubaye valley, Alpes de Haute-Provence, France) and the Argentière glacier (Mont-Blanc massif, Haute-Savoie, France). The dynamics of the studied areas was investigated at a sub-daily time scale thanks to the high accuracy and the high time resolution of positioning time series derived from Geocubes. In addition, positioning data were acquired quite everywhere a deformation measurement was needed thanks to the low-cost of Geocubes and their easy set up.

Ein hydrostatisches, hochpräzises Schlauchwaagen-Messinstrument zur kombinierten Bestimmung von Setzungen und Neigungen wurde im Rahmen eines BMWK ZIM-Kooperationsprojektes zur Echtzeitmessung entwickelt. Zunächst wird ein Einblick in das Grundlagenprinzip des hydrostatischen Nivellements gegeben. Darauf aufbauend wird das entwickelte Messprinzip sowie die Systemkonzeption der Hard- und Software vorgestellt. Anhand der Grundlagenversuche wird das technische Know-how, die wissenschaftliche Arbeit der Projektpartner zur Optimierung des Messsystems sowie die Komplexität des Messprinzips dargestellt. Die Funktionalität des Gesamtsystems „HYDRO-LaWa“ sowie die ersten Ergebnisse im Praxiseinsatz werden in drei unterschiedlichen Anwendungsgebieten evaluiert. Das hydrostatische Messinstrument wurde in der dritten Entwicklungsstufe FG-SW-V2 mit hoher Messgenauigkeit und geringer Standardabweichung von 0,1 mm bis 0,2 mm weiterentwickelt. Somit steht in sehr naher Zukunft ein robustes, langzeitstabiles sowie ein in Echtzeit messendes Gesamtsystem für den Markteintritt zur Verfügung.