The overall goal of this dissertation is to determine and develop optimal strategies for inversely calibrating transmissivities (T), elastic and inelastic skeletal storage coefficients (Ske and Skv) of the developed-zone aquifer and conductance (CR) of the basin-fill faults for the entire Las Vegas basin, and to investigate future trends of land subsidence in Las Vegas Valley. This dissertation consists of three separate stand-alone chapters. Chapter 2 presents a discrete adjoint parameter estimation (APE) algorithm for automatically identifying suitable hydraulic parameter zonations from hydraulic head and subsidence measurements. Chapter 3 compares three different inversion strategies to determine the most accurate and computationally efficient method for estimating T and Ske and Skv at the basin scale: the zonation method (ZM), the adaptive multi-scale method and the Differential Evolution Adaptive Metropolis Markov chain Monte Carlo scheme (DREAM MCMC). Chapter 4 outlines a fine-scale numerical model capable of capturing far more hydrologic detail than any previously developed model of Las Vegas Valley The new model is calibrated using high-resolution InSAR data and hydraulic head data from 1912 to 2010. The calibrated model is used to investigate the influence of faults and their potential role on influencing clay thicknesses and land subsidence distributions, and to investigate future trends of land subsidence in Las Vegas Valley. / Ph. D.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第25263号 / 工博第5222号 / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 林 為人, 教授 小池 克明, 講師 石塚 師也, 教授 須崎 純一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

L'exploitation en série temporelle d'un large volume d'images radar se heurte au problème de la sélection de couples d'images pertinents, permettant une estimation de bonne qualité du signal de déformation. La qualité d'un couple interférométrique et des mesures différentielles associées (recalage, phase interférométrique) peut être déterminée a priori par le modèle de cohérence de [Zebker et Villasenor, 1992]. En pratique, la confrontation de ce modèle à des observations réelles est difficile par variabilité temporelle des scènes. Dans un premier temps, nous qualifions le modèle de cohérence sur 82 images ERS-1/2 acquises entre 1992 et 2002. La confrontation de ce modèle à des mesures expérimentales sur une zone cohérente temporellement stable (barrage de Serre-Ponçon, Hautes-Alpes) met en évidence des pertes de cohérence dues à un recalage imprécis, demandant une méthode d'estimation de la cohérence adaptée. Dans un second temps, nous proposons une stratégie de sélection de couples adaptée au recalage global de cette série temporelle afin d'améliorer l'estimation de la cohérence. Nous exprimons la distance entre images à l'aide d'une conorme triangulaire, utilisée pour sélectionner le meilleur jeu de couples via un arbre de recouvrement minimal, tel que l'ont proposé [Refice et al., 2006]. Nous caractérisons les limites de cette approche et proposons des solutions nouvelles basées sur deux méthodes originales de sélection de couples intégrant de la redondance. L'apport de ces méthodes est démontré par simulation et sur des données ERS, en mettant en évidence le compromis existant entre le nombre de couples traités et la qualité du résultat global obtenu.

Cette thèse porte sur la mesure par interférométrie radar (InSAR), et la modéli\-sation de faibles déformations, de moyennes à grandes longueurs d'onde spatiale. L'InSAR s'est révélée être, depuis quelques années, un outil performant pour mesurer de petites déformations, à la condition, notamment, de corriger suffisamment les délais atmosphériques perturbant le signal radar et la mesure de la déformation. Une partie de cette thèse montre des développements méthodologiques spécifiques effectués afin d'obtenir une mesure subcentimétrique effective sur deux chantiers d'application. Les deux études présentées dans ce manuscrit montrent deux approches différentes, liées aux contraintes matérielles (nombre d'images/nombre d'interférogrammes calculables) et au type de déformation recherché. Dans un premier temps, j'ai mesuré la déformation autour du lac Mead (Nevada, USA). Cette déformation est due aux fluctuations du niveau d'eau du lac depuis sa mise en eau en 1935. Pour quantifier cette déformation, et contraindre les paramètres visco-élastiques de la lithosphère dans la région du lac Mead, j'ai analysé 241 interférogrammes calculés avec des images acquises par les satellites ERS entre 1992 et 2002. L'inversion des interférogrammes corrigés des délais orbitaux et tropostatiques a permis d'établir la série temporelle du déplacement du sol sur ces 10 années. Des modèles directs montrent qu'une simple réponse élastique n'explique ni l'amplitude de la déformation, ni la longueur d'onde spatiale de la déformation. Il semble donc qu'il soit nécessaire de prendre en compte la viscosité du manteau pour retrouver la déformation. Un modèle simple, concordant avec une étude précédente \citep{kaufmann00a}, constitué d'une croûte élastique d'environ 30 km et d'un manteau supérieur présentant une viscosité de 10$^{18}$ Pa.s, explique bien les données. Dans un deuxième temps, je me suis intéressé à la déformation intersismique à travers la faille de Haiyuan (Gansu, Chine), située au nord est du plateau tibétain. Il s'agit d'une des failles décrochantes sénestres majeures qui accommode en partie la collision Inde-Asie. L'objectif était de mieux contraindre le comportement mécanique de ce système de faille, à l'origine de deux séismes de M$\sim$8 au cours du XXième siècle. Je me suis focalisé sur un segment particulier de la faille appelé ''la lacune sismique de Tianzhu'', dont la vitesse long-terme à été estimée à 12 $\pm$4 mm/an à partir d'études neotectoniques. J'ai analysé des données radar ERS acquises sur deux orbites descendantes le long de la lacune. Une fois les interférogrammes corrigés de l'erreur résiduelle orbitale et du délai tropostatique, ils ont été sommés afin d'obtenir une carte de vitesse moyenne dans la zone de faille (déterminée par les images ERS disponibles, i.e. 1993-1998). Un modèle classique de dislocation dans un demi-espace élastique homogène indique une vitesse instantanée de 6.5 $\pm$3 mm/an, mais aussi une profondeur de blocage faible autour de 1.7 km. Cependant, ce résultat peut aussi être expliqué par d'autres modèles incluant une zone d'endommagement autour de la faille ou du glissement superficiel.

Dans une perspective de gestion de l'aléa volcanique, il est essentiel d'être capable de détecter, suffisamment tôt, un apport superficiel de magma et sa migration éventuelle vers la surface. Il est ensuite important de pouvoir prévoir la localisation de l'éruption à venir, son amplitude et le risque de déstabilisation de l'édifice volcanique associé. Dans ce manuscrit, je mets en perspective mes travaux de recherche qui concernent, à la fois, le suivi spatio-temporel de la migration du magma par mesure radar satellitaire et le développement de modèles mécaniques dynamiques prenant en compte le couplage entre un fluide, le magma, et un solide, le milieu encaissant. Ces modèles ont pour objectif de permettre l'interprétation conjointe de différents observables, dont les mesures de déformation, en vue d'obtenir une information prédictive sur la progression du magma en profondeur.

Trois méthodes de télédétection (Lidar, interférométrie radar satellitaire et photogrammétrie aérienne) ont été appliquées pour quantifier les évolutions spatiales et temporelles de deux glissements argileux (Harmalière et Avignonet, situés dans la région du Trièves, Alpes françaises) en complément d'instrumentation in-situ. Une analyse géomorphologique a été réalisée à partir d'ortho-photos (depuis 1948) et du MNT Lidar filtré. Couplée à des reconnaissances géophysiques, elle a montré que la cinématique différente des deux glissements contigus était partiellement contrôlée par la paléotopographie sur laquelle s'est déposée la couche d'argile. La rugosité directionnelle a permis de distinguer les processus d'érosion résultant de mouvements gravitaires et de ravinement. Une technique de corrélation d'images adaptée aux MNT a été développée pour obtenir les vecteurs de déplacement 3D entre deux acquisitions Lidar (2006 - 2009), avec une attention particulière portée à l'évaluation de la qualité des mesures. La carte des déplacements obtenue montre que la zone la plus active du glissement de Harmalière entre 1981 et 2001 est maintenant relativement lente (déplacement <0.4 m en 3 ans), contrairement à d'autres zones proches montrant des mouvements importants atteignant 3m avec une composante rotationnelle. Pour le glissement d'Avignonet, les déplacements déduits augmentent généralement vers le pied du glissement et peuvent atteindre 1 m. La technique des réflecteurs permanents en interférométrie radar a permis de déterminer de nouvelles valeurs de taux de déplacements (entre 1992 et 2000) en 16 points du glissement, qui sont cohérentes avec les données GPS existantes. Le taux moyen de recul à long terme de l'escarpement principal a été estimé à 1-5 cm/an à Avignonet et entre 7 et 14 cm/an à l'Harmalière. La régression du glissement d'Avignonet semble contrôlée par l'érosion du sommet de la couche d'alluvions compactes reposant sur le substratum. La présence d'une paleovallée du Drac sous le pied du glissement de l'Harmalière pourrait expliquer cette différence de cinématique entre les deux glissements.

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.

The efficient and timely monitoring of forest dynamics is of paramount importance and requires accurate, high-resolution and time-tagged predictions at global scale. Despite numerous methodologies have been proposed in the literature, existing approaches often compromise on accuracy, resolution, temporal fidelity or coverage. To tackle these challenges and limitations, the main objective of this doctoral thesis is the investigation of the potential of artificial intelligence (AI) for the regression of bio-physical forest parameters from spaceborne Earth Observation (EO) data. This work explores for the first time the combined use of TanDEM-X single-pass interferometric products and convolutional neural networks for canopy height estimation at country scale. To achieve this, a novel deep learning framework is proposed, leveraging the capability of deep neural networks to effectively capture the complex spatial relationships between forest properties and satellite data, as well as ensuring the adaptability to different environmental conditions. The design and the understanding of the model is driven by explainable AI principles and by considerations on large-scale forest dynamics, with a great emphasis set on the challenges related to the variable acquisition geometry of the TanDEM-X mission, and by relying on the use of LVIS-derived LiDAR measurements as reference data. Moreover, several investigations are conducted on the adaptability of the developed framework for transferring knowledge to related domains, such as digital terrain model regression and above-ground biomass density estimation. Finally, the capability of the proposed approach to be extended to the use of other EO sensors is also evaluated, with a particular emphasis on the ESA Sentinel-1 and Sentinel-2 missions. The developed deep learning framework sets a solid groundwork for the generation of large-scale products of bio-physical forest parameters from spaceborne EO data. The approach achieves cutting-edge performance, significantly advancing the current state of forest assessment and monitoring technologies.

The aim of this thesis is to determine to what extent aircraft-borne radar remote sensing can be used as the sole method for making recordings of the surface of the earth as a basis for compiling topographical and relief maps of mountainous areas. This is done using three test areas: the Edelsberg area in the Allgäu Alps and the Silvretta and Verwall Groups in the Central Alps. The basis for discussion is provided by examination of the interaction between the objects to be imaged and the radar signal, the sensor-specific characteristics thereby being taken into account. Following this some data processing and conditioning methods used for extracting information on the relief and surface coverage for preparation of cartographical products are presented. Analysis of the quality of the results shows that, measured against the requirements of mountain cartography, radar remote sensing is a practical and useful tool for making maps in Alpine regions. As the sole source of information, however, aircraft-borne radar remote sensing p roves to date to be inadequate for cartographical applications in high-mountain regions. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist, festzustellen, inwieweit die flugzeuggetragene Radarfernerkundung als alleinige Erfassungsmethode der Erdoberfläche zur Erstellung von topographischen und reliefbeschreibenden Karten in Gebirgslandschaften dienen kann. Dies wird anhand von drei Testgebieten, dem Edelsberggebiet in den Allgäuer Alpen sowie der Silvretta- und Verwallgrupe in den Zentralalpen, untersucht. Die Betrachtung der Interaktion zwischen den abzubildenden Objekten und dem Radar-Signal unter Berücksichtigung der sensorspezifischen Charakteristika bildet dabei die Diskussionsgrundlage. Im weiteren werden Methoden zur Datenprozessierung und -aufbereitung vorgestellt, die eine Informa-tionsextraktion bezüglich des Reliefs und der Oberflächenbedeckung für die Erstellung kartographischer Produkte ermöglichen. Die Qualitätsanalyse der Ergebnisse zeigt, dass die Radarfernerkundung, gemessen an den Anforderungen der Gebirgskartographie, ein sinnvolles und nutzbringendes Werkzeug für die Kartenerstellung in alpinen Regionen ist. Für kartographische Anwendungen in Hochgebirgsregionen erweist sich die flugzeuggetragene Radarfernerkundung als einzige Informationsquelle bislang allerdings als nicht ausreichend.

L'éruption d'avril 2007 du Piton de la Fournaise (Île de la Réunion, Océan Indien) a été marquée par les plus gros volumes de lave émis de ces deux derniers siècles, ainsi que par l'effondrement du cratère sommital (le Dolomieu) sur plus de 300 mètres de haut. Des données d'interférométrie radar (InSAR) montrent que les déplacements associés à cette éruption sont inhabituels pour deux raisons : (1) ils ont affecté l'ensemble de l'enclos Fouqué durant l'éruption, (2) deux motifs de déformation ont persisté plus d'un an après la fin de l'éruption. Le premier résulte d'une subsidence centripète du cône central et le second d'un glissement vers l'est du flanc est du volcan. Une méthode, appelée tomographie de déplacements, a été développée pour modéliser les déplacements, basée sur une discrétisation du sous-sol en sources unitaires, et sur la minimisation de deux fonctions coût. Elle permet de trouver une répartition compacte des variations de volume des sources unitaires permettant de reproduire au mieux les déplacements observés. En parallèle, la procédure NA-MBEM, une méthode de modélisation basée sur la combinaison d'un modèle numérique (MBEM) et d'une inversion de type Monte Carlo (NA), a été modifiée pour diminuer le temps de calcul nécessaire à l'obtention d'un bon modèle, et nous montrons que l'utilisation de données temporellement interpolées permet d'améliorer les résultats d'inversion. L'application des deux méthodes de modélisation aux données de déplacements de l'éruption d'avril 2007, montre que durant la période post-éruptive, la subsidence du cône central est provoquée par une source localisée de manière superficielle sous le cône central. Cette source est interprétée comme un système hydrothermal en déflation, dont le drainage aurait été amorcé par l'effondrement du Dolomieu. Les déplacements du flanc est seraient dus à deux sources différentes, toutes les deux superficielles et parallèles à la topographie. L'une est interprétée comme un réservoir temporaire en cours de vidange durant la fin de l' éruption, et l'autre comme un niveau de glissement sur lequel glisserait le flanc est. Enfin, nous proposons un modèle préliminaire des déplacements ayant eu lieu durant l'éruption, ainsi qu'un scénario de la succession de tous les événements à l'origine des déformations enregistrées entre le 30 mars 2007 et juin 2008.