Surface Displacement Measurement from Remote Sensing Images

420 Pages·2022·39.515 MB·English

by  Olivier Cavalie, Emmanuel Trouve

Surface Displacement Measurement
from Remote Sensing Images

SCIENCES
Image, Field Director – Laure Blanc-Feraud
Remote Sensing Imagery, Subject Head – Emmanuel Trouvé and
Avik Bhattacharya
Surface Displacement
Measurement from
Remote Sensing Images

Coordinated by
Olivier Cavalié
Emmanuel Trouvé
First published 2022 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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© ISTE Ltd 2022
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Library of Congress Control Number: 2022934057

British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-78945-083-5
ERC code:
PE6 Computer Science and Informatics
PE6_11 Machine learning, statistical data processing and applications using signal
processing (e.g. speech, image, video)
PE10 Earth System Science
PE10_14 Earth observations from space/remote sensing
Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
OlivierCAVALIÉ,EmmanuelTROUVÉ,AvikBHATTACHARYA
Part1.Theory,PrinciplesandMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapter1.RelevantPast,On-goingandFutureSpaceMissions . . 3
PhilippeDURANDandStephaneMAY
1.1.Somekeyparametersforspacemissions. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1.ParametersforbothSARandopticalmissions . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2.ParametersspecifictoSARmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3.Parametersspecifictoopticalmissions. . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.Pastandon-goingSARmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1.ERS-1,ERS-2andEnvisat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2.CanadianC-bandsatellites: Radarsat-1,Radarsat-2andRCM . . . 15
1.2.3.JapaneseL-bandsatellites: JERS-1,ALOSandALOS-2 . . . . . . 17
1.2.4.SRTMandX-SAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.5.TerraSAR-X,TanDEM-XandPAZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.6.COSMOSkyMedconstellations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.7.SAOCOM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.8.Sentinel-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.9.ICEYE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.FutureSARmissions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1.TerraSAR-NG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2.ALOS-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.3.NISAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
vi SurfaceDisplacementMeasurementfromRemoteSensingImages
1.3.4.Biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.5.ROSE-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.Opticalimagingmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.Pastopticalmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.2.On-goingopticalmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.3.Futureopticalmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6.Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.7.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Chapter2.ImageMatchingandOpticalSensors . . . . . . . . . . . . . 37
MarcPIERROT DESEILLIGNYandEwelinaRUPNIK
2.1.Introduction,definitionandapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1.Problemdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.2.Geometryofmatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.3.Radiometricandgeometrichypothesis. . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.Templatematching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1.Matchingasasimilaritymeasure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2.Basictemplateapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3.Normalizedtemplateapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.Handling“large”deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2.Aposteriorifilteringandregularizationapproach. . . . . . . . . . . 44
2.3.3.Multi-resolutionapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.Discretenatureoftheimageandsub-pixelmatching . . . . . . . . . . . 48
2.5.Opticalimagingsensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.1.Sensorgeometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.2.Sensororientationin3Dspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Chapter3.SAROffsetTracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
SilvanLEINSS,ShiyiLI,YajingYANandBasALTENA
3.1.BasicsofSARimaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1.ImaginggeometryandresolutionofSARsystems . . . . . . . . . . 59
3.1.2.Radarspeckleandspecklereductionwithmulti-looking. . . . . . . 63
3.1.3.Spectralsupportofthebackscatterintensity. . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.4.Offsetsduetoradarpenetration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.SARoffsettracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1.Cross-correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2.SARoffsettrackingusingimagepairs . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Contents vii
3.2.3.SARoffsettrackingusingimageseries . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.4.Trackingfromsingleandmultipleorbits . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.5.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Chapter4.SARInterferometry: PrinciplesandProcessing . . . . . . 89
PhilippeDURAND,NadinePOURTHIÉ,CélineTISONandGiorgioGOMBA
4.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.PrincipleandlimitsofSARinterferometry . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.1.Geometricalinformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2.Howtochooseaninterferometricpair? . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.3.Phaseandcoherenceestimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.4.Lossofcoherency:severalreasons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.5.OtherInSARlimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.Atmosphericcorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1.Compensationfortroposphericdelays . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2.Estimationofandcompensationforionosphericpropagationdelays 107
4.4.InSARprocessingchains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.1.MainstepsinInSARprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.2.IllustrationoftheDInSARprocessingchain:acasestudywith
DiapOTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.3.AvailableInSARsoftware:aquickoverview . . . . . . . . . . . . . 118
4.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.6.Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.7.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Chapter5.AdvancedMethodsforTime-seriesInSAR . . . . . . . . . 125
DinhHO TONGMINH,RamonHANSSEN,Marie-PierreDOIN
andErwanPATHIER
5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.Backgroundoftime-seriesInSARanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.Areview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.1.Smallbaselinemethodsfortime-seriesanalysis . . . . . . . . . . . 128
5.3.2.FromPStoPSDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.TheSBAStechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4.1.Principleanddefinitionofa“smallbaseline”network
ofinterferograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4.2.Multi-lookingandfiltering,atmosphericorDEMerror
correctionsandunwrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.3.Reconstructionofthetimeseries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
viii SurfaceDisplacementMeasurementfromRemoteSensingImages
5.4.4.Sourceseparation,atmosphereversusdeformation . . . . . . . . . . 139
5.5.ThePSDStechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.1.ThePSalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.2.PSselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.5.3.DSselection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.4.Phaselinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5.5.ToolssupportingPSandPSDSprocessing . . . . . . . . . . . . . . 145
5.6.Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.7.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Chapter6.TheInterferometricPhase: Unwrapping
andClosurePhase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
BéatricePINEL-PUYSSÉGUR,FrancescoDEZANandJohannCHAMPENOIS
6.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.Phaseunwrappingalgorithmsandlimitationofphase
unwrappingerrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.2.1.Theproblemofphaseunwrappingandsomeprerequisites . . . . . 156
6.2.2.AshorthistoryofunwrappingmethodsinInSAR . . . . . . . . . . 160
6.2.3.Residue-cuttreealgorithm,variantsand3Dgeneralization . . . . . 161
6.2.4.Least-squaresmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.5.Network-basedapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.6.Methodsforcorrectingunwrappingerrors. . . . . . . . . . . . . . . 172
6.2.7.Summaryandcomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.3.The(re)discoveryofclosurephasesandtheirimplications
forSARinterferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3.1.Introductiontoclosurephases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3.2.Mathematicalpropertiesofclosurephases. . . . . . . . . . . . . . . 178
6.3.3.Physicalmisclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.3.4.Implicationsforinterferometricphaseestimation. . . . . . . . . . . 184
6.4.Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.5.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Part2.ApplicationsforSurfaceDisplacements . . . . . . . . . . . . . 191
Chapter7.RemoteSensingoftheEarthquake
DeformationCycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
MathildeMARCHANDON,TimJ.WRIGHTandJamesHOLLINGSWORTH
7.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.2.Whathavewelearnedaboutfaultsfromnearlythreedecades
oftectonicInSAR? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2.1.Coseismicdeformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195