i potentiel et complémentarité des techniques spatiales...

1III Potentiel et complémentarité des techniquesspatiales SAR dfinterferometrie différentielle• pour la compréhension et le suivi des• mouvements de terrain

I Programme National de Télédétection Spatiale - PNTS 95-97/58

( Ministère de l'EnvironnementDirection Générale de l'Administration et du Développement

Subvention 95249

iRapport final

iAvril 1997

R 39457iiii —• BRGM

Potentiel et complémentarité des techniquesspatiales SAR d'interférométrie différentielle

pour la compréhension et le suivi desmouvements de terrain

C. King, C. Carnée, £. Leroi, F. Girault, £. Chassagneux

avec la collaboration deD. Massonnet (CNES, QTIS), J.P. Villain (CNRS-LPCE),

M. Dejean, J.M. Dommanget (HBCM), J.P. Follacci, N. Martin (CETE)

Avril 1997R 39457

BRGMLTHnmttH au l i m a M LA m a

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Mots-clés : Télédétection, radar, interférométrie différentielle, risques naturels, glissement de terrain, subsidence.

E n bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

C . King, C . Carnee, E . Leroi, F . Girault, E . Chassagneux et al. (1997) - Potentiel et complémentarité des techniques spatiales S A R d'interférométrie différentielle pour la compréhension et le suivi des mouvements de terrain. R a p B R G M R 39457, 46 p., 13 fig., 2 ann.

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Synthèse

Rapport BRGM R 39457 3

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1. CADRE CONTRACTUEL

C e rapport final rend compte d'un travail de recherche entrepris dans le cadre du Programme National de Télédétection Spatiale. C e programme P N T S fédère une vingtaine de laboratoires ou d'organismes nationaux et a pour mission de structurer les actions de recherche en télédétection. Ces recherches ont surtout trait à des développements méthodologiques et constituent un préalable à la généralisation de l'utilisation des observations spatiales et à l'extension du champ d'application de la télédétection à des domaines encore inexplorés. D e ce fait, ce programme participe aussi à l'argumentaire technique et scientifique nécessaire à la préparation des missions spatiales futures. L e Ministère de l'Environnement participe à la définition des appels d'offres et au financement de ce programme et subventionne les projets de recherche abordant des applications potentielles relevant de son domaine d'intérêt.

C e projet est le n°58 sélectionné pour le programme P N T S 95-97. Il a bénéficié d'une subvention n° 95249 de la part du Ministère de l'Environnement et a été réalisé dans le cadre du programme de recherche de la Direction de la Recherche du B R G M au sein du projet "Nouveaux capteurs satellitaires et domaines d'applications en sciences de la Terre "(P01). Plus précisément, ce projet a été nourri par le travail de thèse de doctorat de C . Carnee ( U P 7 - L P C E - B R G M ) qui portait sur l'étude du potentiel d'utilisation de l'interférométrie S A R différentielle.

L e C N E S , département Performance R A D A R , division Qualité et Traitement d'Images Satellite, a apporté sa collaboration essentielle à ce projet dans le domaine de l'exploitation des séries radar par interférométrie. Enfin ce projet a pu être réalisé grâce à la contribution de la société H B C M - Unité d'Exploitation de Provence.

2. RESUME DE L'ETUDE

L'interférométrie S A R différentielle constitue un outil exceptionnel pour mesurer des déformations de surface apparues sur de larges zones (100x100 kilomètres), avec une densité d'échantillonnage des mesures exceptionnelle et une précision millimétrique. Cependant, cette technique ne peut pas être toujours exploitée du fait d'un certain nombre de contraintes d'application. U n e étude des potentialités et limitations de la technique satellitaire a été menée, à la fois d'un point de vue théorique et expérimental dans une perspective de surveillance des mouvements de terrain.

L'évaluation des possibilités de l'interférométrie à partir du premier satellite européen de télédétection ( E R S - 1 ) a été menée sur des sites déjà connus c o m m e instables, incluant des zones sensibilisées par des glissements de terrain et des phénomènes de subsidence. C e choix est motivé d'une part, par la possibilité de valider les résultats interférométriques, d'autre part, par l'opportunité qu'offre cette nouvelle technique d'apporter un complément d'information grâce à la perception synoptique des mouvements en cours sur ces sites d'intérêts.

4 Rapport BRGM R 39457

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L'utilisation de paires d'images, combinées à un Modèle Numérique de terrain, a montré la possibilité d'établir une carte des déformations topométriques affectant le site entre les dates de prise de vue radar, et cela sans qu'il soit nécessaire de déployer des cibles artificielles au sol. L a cartographie des mouvements de terrain exprimée en termes de franges a permis d'extraire les caractéristiques du mouvement . Les dispositifs de surveillance mis en oeuvre tels les réseaux de points cotés, permettent d'établir la validation directe des résultats interférométriques par rapport aux données de terrain. Enfin, les travaux de valorisation des produits interférométriques abordent une approche cinématique de la phénoménologie à travers l'exploitation des séries temporelles d'interférogrammes.

L'application de cette technique d'interférométrie différentielle apparaît donc c o m m e d'un grand intérêt pour la détection et le suivi de petits mouvements de surface qui préoccupent les organismes en charge de la gestion des risques, naturels ou anthropiques.


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Sommaire

Introduction 9

1. Objectifs 13

2 . Méthodologie 15 2.1. Choix des sites et données utilisées 15 2.2. Traitement des données satellitales 16

3. Résultats 19 3.1. Site de Boule 19 3.2. Site de Gardanne 27

Conclusion 37

Bibliographie 39


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Liste des annexes

Annexe 1 - Sites d'études et données utilisées 1.1 - Site test de Boule

1.1.1 - Données utilisées sur Boule 1.2 - Site test de Gardanne

1.2.1 - Données utilisées sur Gardanne

Annexe 2 - Rapport final remis au P N T S


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Introduction

• ENJEUX ET ETAT DE L'ART

L a mise en place d'une action coordonnée pour la réduction des catastrophes naturelles est aujourd'hui une priorité de nombreux organismes scientifiques et programmatiques nationaux et internationaux. Différents comités ou groupes de réflexion ont été constitués à cet effet. Parmi eux, la D I P C N "Décennie Internationale de la Prévention des Catastrophes Naturelles", a été mise en place dès 1990 par 1 T J N E S C O . Elle est soutenue par l'ensemble des pays développés et permet une coordination de l'effort mondial dans ce domaine. Coordonnées dans le cadre de ce programme, de multiples initiatives nationales ou internationales voient le jour, telles que les U S A qui ont créé une action "Utilisation de l'Espace pour la Réduction des Risques Naturels", ou la C E E qui a déjà lancé plusieurs appels d'offres dans le cadre du 4e P C R D sur les m ê m e s préoccupations. E n France on peut citer l'INSU avec le programme National sur les Risques Naturels ( P N R N ) mis en place en 1994, ou le B R G M avec deux programmes majeurs aux Antilles et sur le pourtours Méditerranéen.

Plusieurs groupes multi-organismes travaillent actuellement à évaluer dans quelle mesure les techniques spatiales peuvent contribuer à un programme de risque naturel (volcanique, sismique, hydrologique, glissements de terrain). Parmi les équipes nationales on peut citer le C N E S , le Ministère de l'Environnement, le B R G M , mais aussi des équipes de l'industrie privée c o m m e A L C A T E L , M A T R A , S C O T Conseil... Elles proposent des reflexions et des actions pour évaluer ce que peut être la contribution du spatial aux quatre actions clé :

- compréhension et modélisation de la phénoménologie (aléa) - scénario de catastrophe, évaluation des d o m m a g e s (vunérabilité, risques) - mise en place de réseaux de surveillance et de procédures d'alerte - gestion de la crise (préparation et intervention post-crise).

Des progrès significatifs, notamment pour les deux premiers points, passent obligatoirement par la poursuite de l'accumulation de séries de données, la maîtrise de l'extraction des informations pertinentes, le développement de recherches sur les mécanismes de l'évolution de notre planète et la mise au point de modèles représentatifs dans lesquels l'assimilation de données joue un rôle de premier plan. L'objectif est à terme d'accroître notre capacité à prédire, et plus largement à prévenir les catastrophes naturelles.

Dans cette perspective, les techniques spatiales représentent un atout majeur. Certaines sont déjà considérées c o m m e accessibles pour des actions opérationnelles et nécessitent peu de développements relevant directement du P N T S , notamment en imagerie optique



et exploitation des M N T . Par contre parmi les nouveaux capteurs à notre disposition c o m m e les radars à synthèse d'ouverture, toutes les potentialités sont loin d'être explorées ou validées pour ces domaines d'application. E n particulier, les récents progrès réalisés par la communauté internationale en terme d'interférométrie radar ont rapidement concentré l'intérêt de nombreuses équipes non seulement pour le potentiel d'accès à des M N T , support privilégié pour la caractérisation morphologique des milieux, mais aussi pour le potentiel des techniques différentielles dans le suivi et la compréhension des mouvements (1,2,3,4,5). Les études réalisées avec succès sur l'appréhension de mouvements de grande ampleur (6,7,8) se sont depuis largement diversifiées pour mieux cerner les contraintes et les limites de la détection de mouvements de terrain (9,10,11), extraire les paramètres géophysiques de ces mouvements, identifier les domaines d'application les plus adaptés, et examiner l'éventualité de structures de surveillance à mettre en place.

Références

1. National science and technology council committee on the environment and natural resources subcommittee on natural disaster reduction" Strategy for natural disaster reduction" -. Mars 94. 2. Gabriel, A . K . , Goldstein, R . M . , and Zebker, H . A . , 1989, Mapping small elevation changes over larges areas : Differential radar interferometry, Journal of Geophysical Research, v.94, no .B7, pp.9183-9191. 3. Zebker, H . A . , Madsen, S . N . , Martin, J., Wheeler, K . B . , Miller, T . , Lou, Y . , Alberti, G . , Vetrella, S.,and Cucci, A . , 1992, The T O P S A R interferometric R A D A R topographic mapping instrument, I .E .E.E. Transactions on geoscience and remote sensing, vol.30, n° 5, September 1992. 4. Massonnet, D . , 1992, Perspectives de l'Interférométrie par Radar, Journée S.F.P.T. de Grenoble, 18 décembre 1992, 'Télédétection en montagne', Bul.S.F.P.T. n°127 (1992-3). 5. Gens, R . , V a n Genderen, J.L., 1996, S A R interferometry-issues, techniques, applications, Int. J. Remote Sensing, vol.17, n°10, pp.1803-1835. 6. Massonnet, D . , Rossi, M . , Carmona, C , Adragna, F., Peltzer, G . , Feigl, K . & Rabaute, T . , 1993, The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry Nature Vol 364, n° 6433. 7. Massonnet, D . , Feigl, K . , Rossi, M . , Adragna, F.,1994, Radar interferometric mapping of deformation in the year after the Landers earthquake. Nature vol 369, 227-230. 8. Massonnet, D . , Briole, P . , and Arnaud, A . , 1995, Deflation of Mount Etna monitored by spaceborne radar interferometry. Nature vol 375, 256-570. 9. Massonnet, D . , Rabaute, T . , 1993, Radar interferometry : limits and potential I E E E Trans, on Geoscience and remote Sensing , vol 31, n°2 455-464 (03-1993) 10. Prati, C , Rocca, F. , Monti, Guarnieri, A . , and Damonti, E . , 1990, Seismic migration for S A R focusing : interferometrical applications, I .E.E.E. Transactions on geoscience and remote sensing, vol.28, no.4, July 1990. 11. Goldstein, 1995, Atmospheric limitations to repeat-track radar interferometry, G R L , vol. 22, n°18, pp. 2517-2520.


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• MOUVEMENTS DE TERRAIN : ATTENTES VIS-A-VIS DES TECHNIQUES SPATIALES

Acquis récents au B R G M

L e B R G M développe principalement des actions de prévention et de gestion dans le domaine des risques sismiques, volcaniques et liés aux mouvements de terrain. Dans ce dernier domaine, de nombreuses études ont été réalisées à ce jour, tant en France qu'à l'étranger, pour améliorer la cartographie des différents aléas tels les glissements, écroulements, coulées de boues. L e développement des modélisations analytiques, empiriques, statistiques..., s'est basé dans le meilleur des cas sur la mécanique des milieux continus déformables, et sur la rhéologie.

Les enjeux actuels seraient de traiter la vunérabilité des milieux, voire d'aborder réellement la notion de risque avec la possibilité de réaliser différents scénarios. C e contexte constitue un des moteurs des actions de recherche conduites en télédétection et risques naturels au B R G M .

L'évaluation de l'apport des techniques spatiales dans le domaine des mouvements de terrain a débuté au B R G M avec l'exploitation de photographies aériennes numérisées, permettant de caractériser les indices morphologiques d'instabilité de versant. Elle se poursuit actuellement en testant différentes techniques c o m m e les nouvelles spécifications de résolution et de stéréoscopie de S P O T 5 A (Rouzeau & al. 96), les essais de télétransmission de données instrumentales pour le suivi des mouvements, les tests de constat de variations morphométriques résultant des mouvements en utilisant des ortho-images, des M N T et leurs différentiels (Girault & al. 94a, 94b, Terrier & al. 94). Enfin les techniques de positionnement (repères G P S , balises D O R I S ) sont également testées pour le suivi quantitatif des mouvements. Ainsi sur un site pilote, le site pilote de Boule en Diois (Drôme), le système de mesure de positionnement par satellite D O R I S , expérimenté entre mai et août 92, a mis en évidence non seulement l'activité du glissement, mais la dynamique de son évolution (Girault 93). Mais ce type de résultat n'autorise pas l'extrapolation de la mesure des déplacements à l'ensemble des éléments surfaciques.

Ces approches restent limitées et ne satisfont que partiellement aux besoins d'améliorer la connaissance des mécanismes et la portée du suivi des mouvements : il s'agirait d'une part de disposer de plus d'informations sur tous les facteurs déclencheurs du mouvement, d'autre part de pallier une difficulté inhérente aux mouvements de terrain : entre le mouvement lui-même et ce qui en est perçu il existe des disjonctions très fortes, tant en volume que dans l'espace et le temps.

Attentes vis-à-vis de I'interférométrie

L"interférométrie différentielle avec le S A R de E R S 1 est intéressante au premier chef, si elle permet d'atteindre la perception spatialisée de l'ensemble des mouvements en z qui affecte un site vulnérable. Ceci fournirait des informations qui sont actuellement très insuffisamment accessibles et permettrait d'aider à décrire les champs de déplacement et



de déformation de mouvements en masse ce qui est d'autant plus difficile qu'ils sont souvent rapides et discontinus.

Sur deux sites, instables pour des raisons différentes, les sites de Gardanne (Bouches du Rhône) et Boule (Drôme), les premiers résultats obtenus à partir de séries de données acquises à 35 jours d'intervalle ont donné lieu à des évaluations inégales. Sur le premier site, les résultats ont été confrontés aux mesures des déplacements de surface qui se sont produits aux m ê m e s périodes et s'avèrent encourageants quant à la possibilité de détecter des mouvements de terrain de faible extension spatiale (Carnee & al. 95a , 95b). Mais il faut reconnaître l'échec de la tentative sur le second site, Boule, avec l'utilisation d'un premier jeu expérimental de données du cycle 35 jours acquise en 1992 ( résultats présentés pour mémoire eu §4.1). Cet échec est peut-être imputable à la périodicité des observations trop faible par rapport à la dynamique des mouvements (plusieurs centimètres en X , Y et Z par mois). C'est pourquoi nous avons proposé de tenter d'étudier la détectabilité de ce type de déformations en utilisant des données E R S acquises selon un cycle d'acquisition de 3 jours, une telle phase ayant été conduite expérimentalement par TES A durant l'hiver 1994.

Carnee C , Massonnet D . , Villain JP., King C , 1995 a, Potential application of differential S A R interferometry for monitoring impact of underground mining. Proceeding of The first workshop on S A R interferometry. (Tokyo, December 2, 1994) 41-45. Carnec C , King C , Massonnet D . , 1995b, Measurement of land subsidence by means of differential S A R interferometry, Fifth International Symposium on Land Subsidence (FISOL 95), Barends, Brouwer, Schröder, ed. Balkema. Rotterdam, 139-148. Girault F., 1993, Expérimentation D O R I S sur le glissement complexe de Boule en Diois (Drôme, France), B R G M R37311. Girault F., 1994a, The use of numerical imagery and photogrammetric methods for the monitoring of unstable slopes. Conf. of Royal Soci. "Natural hazards and remote sensing" e d . W A D G E , 51-53. Girault F. , Fleury B . , 1994b, Photogrammetry and digital imagery : application to measuring and defining deformations in unstable slopes. 1st Int. Airborne Remote Sensing Conference E R I M , Strasbourg, vol3, 198-204. Rouzeau O . , Girault F., Bles J.L., King C , 1996, Potentiel de S P O T 5 pour la détection d'indices d'instabilité du milieu naturel, Bull. S .F .P .T . n° 141(1996-1), pp.71-76. Terrier M . , Leroi E . , 1994, Bilan des travaux réalisés pour la fiche de service public n°6403 : analyse par photogrammétrie des mouvements de terrain : glissement des Eaux-Bonnes (64), glissement et coulées de Boule en Diois (26), effondrement de la Côte Basque (64), rapport B R G M R377882.



1. Objectifs

C e projet P N T S concerne les développements méthodologiques d'une technique spatiale : l'interférométrie différentielle de données S A R - E R S . Il s'agit de tester ses performances avec pour objectif prioritaire la caractérisation des mouvements de sites instables : en contexte alpin (versants à pentes prononcées) c o m m e en contexte de subsidence de bassin (naturel ou industriel), les mouvements de faible extension spatiale ou de dynamique rapide sont-ils détectables par les techniques d'interférométrie différentielle et dans quelles conditions?

L e suivi de ces déformations impose des contraintes différentes de celles des tremblements de terre, dans la mesure où les mouvements affectent de petites surfaces, de l'ordre de quelques kilomètres carrés, et se manifestent dans des milieux soit à relief assez contrasté (glissements alpins) soit à morphologie peu marquée (subsidence). D e plus, ces mouvements provoquent parfois une perturbation importante des états de surface et peuvent entraîner une perte de cohérence rédhibitoire pour l'étude du champ de déplacement par techniques radar.

C e projet a examiné plus spécifiquement le potentiel de données E R S 1 de cycles à 3 jours, acquises par l'ESA sur deux sites instrumentés grâce à des programmes de surveillance mis en place par diverses instances, cette instrumentation devant servir de base à la validation des résultats satellitaires : les sites de Boule (Drôme) en conditions alpines, et le site de Gardanne, exploitation minière souterraine en bassin sédimentaire (Bouches du Rhône) .


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2. Méthodologie

L a méthodologie proposée vise à tester la détectabilité de mouvements (technique d'interférométrie différentielle par radar synthétique dite I N S A R ) dans diverses conditions de site, de géométrie et de périodicité d'observation.

2.1. CHOIX DES SITES ET DONNEES UTILISEES

Les sites choisis permettent de poursuivre des expérimentations déjà engagées avec E R S à d'autres périodes. Chacun d'entre eux a été choisi en tenant compte de deux types de critères :

* critères de compatibilité entre caractéristiques des mouvements et contraintes de la technique I N S A R : l'amplitude et l'extension des mouvements doivent être compatibles avec les échelles de temps et d'espace des informations qu'utilise l'imagerie S A R : les changements occasionnés ne doivent que peu modifier la structure de la surface, et la dynamique du mouvement doit produire une déformation relative de la surface qui doit être sensible dans l'intervalle de temps des diverses mesures de distance faites par radar.

* critères " potentiel de validation": il importe que les sites choisis fassent déjà l'objet d'instrumentations importantes relatives à la mesure des déformations effectives durant les m ê m e s périodes d'observation que le satellite, afin de pouvoir valider les résultats à deux niveaux : dans la localisation et dans les ordres de grandeur des mouvements effectifs.

Les sites de Boule en Diois et Gardanne remplissent ces conditions.

Boule en Diois (Drôme) est un site affecté de mouvements de terrain typique des mouvements naturels en condition de relief alpin. Ces glissements occasionnés par des affaissements de versants rocheux s'opèrent à la faveur d'instabilités géologiques importantes avec des modes de déplacements en masse ou en éboulement selon les parties du site. D e s équipements de suivi de mouvements ont été installés dans le programme du programme européen Hycosi à partir du début de l'année 94 donc, couvrant la période du cycle E R S à 3 jours.

Gardanne (Bouches du Rhône) est un exemple de subsidence liée à l'activité industrielle, il est caractéristique des situations rencontrées dans les régions d'exploitation minière souterraine, mais aussi les pompages de fluides souterrains ou de gaz. Depuis 1980, un réseau de points cotés a été défini par la société minière en charge de l'exploitation du site ( H B C M ) de façon à suivre très régulièrement les mouvements (rythme mensuel ou bisannuel).

N o u s avons regroupé en annexe 1 les caractéristiques détaillées de ces sites ainsi que les données utilisées.



2.2. TRAITEMENT DES DONNEES SATELLITAIRES

L e principe de la technique se fonde sur le fait qu'une m ê m e cible vue par deux images radar acquises dans des conditions d'orbite voisines aura une réponse différente et qu'une partie de cette différence est strictement liée à la différence de point de vue des radars, autrement dit à la différence de trajet géométrique du signal. Cette différence est maîtrisable et son exploitation autorise un accès à une information tridimensionnelle plus ou moins directement reliée à la topographie ou, si l'on détient des séries de données temporelles, aux déplacements de surface. Les premiers résultats ont indiqué que la technique différentielle pouvait permettre de détecter avec une précision centimétrique des mouvements locaux à la surface de la terre.

L a méthode est décrite dans la thèse de C . Carnee jointe en annexe. O n peut citer diverses publications, dont les présentations récentes les plus accessibles sont :

Gens R . , V a n Genderen J.L., 1996, S A R interferometry-issues, techniques, applications, Int. J. Remote Sensing, vol.17, n°10, pp.1803-1835. Massonnet D . , 1996, L a télésurveillance par interférométrie radar, Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, 205, réf. 4028, pp. 91-104. Massonnet D . , 1997, L'interférométrie radar par satellite, Pour la Science, n°234, avril 1997.

L a méthode de traitement des données se décompose en plusieurs étapes dont une part essentielle a été réalisée au département Q T I S du C N E S de 1994 à 1996. Actuellement, le B R G M dispose de sa propre chaîne de traitement des données :

- étape 1 : constitution de bases de données de référence sur chacun des sites étudiés ( M N T à différentes mailles, positionnement des cibles suivies au cours du temps, ortho-image S P O T antérieurement acquise). - étape 2 : évaluation de l'inter-trace orbitale et calcul de l'altitude d'ambiguïté à partir de l'orbitographie restituée par l ' E S A / E S R I N . - étape 3 : sélection des données en fonction de cette analyse des orbites les plus favorables à la constitution de couples interférométriques. - étape 4 : élaboration d'un modèle de déformation calculé à partir des résultats de corrélations entre les multi-vues issues du couple de données brutes (maître/esclave) et d'une image radar simulée à partir du M N T et de l'orbite de l'image maîtresse (deux M N T sont fréquemment utilisés, l'un à maille 100 m , l'autre à maille 50 m , pour comparer les performances des résultats selon le M N T utilisé). - étape 5 : injection de ce modèle de déformation dans la chaîne de traitement radar classique des données brutes (présommation, compression en distance, en azimut avec corrections des migrations paraboliques) afin d'obtenir des images en complexes (type S L C ) dans la géométrie de l'image maîtresse.



- étape 6 : traitement interférométrique permettant d'obtenir simultanément :

- image d'amplitude - interférogramme différentiel - image de cohérence.

Ces produits sont délivrés en géométrie radar (i.e. slant range) et en géométrie cartographique (i.e. ground range). - étape 7 : évaluation de la qualité des trois produits finaux pour chaque différentiel, en particulier recherche des artefacts et des causes probables (effets d'orbitographie, de relief résiduel, les conditions météorologiques étant les plus difficiles à identifier). - étape 8 : recherche des couples différentiels permettant le calcul des meilleurs systèmes de frange au droit du site. - étape 9 : établissement d'une série temporelle d'interférogrammes différentiels. - étape 10 : interprétation des franges. - étape 11 : validation par confrontation de ces résultats aux mesures des mouvements déduites des mesures de positionnement faits sur les cibles de référence durant les m ê m e s périodes. - étape 12 : analyse du potentiel de surveillance de site de cette technique.


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3. RESULTATS

3.1. SITEDEBOULC

D e u x approches complémentaires ont été tentées : d'une part l'analyse de séries temporelles pour tenter de détecter des mouvements organisés sur le site de Boule lui m ê m e , par le biais de franges interférométriques. D'autre part, dans l'environnement immédiat de ce site étudier les possibilités de détecter des changements brutaux des états de surface qui pourraient être perçus dans ces données interférométiques et être utilisés c o m m e indicateurs précoces d'une instabilité de site.

3.1.1. Résultats interférométriques

Sur les deux séries de données E R S utilisées, -été 1992 (cycle de répétitivité orbitale 35 jours) et hiver 1994 (cycle 3 jours)-, les résultats obtenus sur Boule se sont avérés très décevants : Aucune frange significative ne s'est révélée c o m m e indicateur d'un déplacement.

O n peut chercher à expliquer cela en analysant les données de cohérence qui sont calculées simultanément aux interférogrammes et qui correspondent en quelque sorte, à des images du degré de "confiance" à accorder à ïinterférogramme. E n règle générale, les surfaces complètement aléatoires c o m m e la mer, les plans d'eau, mais aussi les éboulis ou autres surfaces chahutées par des phénomènes climatiques ont des valeurs de cohérence faible et la détermination des valeurs de phase en ces points sera grandement compromise.

Dans le cas de cette étude, le site de Boule s'avère avoir quasiment tout le temps de très faibles valeurs de cohérence ce qui est la marque de modifications importantes de l'état des surfaces dans les intervalles de temps considérés. A l'analyse ces modifications semblent n'être pas du m ê m e ordre pour les deux périodes :

- en été 1992 : les valeurs de cohérence établies sur le site, et en particulier sur chacune des 2 coulées caractéristiques du site sont très faibles (tableau 3.1 ci-après) traduisent une évolution extrêmement rapide du phénomène en cours

Ces valeurs traduisent en fait une évolution extrêmement rapide du phénomène en cours dont l'appréciation a été établie par d'autres voies : les mesures de positionnement de deux balises Doris situées sur le glissement entre le 21 mai et le 7 août 1992 ont montré des variations spectaculaires [Valette, 1992]. Ces mesures ont été confirmées parallèlement par des relevés topométriques indépendants effectués par l'IGN [Perrussel, 1992]. Elles révèlent un mouvement total au niveau du cône d'épandage de 46,90 m



dates 1 / 2 (baseline 98 m ) (15/07/92 et 19/08/92) moyenne écart-type dates 2 / 3 (baseline 138 m ) (19/08/92 et 23/09/92) moyenne écart-type dates 1 / 3 (baseline 208 m ) (15/07/92 et 23/09/92) moyenne écart-type

Boule (5 * 5 k m )

0.42 0.20

0.44 0.20

0.35 0.18

Zone en mouvement glissement 1

0.38 0.19

0.46 0.15

0.32 0.14

glissement 2

0.31 0.23

0.53 0.14

0.28 0.19

Tableau 3.1 - Valeurs de cohérence issues des données E R S - 1 de 1992 sur le glissement de terrain de Boulc-en-Diois

entre le 20 mai et le 12 août 1992 ! O r , les éléments diffuseurs à l'intérieur du pixel ne peuvent souffrir trop de distorsions internes. E n terme de gradient de déformation, 3 10~3 est la valeur maximale tolérée pour une taille de pixel R A D A R qui représente environ 280 longueurs d'onde pour E R S - 1 .

- hiver 1994 : les pertes de cohérence mesurées au cours du cycle 3 jours 1994 sont plus probablement à imputer à des variations d'humidité relative et à une couverture neigeuse évolutive si l'on se réfère aux données climatiques collectées durant cette période. (fig.3.1.a,b,c,d).

Perrussel, F., 1992, Falaise de Boule (26), Montagne des Piniès : séquence des mesures, Rapport IGN. Valette, J.J., 1992, Expérience de positionnement par le système DORIS sur le glissement de terrain de Boule (Drôme), 22 mai - 7 août 1992, Rapport CLS-Argos.

8 j

7 -

6 -

5

4 ••

3 ••

2

1

0

Précipitations enregistrées à Chatillon-en-Diois du 1 er janvier au 1 2 avril 9 4

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•° s OS 03

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Figure 3. La- Précipitations durant la période hiver 1994



d'amplitude muUioue. sur te ùie de.d* irtraîa dr

fSSfO 13S53 du 07/03/1994 e( 10/03/1994

Azimut "34 km Distance "26 km

Figure 3.1.b - Image d'amplitude multivue sur le site de glissement de terrain de BouIc-en-Diois



Image

SPOT 20

•

1111

d'amplitude simulée à partir du MNT

m ei de l'orbite 13810 (07/03/1994)

28 * 56 km

ÙÊmÊÈÊÊM 11H 1mMM 1•ISS 1

Image d'amplitude- Pixel 40 m -

Orbites 13810 et 13853

EUMÊ

mm

WÊm

mFigure 3. Le



Figure 3.1. d - Localisation du glissement ( 2 x 2 km) et interférogramme différentiel 10/03/1994et 22/03/1994



3.1.2. Détecteur précoce d'instabilité : le cas des barres rocheuses - étude de la perte de cohérence sur des cycles 3 jours

U n e opération de surveillance et d'alerte comporte une étape d'acquisition de données, une étape de transmission de ces données (brutes ou élaborées), et une étape de traitement de l'information qui doit déboucher sur une prise de décision. Parmi les problèmes majeurs qui se posent actuellement, l'un concerne la détermination des seuils d'alerte. Il faut déjà connaître les mécanismes et savoir quels paramètres significatifs des instabilités il faudrait détecter, avant de tenter d'en faire des paramètres opérationnels permettant des prises de décision.

Hypothèse envisagée : E n région agricole plane, la perte de cohérence d'une m ê m e surface observée à deux dates consécutives s'avère être un critère pertinent d'un brutal changement d'état de la surface cultivée qui s'accompagnera d'un changement dans le comportement hydrique du sol : par exemple un labour sur une surface laissée en herbe ou une moisson. Dans le cas de mouvements de terrain, un type de mouvement pourrait se prêter à une tentative de détection précoce par le seul critère de perte de cohérence fourni par un couple de données interférométriques différentielles : les mouvements de barres rocheuses instables. U n e éventuelle perte de cohérence de ce type de cible entre deux dates d'observation peut-elle correspondre à un brutal déplacement et, dans ce cas, constituer un signal très intéressant bien qu'incomplet pour identifier des mouvements de rupture? (fig. 3.1.e).

Méthode : U n test méthodologique s'est fondé sur l'examen de la réponse de diverses barres rocheuses en interférométrie différentielle. U n échantillonage de zones constituées de barres rocheuses a été contrôlé mais avec un écart de deux ans entre l'acquisition des données et le terrain.

L a sélection de ces zones a tenu compte des contraintes de géométrie des barres rocheuses (sont-ce des réflecteurs puissants, sont-ils différents des autres réflecteurs, comment les retrouver dans toutes les images?..), mais la disponibilité d'un modèle de terrain disponible n'a pas autorisé une détermination stricte voire automatisable de ces formes de relief particulière (pas d'algorithme d'extraction automatique des lignes de crêtes).

L a base de données disponible (images radar et produits interférométriques, ortho-image S P O T et M N T toutes données rendues compatibles géométriquement) a permis de sélectionner simultanément les zones selon leur valeurs de cohérence, leur position altitudinale, leur orientation et leur degré de couvert végétale (flg. 3. l.f). L'enquête de terrain a permis de compléter ces informations avec la recherche de signes d'instabilités récentes manifestes c o m m e la présence d'éboulements récents ou de zones récemment dévégétalisées en lien avec des loupes de glissements ou des pierriers actifs, indices qui peuvent perdurer plusieurs saisons.

Résultats : Il s'est avéré que les fortes variabilités observées dans les pertes de cohérence de ces cibles n'étaient pas à mettre en lien avec des indices visibles d'instabilité de sites.


IIIIIIIIIIIIII1IIIIII


Par contre les variations observées se sont avérées très liées à la distribution desorientations de pente : les pertes de cohérence étant associées plus fréquemment auxpentes "éclairées" par le radar (fig. 3.1 .g).

De plus il semble que, sur ces versants, les zones boisées ont des valeurs de cohérenceplus faibles que les zones non boisées.Les données de météorologie locale ne sont strictement compatibles aux dates étudiéesmais n'autorisent pas à confirmer un effet d'orientation des vents dominants commeorigine des pertes de cohérence par agitation des branches.

Sans préjuger de relation plus ou moins étroite entre la distribution du relief et les valeursde cohérence, on peut donc signaler qu'identifier les causes de perte de cohérence s'avèreun exercice périlleux. Il reste à ce jour délicat en conditions de forts reliefs d'envisagertirer directement partie de la perte de cohérence des surfaces comme information fiabled'un mouvement brutal.

Figure 3. Le- Exemple de site en barre rocheuse



SAK géocodé*el dérivéi Inlerféro.

ïCohérence

\

MNT

IValeur de pente

orientation

\

OrthoSPOT

1Couvert végétal

1Analyse île la dlitrlbulion dei pertes de cohérence

Figure 5.7./- Méthodologie

100 380

orientation pente

0 — — — - ~ — 5 kmFigure 3.1.g - (a) distribution spatiale des valeurs de cohérence selon les pentes

(b) et histogramme bidimensionnel



3.2. SITE DE GARDANNE

Les m ê m e s orbites et les m ê m e s dates d'observation ont été utilisées pour étudier ce deuxième site instable (fig. 3.2.a).

3.2.1. Données satellitales

Scènes Cycle

Image 1 Image 2 Image 3

2727 3 jours

Acquisitions 07/03/1994 10/03/1994 22/03/1994

Orbites 13810 13853 14025

Etude de la cohérence Les résultats de mesure de cohérence montrent que les sites urbains (le long de la côte méditerranéenne), les zones industrielles (autour de l'étang de Berre) et les cibles artificielles apparaissent particulièrement cohérents (fig. 3.2.b). C e type de région, où l'activité agricole est peu développée, où la végétation, de type méditerranéenne, est peu sensible à l'évolution des saisons, offre des conditions favorables à l'utilisation de la technique interférométrique.

Résultats interférométriques Sur la figure 3.2.b est représentée la partie du gisement en exploitation depuis 1990 qui s'étend sur une zone d'environ 5 k m N - S et 2 k m E - O , et répartie en plusieurs pôles d'activité. Chaque bloc correspond à l'avancée mensuelle du front de taille, en noir ceux exploités au cours des 15 mois précédant l'acquisition des images E R S - 1 , en blanc, ceux dont l'exploitation s'est faite simultanément aux dates de prise de vue (fig. 3.2.c).

E n superposant à notre interférogramme différentiel ce schéma d'exploitation (fig. 3.2.d), on constate 2 impacts : l'un situé à l'aplomb du pole en activité à cette date et le second, plus au N o r d , situé dans une zone anciennement minée. Il apparaît ainsi que le produit interférométrique différentiel détecte effectivement des changements de surface dans la zone d'activité minière souterraine, et ce sans qu'il ait été nécessaire de disposer au sol de cibles artificielles particulières (fig. 3.2.e). L a comparaison avec les relevés de terrain a été réalisée pour chacun des réseaux de points cotés. Elle a permis de montrer que l'amplitude des déformations mesurée par interférométrie était du m ê m e ordre que celle mesurée le long des réseaux de surveillance (environ 22 m n en 15 jours).

L'étude réalisée sur ce site depuis 1992 a permis la détection d'impacts miniers localisés sur la concession minière et le suivi des affaissements sur une période de 3 ans (12 interférogrammes générés entre 1992 et 1995). L'amplitude des déformations mesurées par interférométrie a pu être validée grâce au dispositif de surveillance mis en place par les exploitants industriels, et une parfaite corrélation a pu être observée entre l'avancée


PNTS 95-97 - Mouvements de tenain et interférométne différentielle

souterraine des fronts d'exploitations et les déplacements spatiaux-temporels des auréolesde subsidence (fig. 3.2.f).

S200CO

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130000 -X

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53000C

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u 1381C

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- 13853

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S60OO0

S70000

1870O00

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H - 130000

11

Figure 3.2. a - Image des amplitudes (pixel 40 m) et localisation de la zone d'exploitation



£p\"V "t-^ 1PP?S

Figure 3.2.b ~ Images de cohérence codée entre 0 (noir) et 1 (blanc)du cycle 3 jours de l'hiver 1994



Interférogramme s.A.R. différentiel, schéma d'exploitation minière et réseaude surveillance topographique de l'Unité d'Exploitation Provence - Gardanne

Orbites ERS-1 13853 et 14025 du10/03/1994 et 22/03/1994

848000 850000 852000 854000

134000

132000

130000

134000

132000

130000

KSI orne ters

• -f- Réseau de points cotés

• En noir, tranches en exploitation entre 09/1992 et 31/12/1593En blanc, tranches en exploitation depuis 01/1994

Figure 3.2. c



Interférogramme S.A.R. différentiel, schéma d'exploitation minière et réseaude surveillance topographique de l'Unité d'Exploitation Provence - Gardanne

Orbites ERS-113S10 et 14025 du07/03/1994 et 22/03/1994

136000848000 850000 852000 854000

134000

132000

130000

136000

134000

132000

130000

348000 850Q00

• + Réseau de points cotés

852000 8540000

Klloimeters

En noir, tranches en exploitation entre 09/1992 et 31/12/1993En blanc, tranches en exploitation depuis 01/1994

Figure 3.2.

Rapport BRGM R 39457


Interférogramme SAR différentiel entre07/Q3/1994 et 22/03/1994

Orbites 13810- 14025

830000 830000 «0000 850000 HD00D snooo

MDOOO

130000

MOOOD 85D00D

«««

K00D

130000

8SDQ00

mmm«««ta 130000

Figure 3.2. e


15/07 - 19/ÛH/1992, 35 days

0

I

07/03 - 22/03/1994, 1 5 d a y s

'•'"'• '~ " j S t '• ' •'»'?:'ï' '-

Kilometers

- 01/09A995, 142 days

28 mm

3en

o

i3CD

1333:CD

9.

5"

cienFigure 3-2.f- Suivi des déformations entre 1992 et 1995 sur la zone d'exploitation minière de

Gardanne avec superposition du réseau de surveillance mis en place par HBCM.Migration des auréoles de subsidence


4. Conclusion

Les perspectives qui s'ouvrent avec cette méthode sont très encourageantes pour faciliter la cartographie de l'évolution des terrains. Mais les performances restent encore très inégales selon les sites, les conditions d'observation et les caractéristiques des mouvements considérés.

D e s problèmes manifestes sont apparus sur le site de Boule, glissement de terrain en masse en contexte alpin, car la détection de mouvements s'est trouvée perturbée par diverses causes (causes intrinsèques au site c o m m e la géométrie des pentes par rapport aux visées radar, les variations d'états de surface, la dynamique du mouvement, ou causes extrinsèques c o m m e les variations de météorologie locale-vents locaux).

Gardanne, site étudié par les m ê m e s techniques et présentant des conditions plus favorables, a donné lieu à des résultats très significatifs sur la m ê m e série de données de l'hiver 1994. Sur ce site de subsidence minière, la détection des auréoles de subsidence est effective, bien localisée et indique des déplacements du m ê m e ordre de grandeur que les mesures faites ponctuellement sur le terrain par les géomètres. Depuis, le suivi satellitaire s'est poursuivi en 1995 et 1996 dans le cadre de la mission T A N D E M de l'Agence Spatiale Européenne et les résultats sont encore confirmés (Carnee & al. 96). D e m ê m e on peut citer ici un autre cas de glissement de terrain en conditions de versant instable sur lequel le B R G M a réalisé des travaux en collaboration avec le C N E S durant la m ê m e période que ce projet P N T S avec des résultats très satisfaisants : le site de la Clapière (Achache & al. 96, Fruneau & al. 96, Carnee & al. 96).

Ces résultats concrets obtenus grâce à des campagnes expérimentales ont vraiment confirmé les possibilités de détection de mouvements de terrain de taille compatibles avec les problèmes auxquels sont confrontés les équipes de protection/prévention du B R G M . D e plus, à ces échelles d'étude locales, on peut espérer minimiser les causes d'erreur largement signalées dans la littérature et touchant aux problèmes atmosphériques. Au-delà de ces mises en évidence du pouvoir de détection des mouvements, la perspective est double :

(i) en termes de surveillance : on peut envisager de compléter un système de surveillance des sites jugés à risque, lorsque la géométrie des sites et les types de mouvements sont favorables à la reproductibilité des détections.

(ii) en termes de compréhension des phénomènes, il est envisageable d'utiliser ces informations pour alimenter des modèles déterministes décrivant le développement des mouvements.


PNTS 95-97 • Mouvements de terrain et interférométrie différentielle

D e s résultats de ce type peuvent être renforcés sur de longues séries temporelles et seront un support tangible pour nourrir, faire évoluer ou valider les modèles de prévision de subsidence ou de glissements de terrain, selon les modalités de couplage envisagées.

L'évaluation de ces techniques spatiales constitue une des étapes dans les actions de recherche conduites pour faire progresser la compréhension et le suivi des mouvements de terrain, et plus généralement les méthodes relatives à la prévision et la prévention des risques naturels. A terme, le but est de faire converger les méthodes disponibles pour affiner la prévision des occurences des phénomènes. D e nombreux développements restent également souhaités dans le domaine de techniques relevant d'autres instances que la télédétection c o m m e la transmission en temps réel, la disponibilité de M N T à maille fine sur tous les sites de surveillance, les techniques d'auscultation locale ....

A C H A C H E J., F R U N E A U B . , D E L A C O U R T C , 1996, Applicability of S A R interferometry for operational monitoring of landslides, proceedings of the 2nd ERS Applications Workshop, London, U K , 6-8 December 1995 -ESASP-383, February 1996. F R U N E A U B . , Achache J., Delacourt C , 1996, Observation and modelling of the Saint-Etienne-de-Tinee landslide using S A R Interferometry, Tectonophysics, 265,181-190. C A R N E C C , M A S S O N N E T D . , K I N G C , 1996, T w o examples of the use of S A R interferometry on displacement fields of small spatial extension. Geophysical Research Letters, vol. 23, n°24, december 1,1996, pp 3579-3582.


PNTS 95-97 • Mouvements de terrain et interférométrie différentielle

Bibliographie

Articles

Carnee C , Massonnet D . , King C . (1966) - T w o examples of the use of S A R interferometry on displacement fields of small spatial extension, Geophysical Research Letters, vol. 23, n° 24, december 1, pp. 3579-3582.

Carnee C , King C , Massonnet D . (1995) - Measurement of land subsidence by means of differential S A R interferometry. Proceedings of the Fith International Symposium on Land Subsidence, FISOLS 95, (ed.Balkema) La Haye (Pays-Bas), 16-20 octobre 1995, pp. 139-148.

Carnee C , Massonnet D . , King C . (1995) - Potentiel d'Application de lTnterférométrie Symposium: "Extraction de paramètres bio-géophysiques à partir de données R S O pour les applications terrestres" CNES/IEEE, 628-639.

Carnee C , Massonnet D . , Villain JP., King C . (1995) - Potential application of differential S A R interferometry for monitoring impact of underground mining. Proceeding of The first workshop on S A R interferometry. ( T O K Y O , December 2, 1994)41-45.

Communications

Carnee C , King C , Massonnet D . , (1996) - Potential application of differential S A R interferometry for monitoring ground movements, 30th Int. Geological Congress Beijing, China 4-14 août 96, n°J-4-24 07942 6890, p. 467.

Carnee C , Massonnet D . , King C , Rabaute T . , (1996) - S A R interferometry for monitoring land subsidence : application to areas of underground earth resources mapping E S A Fringe'96 Workshop, Zürich.

Carnee C , King C , Massonnet D . , (1996) - Applications de l'interférométrie S A R différentielle à l'étude des mouvements de terrain, 16ème Réunion des Sciences de la Terre - Dynamique et Economie de la Terre, Orléans, 10-12 Avril 1996.

Carnee C , King C , (1996) - Monitoring the impact of underground mining, E S A SP-1176/JJ - Applications Achievements of E R S - 1 , 97-98.

Carnee C , Delacourt C , Fruneau B . , King C , Avouac J.P., Achache J., (1997) -Potential application of T A N D E M mission for detecting and monitoring small terrain movements in underground mining zone by S . A . R . Interferometry, 3rd Symposium E R S , Florence, Italy, 18-21 March 1997.

Thèse

C A R N E C C . pour l'obtention du diplôme de Doctorat de l'Université Denis Diderot, Paris 7 (UFR de Physique), mars 1996, Interférométrie S A R différentielle. Application à la détection et au suivi de mouvements de terrain - édition document B R G M n° 252.


PNTS 95-97 - Mouvements de terrain et ¡nterfêrométrie différentielle

Annexe 1

Sites d'études et données utilisées

ANNEXE 1.1 - SITE TEST DE BOULC

Le site pilote, localisé dans le Sud-Est de la France (fig. A . 1.1), dans les Préalpes calcaires du Diois, est un site unique, remarquable à la fois par l'ampleur des phénomènes qui s'y déroulent et par leur caractère exceptionnel (éboulements rocheux, coulée de boue). Il a déjà fait l'objet de descriptions très détaillées [Morisseau et Aste 1988, Malatrait 1992, Girault 1992, Terrier et Leroi 1994]. Les mécanismes mis enjeu dans son évolution font de cette zone un cas idéal et complet d'étude des mouvements de terrain, ce site étant l'un des plus grands existants dans l'arc alpin avec le site de la Clapière.

Plusieurs campagnes de suivi, par balise et aéro-photogrammétrie ont donné une première indication des types de mouvements à attendre : les mouvements y sont quasi continus, mais s'organisent dans plusieurs directions. Le glissement s'opère à la faveur d'une instabilité géologique importante, évolue vers un m o d e de déplacement qui relève de l'écoulement. Les matériaux transportés et mélangés, tantôt grossiers (rochers, blocs, arbres déracinés), tantôt visqueux (marnes, boue, alluvions,...), plus souvent encore hétérogènes, s'étalent en cône. Entre les deux, un chenal, en pente sur la falaise, assure le transit des matériaux de la source vers le lobe du bas du versant (se reporter à la planche DORIS).

C e site est déjà fortement instrumenté. Il est utilisé c o m m e référence nationale dans le programme de risques naturels coordonné par l'équipe de Risques Géologiques basée au B R G M Marseille. Il fait de plus l'objet de programmes de recherche C E E (projet H Y C O S I ) pour améliorer la connaissance phénoménologique des mouvements de terrain, notamment l'appréciation des mécanismes déclencheurs liés à l'eau et la caractérisation des mouvements. Enfin il a une position géographique favorable aux phases 3 jours de E R S 1.

Annexe 1.1.1 - Données utilisées sur Boule

Données de base : carte géologique et photogrammétrie - analyse géologique et cartes simplifiées : plans en courbes de niveau (échelle l/2000e

ou 1/5 0 0 0 e de 1980 et 1988) [Morisseau et Aste, 1988] - analyses photogrammétriques (réalisées à partir de clichés aériens de 1980 et 1988 par

l'IGN) - métrologie de la falaise surplombant le cirque par l'IGN [Perussel 1992] - auscultation par imagerie numérique, reprenant les données photogrammétriques de 1980 et 1988 et incluant des données de 1991 (cartes d'isodéformation verticale) [Girault, 1992, rapport B R G M R36132]



S-Ji

s¡; drillt

Figure A.1.1 ~ Localisation du site test extrait (réduit) de la carte IGN au 1/25 000



Images satellitaires - images S P O T (050/250 des 15/06/1991 et 30/08/1991)

MNT - M N T à maille fine de 1980, 1988, 1991 (5mx5m au plus) et une orthophotographie de

1991. - M N T I S T A R maille 20 m issu des données S P O T précédentes. - acquisition d'un modèle numérique de terrain de type I S T A R ( M N T A E R O ) et de

l'orthophoto correspondante, base de référence de l'étude par interférométrie. C e M N T maille fine (2mx2m), réalisé à partir des enregistrements effectués lors du vol aéroporté de l'IGN du 28/06/93, a été calé par l'utilisation d'un système de repérage au sol G P S pour accroître la qualité et la fiabilité des M N T A E R O .

Positionnement - auscultation topométrique réalisée par la société Sintégra, spécialisée en mesures de

positionnement, les 10 et 11 juin 1993, soient 14 points de mesure, ajustés sur 3 points d'appui I G N . Les mêmes opérations se sont déroulées en automne (15/11/93) et en mars et en avril 1994. Les dates ont été arrêtées en fonction des conditions climatiques, et particulièrement des conditions d'enneigement. Ce suivi des mouvements permettra d'encadrer la période d'acquisition de données ERS-1 à 3 jours (phase D de fin décembre 93 à avril 94). La base de données ainsi constituée offre un critère de validation des produits interférométriques qui font l'objet de ce projet.

- résultats d'une expérimentation menée avec la société C L S - A R G O S à l'aide du système D O R I S pendant quatre mois en 1992 [Valette 1992]

Métrologie in situ - suivi des conditions d'humidités des versants depuis le mois de février 94 à partir d'un

réseau de capteurs H U M E L O G , développé par B R G M / G E G . - relevés pluviométriques automatiques.

Interférométrie cycle 35 jours (15/07, 19/08 et 23/09/1992) et 3 jours (07/03, 10/03 et 22/03/1994)

- série d'images S A R E R S 1 en mode R a w data sur la période juin à Octobre 1992, traitées sur la chaîne interférométrique du C N E S / Q T I S selon les procédures édictées par D . Massonnet, ainsi que l'archive des produits dérivés y afférant (images en amplitude basse résolution, images des corrélations, images des cohérences et interférogrammes différentiels).

ANNEXE 1.2- SITE TEST DE GARDANNE

Cadre géographique et exploitation minière

La zone d'intérêt sélectionnée, à environ 20 k m au Nord de Marseille, à proximité de Gardanne, se situe dans le bassin sédimentaire de l'Arc, au pied de la montagne Sainte-Victoire (fig. A . 1.2). L'épaisseur de l'alternance de formations carbonatées et argileuses (Campanien à Eocène) que constitue le bassin fluvio-lacustre de l'Arc est supérieure à



1 500 m . Seule la couche dite "Grande Mine" de la série carbonatée inférieure du Fuvélien (Campanien supérieur) fait l'objet d'une exploitation dans le secteur de Gardanne.

E n 1980, les Houillères de Provence ont décidé d'exploiter trois longues tailles d'une ouverture de 3 m à une profondeur de 800 m dans le gisement de lignite (Crétacé) en place qui se trouve sous la faille chevauchante de la Diote. Cette faille a déplacé, au cours du chevauchement, les couches ligniteuses qui constituent le gisement dit "charrié".

Lorsqu'une excavation est créée dans le sous-sol, les terrains la surplombant tendent à la combler, l'équilibre du milieu naturel est perturbé et on s'achemine vers un nouvel équilibre après l'affaissement des couches du toit de l'excavation. D e proche en proche ce mouvement se communique aux couches supérieures et se propage ainsi vers la surface où une cuvette d'affaissement se forme. L'affaissement maximal possible est théoriquement égal à l'épaisseur de la veine exploitée multipliée par un facteur de tassement. C e facteur dépend de la technique d'exploitation et du système de remblayage utilisé.

Si le mécanisme des affaissements est bien connu dans les grands bassins miniers, tels que les Houillères ou les mines de fer de Lorraine, où des règles de prévision ont pu être mises au point sur des bases semi-empiriques, il n'en va pas de m ê m e pour les petits gisements où la variété des conditions géologiques et géotechniques ainsi que des méthodes d'exploitation interdit le recours à des règles établies dans des bassins où les conditions naturelles sont parfaitement connues et relativement constantes. L a prévision des affaissements nécessite la prise en compte de la géologie du recouvrement et des conditions minières nouvelles. Ainsi l'accroissement de la vitesse des exploitations permise par l'utilisation du soutènement marchant en taille foudroyée devra être considéré c o m m e un paramètre essentiel de la vitesse d'affaissement en surface et donc des pentes transitoires induites qui sont responsables de nombreux dégâts.

1.2.1 - D o n n é e s utilisées sur G a r d a n n e

Dispositif in situ de suivi des mouvements

U n suivi des mouvements, mensuel ou bisannuel, est assuré par la H B C M sur une très longue durée (depuis 1980). L e tableau ci-aprés résume la base de données de validation disponibles sur le site d'exploitation de Gardanne-Meyreuil.

Réseaux

SNCF Eguilles

Arbois-Nord

Simiane

Bouc-Bel-Air

Densité de points

80 (puis 160)

36 45

79 62

Fréquence des relevés

annuelle (puis bi-annuelle)

mensuelle

annuelle puis tous les 3 mois depuis 1993

2 à 3 fois / an

annuelle

Date de référence

1986 (ou 1991)

Jan-92

Nov-92

1984

Jul-91


P N T S 95-97 - Mouvements de terrain et interférométrie différentielle

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Figure A. 1.2 - Localisation du site

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N o u s disposons par ailleurs du plan d'ensemble de l'exploitation (dernière mise à jour 1996) de l'Unité d'Exploitation de Provence (document classé confidentiel non-publié). H nous est apparu opportun de pouvoir comparer l'avancée du front d'exploitation avec les dénivelés enregistrés.

MNT

- M N T I G N maille 50 m superficie 220 k m 2 et maille 100 m superficie 11 000 k m 2 -

Métrologie in situ

- relevés pluviométriques automatiques.

Interférométrie

- cycle 35 jours (été 1992) et 3 jours (hiver 1994) remarque : les sites de Boule et Gardanne présentent la caractéristique d'être positionnés sur la m ê m e trace orbitale. Les dates d'acquisition des données radar sont identiques.


PNTS 95-97 - Mouvements de terrain et ¡nterféromêtrie différentielle

Annexe 2 Rapport final remis au PNTS

P R O G R A M M E NATIONAL DE TÉLÉDÉTECTION SPATIALE

RAPPORT DE FIN DE CONTRAT

contrat notifié en 1995

TITRE : Potentiel et complémentarité des techniques spatiales S A R d'nterférométrie différentielle pour la compréhension et le suivi de mouvements de terrain

L A B O R A T O I R E (adresse et téléphone) : B R G M , Direction de la Recherche Département Géophysique et Imagerie Géologique av. C . Guillemin B P 6009 45060 O R L E A N S C E D E X

R E S P O N S A B L E S SCIENTIFIQUES : C . C A R N E C , C. K I N G et E . L E R O I

Collaborations :

CNES, QTIS - Toulouse / D . Massonnet B R G M SGN/UPE Risques Naturels - Marseille / D . Chassagneux B R G M D R / G I G / F. Girault H B C M / M M . Dejean & Dommanget

D A T E P R É V U E D U R A P P O R T FINAL : décembre 96

R A P P E L D E S O B JECTD7S SCIENTIFIQUES E T D U C A L E N D R I E R :

/ / était proposé de tester le potentiel de nouvelles techniques spatiales pour détecter des mouvements de terrain et les conditions de leur déclenchement: les ite pilote choisi enpriorité est le glissement de terrain de Boule en Diois (Drôme), instrumenté grâce à un programme européen (HYCOSI). L'objectif est à terme de savoir si ces techniques peuvent permettre d'améliorer soit la connaissance des mécanismes régissant les mouvements de terrain soit leur suivi temporel. Le déroulement a comporté trois phases : - constitution de séries temporelles ERS1 - exploitation de ces séries en terme de détection de mouvements



- exploitation de ces séries en terme d'informations connexes sur l'instabilité des sites : potentiel d'appréciation de l'humidité des sols en versant, potentiel de détection de changement liés à la perte de cohérence du signal interférométrique.

ETAT D'AVANCEMENT DES TRAVAUX (Résultats obtenus et difficultés rencontrées pendant l'année en cours) (une page m a x i m u m ) :

Niveau 1 : fabrication des interférogrammes. en collaboration avec le C N E S - Q T I S Niveau 2 : potentiel de détection de mouvements . - analyse de cycles E R S 1 , soit à 3 jours soit à 35 jours, L e site de Boule n'apportant pas toutes les réponses souhaitées, les m ê m e s techniques ont été testées sur deux autres sites : le site de la Clapière (glissement de terrain instrumenté) et le site de Gardanne (subsidence minière instrumentée). Niveau 3 : paramètres complémentaires. - exploration des informations de cohérence et de corrélation pour analyser les causes de succès ou d'échecs dans la détection d'un mouvement et pour observer des changements d'états de surface : dans le cas particulier du repérage de barres rocheuses et de leur suivi par voie interférométrique (site de Boule) : pas de résultats significatifs. - évolution du coefficient de rétrodiffusion avec les conditions d'humidité du site: les capteurs installés sur le site de Boule n'ont pas été fonctionnels durant toute la série temporelle de E R S 1 - 3 5 jours (février à mai 94) acquise spécialement à cet effet. Les comparaisons ont été faites avec les relevés météorologiques et sont cohérentes sans autoriser une quelconque estimation d'humidité. Niveau 4 : phénoménologie et modélisation des mouvements . - possibilité d'extraction des informations cinématiques issues d'une série temporelle et analyse 3 D : développée sur le site de la Clapière. [jRi]- approche phénoménologique par prise en compte de modèles de déformation de surface, développé sur le site de Gardanne. L'essentiel des résultats portent sur les niveaux 2, potentiel et limites de détection de mouvements de faible extension spatiale, et 4, pour les possibilités de couplage à des modèles de compréhension des processus d'instabilités de site ; ces résultats prometteurs ont été valorisés dans la liste ci-dessus et se poursuivent par un programme de développement spécifique au B R G M .


BRGM Service Reprographie

Impression et feçonnage

BRGM DIRECTION DE LA RECHERCHE

Département Géophysique et Imagerie Géologique BP 6009 - 45060 ORLEANS CEDEX 2 - France - Tél. : (33) 02.38.64.34.34

i potentiel et complémentarité des techniques spatiales...

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