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MESURES DES DÉPLACEMENTS 2D D’UN

BARRAGE D’HYDRO-QUÉBEC À PARTIR DE

L’ESPACE PAR INTERFÉROMÉTRIE RADAR

Y. Bouroubi, M. Benoit, C. Gosselin, V. Sarago

Effigis Geo-Solutions, Montreal, QC

Benoit Deschesne Unité d’auscultation des ouvrages, Hydro-Québec

C o n t e n u

Contexte et objectifs

Site d’étude et données

La technologie DInSAR

Principes

La géométrie à 2 orbites

Résultats

Déplacements DInSAR (horizontaux et verticaux)

Validation avec des mesures terrain

Conclusion

2

Contexte et objectifs

I n t r o d u c t i o n

3

• Barrages : sujets à des pressions extrêmes qui varient en fonction du volume/dynamique

de l’eau dans le réservoir.

• Selon le type, l'âge et les conditions, un barrage peut bouger (printemps – été)

verticalement et horizontalement de quelques mm à quelques cm

• Techniques conventionnelles de monitoring : précises, mais ponctuelles, complexes

(conditions météo, accessibilité, etc.) et coûteuses

Contexte et objectifs

I n t r o d u c t i o n

4

• L’interférométrie SAR différentielle (DInSAR) : technique basée sur l’utilisation de la phase

du signal SAR pour mesurer les petits déplacements des cibles au sol

• DInSAR : utilisé avec succès pour le suivi des barrages à l’aide des données SAR comme

RADARSAT-2, TerraSAR-X, ALOS PALSAR, COSMO-SkyMed.

Acquisition 1 Acquisition 2 Paire interférométrique interférogramme

Pur

Perturbé

0

2π

• Un projet entre Effigis et Hydro-Québec (l’unité Auscultation des ouvrages de

la direction Barrages et Infrastructure) utilisation de la technologie DInSAR

pour le suivi des mouvements 2D du barrage de la Romaine-2

• Objectif principal : mesurer avec une précision millimétriques le déplacement

horizontal and vertical durant la phase du remplissage du réservoir

• Alternative moins coûteuses et de précision acceptable

Contexte et objectifs

I n t r o d u c t i o n

5

• Romaine-2 fait : complexe hydroélectrique La

Romaine situé sur la Côte-Nord du Québec

• Inclut un réservoir, un barrage et des digues

• Le barrage : hauteur de 121 mètres

• Le réservoir : peut atteindre 85.8 km2

• Déplacements Y et Z anticipés (nouvel

ouvrage) à chaque cycle de remplissage

• Ces déplacements sont couramment

mesurés par Hydro-Québec par les

méthodes conventionnelles (arpentage)

Site d’étude : barrage Romaine-2

S i t e d ’ é t u d e e t d o n n é e s S A R

6

• 14 images polarisation HH acquises en mode StripMap entre le 4 juin et le 17 octobre 2015

• Angle d’incidence : 39 degrés en orbite descendante et 44.5 degrés en orbite ascendante

• Résolution au sol : 0.9 m x 1.85 m

Paires interférométriques TerraSAR-X

S i t e d ’ é t u d e e t d o n n é e s S A R

7

Intensité TerraSAR-X sur le barrage Romaine-2

Paires interférométriques TerraSAR-X

S i t e d ’ é t u d e e t d o n n é e s S A R

Pair

number

Master

date

Slave date Temporal

baseline

Perpendicular

baseline

1 2015-06-04 2015-06-26 22 -6.37

2 2015-06-04 2015-07-18 44 51.25

3 2015-06-04 2015-08-09 66 12.89

4 2015-06-04 2015-08-31 88 -31.22

5 2015-06-04 2015-09-22 110 -86.08

6 2015-06-04 2015-10-14 132 -16.47

7 2015-06-26 2015-07-18 22 51.25

8 2015-06-26 2015-08-09 44 12.89

9 2015-06-26 2015-08-31 66 -31.22

10 2015-06-26 2015-09-22 88 -86.08

11 2015-06-26 2015-10-14 110 -16.47

12 2015-07-18 2015-08-09 22 12.89

13 2015-07-18 2015-08-31 44 -31.22

14 2015-07-18 2015-09-22 66 -86.08

15 2015-07-18 2015-10-14 88 -16.47

16 2015-08-09 2015-08-31 22 -31.22

17 2015-08-09 2015-09-22 44 -86.08

18 2015-08-09 2015-10-14 66 -16.47

19 2015-08-31 2015-09-22 22 -86.08

20 2015-08-31 2015-10-14 44 -16.47

21 2015-09-22 2015-10-14 22 -16.47

Paires TerraSAR-X acquises en orbite ascendante

• 7 images ascendantes 21 paires

interférométriques

• Toutes les paires possibles (baselines

temporelles) ont été analysées

• Toutes les paires interférométriques étaient

utilisables : baseline perpendiculaires

adéquates; sans neige

Paires interférométriques TerraSAR-X

S i t e d ’ é t u d e e t d o n n é e s S A R

9

Pair

number

Master

date

Slave date Temporal

baseline

Perpendicular

baseline

1 2015-06-07 2015-07-10 33 -101.32

2 2015-06-07 2015-07-21 44 -27.71

3 2015-06-07 2015-08-12 66 26.26

4 2015-06-07 2015-09-03 88 61.42

5 2015-06-07 2015-09-25 110 -43.77

6 2015-06-07 2015-10-17 132 -21.95

7 2015-07-10 2015-07-21 11 -27.71

8 2015-07-10 2015-08-12 33 26.26

9 2015-07-10 2015-09-03 55 61.42

10 2015-07-10 2015-09-25 77 -43.77

11 2015-07-10 2015-10-17 99 -21.95

12 2015-07-21 2015-08-12 22 26.26

13 2015-07-21 2015-09-03 44 61.42

14 2015-07-21 2015-09-25 66 -43.77

15 2015-07-21 2015-10-17 88 -21.95

16 2015-08-12 2015-09-03 22 61.42

17 2015-08-12 2015-09-25 44 -43.77

18 2015-08-12 2015-10-17 66 -21.95

19 2015-09-03 2015-09-25 22 -43.77

20 2015-09-03 2015-10-17 44 -21.95

21 2015-09-25 2015-10-17 22 -21.95

Paires TerraSAR-X acquises en orbite descendante

• 7 images descendantes 21 paires

interférométriques

• Toutes les paires possibles (baselines

temporelles) ont été analysées

• Toutes les paires interférométriques étaient

utilisables : baseline perpendiculaires

adéquates

I n t e r f é r o m é t r i e S A R

10

• DInSAR : basé sur les différences de mesures de la phase (Δφ) entre

deux acquisitions radar SLC baseline perpendiculaire B┴

• Phase interférométrique (Δφ) : liée au déplacement de surface et à

d’autres paramètres

Principes

λ = 3 cm

Point stable

I n t e r f é r o m é t r i e S A R

11

Interférogramme φgeom : composante géométrique à partir des paramètres orbitaux

φtopo : composante topographique à partir d’un MNE

φatm : interférences atmosphériques (bruit) techniques d’atténuation

φdisp : composante de déplacement de surface le signal utile

φnoise : changements dans la réponse des cibles pixels cohérents

Δφ = φgeom + φtopo + φatm + φnoise + φdisp

• Composantes de la phase interférométrique :

Principes

φdisp : connu avec une ambiguïté 2π.n

déroulement de phase déplacement dLOS

Interférences (geom,)

I n t e r f é r o m é t r i e S A R

12

Traitements DInSAR

Traitements DInSAR (pour retrouver de φdisp) avec GAMMA :

• Co-recalage des paires InSAR et génération des interférogrammes Δφ

• Aplatissement des interférogrammes: soustraction de φgeo calculé des

données orbitales

• Vérification de la cohérence pour éviter les pixels avec φnoise élevée

• Génération des interférogrammes différentiels par soustraction de

φtopo calculé à partir d’un MNE

• Vérification/correction des effets atmosphériques φatm (filtre spatial

coupe bas)

• Déroulement de la phase pour corriger l’ambiguïté 2π.n

• Conversion de la phase déroulée φdisp en déplacement selon le LOS

• Géocodage de la géométrie SAR vers la projection cartographique

I n t e r f é r o m é t r i e S A R

13

Déplacements 2D (Y-Z) à partir des orbites ascendante et descendante

Descending orbit

Ascending orbit

dLOSAsc

dLOSDesc

• Les déplacements sont mesurés

dans les directions de visée (LOS)

du radar

• Il est possible de déduite les

déplacements selon Z et Y en

combinant les deux géométries

d’acquisitions asc. et desc.

S

N

Y

Z

Y

Z

I n t e r f é r o m é t r i e S A R

14

Déplacements 2D (Y-Z) à partir des orbites ascendante et descendante

DInSAR à deux orbites DInSAR à une orbite

I n t e r f é r o m é t r i e S A R

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Déplacements 2D (Y-Z) à partir des orbites ascendante et descendante

dLOSA,D = dZ cos(θA,D) – dY sin(θA,D) cos(αA,D)

• θ est l’angle d’incidence SAR

• α est l’azimut relatif entre l’axe Y du

barrage et la trace au sol de l’orbite

R é s u l t a t s

16

Cohérence interférométrique

TerraSAR-X ascendantes

4-26 juin 2015

TerraSAR-X descendantes

7 juin-10 juil. 2015

Cohérence élevée pour tout le barrage selon les deux orbites

R é s u l t a t s

17

Interférogrammes différentiels

TerraSAR-X ascendantes

4-26 juin 2015 TerraSAR-X descendantes

7 juin-10 juil. 2015

Centre du barrage franges résiduels liées au déplacement

R é s u l t a t s

18

Déplacements DInSAR du barrage Romaine-2 selon les directions du LOS asc.

Exemples: courtes

baselines temporelles

R é s u l t a t s

19

Déplacements DInSAR du barrage Romaine-2 selon les directions du LOS desc.

Exemples: courtes

baselines temporelles

R é s u l t a t s

20

Déplacements DInSAR verticaux et horizontaux

• Mouvement observé vers l’aval (+Y) et vers le bas (-Z)

• Les déplacements maximums sont observés au centre de la structure

R é s u l t a t s

21

Validation des déplacements verticaux et horizontaux des TTOGs

Statistiques des erreurs:

Pour Y:

Erreur cumulative < 3 mm in 96%

Erreur non-cumulative < 3 mm in 100%

Pour Z:

Erreur cumulative < 3 mm in 88%

Erreur non-cumulative < 3 mm in 100%

Exemples de déplacements Y

et Z élevés et faibles (séries

temporelles)

R é s u l t a t s

22

Interface Web pour la

diffusion de l’information

C o n c l u s i o n s

23

La combinaison de deux géométries de visée a permis de calculer les déplacements du barrage

Romaine-2 en Z (haut vers bas) et en Y (amont vers aval) avec une précision millimétrique

Technologie DInSAR : outil pertinent pour le suivi opérationnel des infrastructures hydroélectriques

très avantageux : couverture spatiale, continuité des mesures, résolution, précision, fréquence et coûts

Plusieurs satellites SAR (RADARSAT-2, TerraSAR-X et PAZ, ALOS PALSAR, COSMO-SkyMed,

Sentinel-1) peuvent être utilisée avec cette technologie

Limites de la technologie

• Période sans neige

• Les mouvements parallèles à la direction de visée ne

pourront pas être détectés, Les structure orientés E-O ont

des différences d’azimute 10 degrés par rapport au LOS

asc. ou desc. impossible de détecter ces mouvements

Déplacement Y

Thank you!

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yacine.bouroubi@effigis.com

Yacine Bouroubi

Mathieu Benoit Claire Gosselin

Vincent Sarago