Introduction à l'InSAR : Guide pour les ingénieurs en géotechnique, les analystes de risques et les ingénieurs en sécurité

« Au cours des 30 dernières années et plus, j'ai travaillé sur l'interférométrie SAR pour des projets d'infrastructure et de géorisques, ainsi que sur la recherche connexe. Cet article d'introduction a été rédigé en tenant compte des lacunes dans les connaissances, des défis pratiques et des concepts qui orientent les décisions professionnelles lors de l'utilisation de l'InSAR par satellite. »
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- Prof. Dr Vern Singhroy, conseiller technique, KorrAI, scientifique en chef, mission de la constellation RADARSAT

Les fondations se fissurent. Les pipelines se déforment. Les barrages cèdent. Et souvent, les premiers signes avant-coureurs se trouvent sous la surface.

Le sol sur lequel nous nous trouvons devient instable. L'affaissement, soit l'enfoncement vertical du terrain, est un problème mondial qui cause chaque année des milliards de dollars de dommages aux infrastructures physiques et des pertes de vies humaines. L'extraction des eaux souterraines et l'urbanisation en sont les principales causes, représentant 40 % des incidents d'affaissement du sol. Avec les changements climatiques qui aggravent la situation, les prochaines décennies mettront à l'épreuve les fondations de notre système économique.

Les outils de surveillance traditionnels comme les piézomètres, les inclinomètres et les capteurs au sol sont précis, mais seulement là où ils sont installés. Ces systèmes ponctuels passent souvent à côté des premiers signes d'instabilité survenant à quelques mètres seulement. Le résultat ? Des données fragmentées, des décisions réactives et des occasions manquées de prévenir les défaillances.

Mais aujourd'hui, nous avons la solution pour voir l'ensemble de la situation.

InSAR, nous y croyons

Le radar à synthèse d'ouverture interférométrique, communément appelé InSAR, permet de surveiller les mouvements du sol avec une précision millimétrique sur des villes entières, des mines et des corridors d'infrastructure, sans avoir à se rendre sur place.

L'InSAR existe depuis au moins deux décennies, mais le manque de données de haute qualité, la complexité informatique et les coûts prohibitifs ont freiné son adoption généralisée. Cela change grâce au nombre croissant de satellites radar, à l'informatique abordable et aux algorithmes efficaces.

Dans le paysage à évolution lente de la surveillance des mouvements du sol... InSAR, nous y croyons.

Si cette blague un peu maladroite a fait mouche, nous sommes sur la bonne voie. Voyons comment l'InSAR fonctionne réellement et pourquoi il gagne en popularité.

Qu'est-ce que l'InSAR ?

Le radar à synthèse d'ouverture interférométrique (InSAR) est une technique de télédétection permettant de surveiller le déplacement millimétrique de la surface terrestre grâce à l'imagerie radar répétée d'une zone au fil du temps.

Les données sont généralement obtenues à partir de satellites équipés de capteurs radar à synthèse d'ouverture (SAR) qui transmettent des signaux dans le spectre des micro-ondes. Ces ondes radar pénètrent la couverture nuageuse et fonctionnent également dans l'obscurité, ce qui les rend adaptées au suivi des déformations, quelles que soient les conditions météorologiques.

Comment fonctionne l'InSAR

Les satellites à synthèse d'ouverture (SAR) transmettent des signaux micro-ondes qui sont ensuite diffusés et réfléchis par la surface terrestre. Lorsque le rayonnement rétrodiffusé est reçu par le capteur, son amplitude et sa phase sont enregistrées.

L'InSAR fonctionne en mesurant la différence de phase entre deux images radar d'une même zone, capturées depuis des points de vue similaires dans l'espace à des moments différents. Tout mouvement du sol survenu entre les deux prises de vue peut être mesuré et visualisé sous forme de carte de déformation.

L'ensemble d'images traitées mettant en évidence les différences de phase est appelé interférogramme. Ces différences apparaissent sous forme de motifs ou de franges colorées qui représentent l'ampleur du déplacement du sol. Les interférogrammes sont le produit principal utilisé pour détecter et mesurer la déformation du sol avec une précision millimétrique.

Comment les interférogrammes sont-ils générés ?

Considérez les interférogrammes comme une troisième image créée par la superposition de deux images radar (de la Terre). Voici une explication simplifiée de la création des interférogrammes :

1. Acquisition satellitaire : Un satellite capture des images radar d'une zone spécifique à différents moments (à quelques jours, semaines ou mois d'intervalle). Chaque pixel d'une image radar, aussi appelée image SAR, stocke deux composantes :

• Amplitude (luminosité)
• Phase, qui est liée à la distance entre le satellite et la surface du sol

2. Comparaison de phase : Des algorithmes spécialisés comparent ces images en analysant la différence de phase, ce qui correspond aux légers décalages dans les motifs des ondes radar entre elles.
3. Génération d'un interférogramme : Ces différences de phase sont visualisées dans un interférogramme, où des motifs de franges représentent les décalages de phase et tout mouvement. Chaque frange représente généralement une quantité déterminée de déplacement de surface. Cette valeur dépend de la longueur d'onde du radar. Une frange représente typiquement la moitié de la longueur d'onde du capteur (λ/2) en déplacement selon la ligne de visée. Par exemple, les capteurs en bande X montrent environ 1,5 cm de mouvement par frange, tandis que RADARSAT-2 (bande C) correspond à environ 2,8 cm.

Déroulement de phase

Lorsque le radar mesure la phase, celle-ci est intrinsèquement limitée entre 0° et 360° (ou 0 à 2π radians). Cela signifie qu'une fois que le déplacement dépasse la moitié de la longueur d'onde du radar (λ/2), la phase « s'enroule », affichant à nouveau la même couleur de frange. Par conséquent, les interférogrammes apparaissent sous forme de bandes répétitives, mais celles-ci ne révèlent pas le déplacement total survenu.

Le déroulement de phase est le processus consistant à reconstruire le déplacement réel et continu à partir de ces valeurs enroulées. Il fonctionne en intégrant les différences de phase mesurées à travers une image pour retrouver le mouvement réel du sol, y compris les cycles complets survenus entre les passages du radar.

Par exemple, si un parc à résidus s'affaisse de 6 cm entre deux observations et que la longueur d'onde du capteur est de 5,6 cm (bande C), le déroulement de phase permet à l'algorithme de reconnaître qu'il s'agit de plus d'un cycle (1 cycle complet plus une fraction). Sans ce déroulement, le mouvement pourrait être interprété à tort comme un simple déplacement mineur au sein d'une seule frange. Le déroulement de phase corrige cette erreur et assure une interprétation précise.

Le processus élimine également les contributions indésirables liées à la topographie, aux délais atmosphériques et au bruit, particulièrement dans les zones à faible cohérence (par exemple, les surfaces végétalisées ou recouvertes d'eau).

Jetez un œil à la figure 2.

La deuxième image de la figure est un interférogramme déroulé, une représentation visuelle de la différence de phase entre deux images radar acquises au-dessus du mont Etna avant et après une éruption en 2018. Une fois la différence de phase déroulée, nous obtenons la troisième image, qui traduit l'interférogramme en une carte de déformation claire avec des valeurs de déplacement déroulées en mm/an.

InSAR temporel : bien plus que deux images

Bien que deux images puissent produire un seul interférogramme, elles ne capturent qu'un seul moment de changement. L'analyse InSAR moderne repose sur un nombre beaucoup plus important d'images. Une pile de 15 images ou plus, prises sur plusieurs semaines ou mois, permet un suivi à long terme. C'est le cas, par exemple, de l'affaissement des sols dû à l'extraction d'eau souterraine, des mouvements de pente dans les mines ou du tassement graduel sous les infrastructures urbaines.

L'imagerie répétée rend l'InSAR beaucoup plus efficace pour enregistrer une chronologie continue des mouvements du sol : vous ne savez pas seulement qu'un mouvement a eu lieu, mais aussi à quelle vitesse, quand et dans quelle direction. Cela permet aux parties prenantes des infrastructures critiques de surveiller l'instabilité ou les dangers émergents et d'intervenir de manière proactive plutôt que réactive.

J'ai toujours comparé cela au fait de prendre un égoportrait chaque jour pour ensuite en créer une vidéo en accéléré. Si la première et la deuxième photo ne révèlent pas grand-chose, à la deux centième, vous saurez si vous avez utilisé suffisamment d'écran solaire sur le terrain.

Mais pour comprendre ce que l'InSAR nous indique, il est essentiel de saisir comment le satellite perçoit la Terre et dans quelle direction il effectue ses mesures.

Cela nous amène à un concept fondamental : Ligne de visée (LOS).

Ligne de visée (LOS) : la direction observée par l'InSAR

L'InSAR ne mesure pas le déplacement du sol comme le ferait un instrument traditionnel sur place. Il ne dit pas directement : « le sol s'est affaissé de 3 cm verticalement ». Il capte plutôt les changements le long de la ligne de visée (LOS) du radar, soit le trajet incliné entre le satellite et le sol.

Vous pouvez imaginer la LOS comme un pointeur laser dirigé vers le sol depuis le satellite, selon un certain angle. Si le sol se déplace directement le long de cette ligne, vers le satellite ou en s'en éloignant, l'InSAR capte le déplacement complet. Mais si le mouvement est perpendiculaire à ce faisceau, l'InSAR n'en perçoit qu'une fraction, voire rien du tout.

Cela nous amène à deux nouvelles, une bonne et une mauvaise.

Mauvaise nouvelle : la mesure est unidimensionnelle. Lors d'un passage du satellite, seule la composante du déplacement alignée avec la direction de visée du radar est captée.

Bonne nouvelle : le déplacement peut être mesuré avec une précision allant jusqu'au millimètre par année.

Imaginez maintenant un remblai routier qui glisse lentement vers le bas d'une pente, principalement de côté. Si ce mouvement s'aligne bien avec l'angle de vue du satellite, l'InSAR le détectera clairement. Mais si la pente glisse vers le nord ou le sud et que le satellite suit une trajectoire presque nord-sud, il manquera la majeure partie du mouvement.

À ce stade, vous vous demandez peut-être : s'il ne peut pas tout voir, comment l'InSAR peut-il être fiable pour la surveillance des risques liés aux infrastructures ?

C'est là qu'intervient l'imagerie multidirectionnelle.

Passages ascendants et descendants : voir des deux côtés

Pour améliorer la détection des mouvements, surtout sur des terrains complexes, les satellites collectent des données à partir de deux directions:

• Passage ascendant: le satellite se déplace vers le nord en regardant vers l'est.
• Passage descendant: le satellite se déplace vers le sud en regardant vers l'ouest.

En combinant ces deux vues LOS, nous pouvons décomposer le mouvement du sol en composantes verticale et est-ouest, ce qui nous donne un portrait plus complet, particulièrement dans les mines, les barrages ou sur les pentes sujettes aux glissements de terrain, où la déformation ne se produit pas dans une seule direction.

Par exemple, sur le site d’un parc à résidus, le tassement vertical dû au poids des nouveaux matériaux et l’étalement latéral causé par l’instabilité des pentes surviennent souvent simultanément. L’utilisation de données InSAR ascendantes et descendantes permet de suivre ces deux types de mouvements de manière fiable, même lorsqu’ils sont lents.

Géométrie de visée radar

Compte tenu de la façon dont l’InSAR observe la Terre, vous aurez peut-être deviné que les satellites radar sont conçus pour une visée latérale. Ils balayent le sol selon un angle variant entre environ 30° et 60°.

• Les angles plus abrupts (plus près de la verticale) sont plus efficaces pour détecter les mouvements verticaux, comme l’affaissement du sol.
• Les angles plus faibles (plus obliques) améliorent la sensibilité aux mouvements horizontaux, tels que les glissements de terrain ou l’étalement.

La plupart des satellites fonctionnent autour de la médiane (comme Sentinel-1, qui opère autour de 39°), offrant un équilibre raisonnable entre la sensibilité verticale et horizontale.

Distorsions courantes en terrain accidenté ou urbain

Comme les satellites radar observent la Terre selon un angle plutôt qu’à la verticale, la topographie et les structures élevées peuvent distordre l’image radar de plusieurs façons prévisibles :

• Raccourcissement (foreshortening) : Lorsqu’une pente fait face au satellite, elle apparaît compressée sur l’image radar, ce qui réduit la résolution spatiale et la précision des mesures.
• Renversement (layover) : Si le sommet d’une pente ou d’un bâtiment est plus proche du satellite que sa base, le signal radar arrive dans le désordre, faisant apparaître les éléments inversés ou déformés.
• Ombre radar : Les pentes abruptes orientées à l’opposé du satellite peuvent ne pas être éclairées du tout, créant des zones d’ombre où aucun signal radar n’est reçu, un peu comme la lumière du soleil projette des ombres derrière les montagnes.

Ces effets ne sont pas rédhibitoires, mais ils rendent certaines zones plus difficiles à surveiller que d'autres. Les passages multidirectionnels permettent d'améliorer la qualité des données. Une autre méthode courante pour corriger ces distorsions consiste à utiliser des modèles numériques d'élévation (MNE), qui aident à la fois à simuler les zones de distorsion lors de la planification et à éliminer le bruit topographique lors du traitement. Dans les zones dynamiques, des mises à jour fréquentes des MNE et des fenêtres de surveillance plus courtes améliorent la fiabilité.

Pour améliorer la précision des mesures dans les zones difficiles d'accès, comme les ponts ou les pentes abruptes, on utilise des réflecteurs d'angle. Ceux-ci agissent comme des cibles artificielles stables qui garantissent des retours radar puissants et constants. Chez KorrAI, les réflecteurs d'angle sont déployés stratégiquement pour surmonter les zones de distorsion et permettre une surveillance précise et hautement fiable, même sur des terrains géométriquement complexes.

Maintenant que nous comprenons comment la géométrie de visée affecte les images radar, la question suivante se pose : le radar peut-il voir la même chose clairement à chaque passage ? C'est là que deux concepts deviennent importants : les cibles et la cohérence.

Cohérence et pertinence des cibles

L'InSAR suit les caractéristiques du sol au fil du temps. Ces caractéristiques sont appelées cibles et sont représentées sous forme de pixels mesurables dans l'analyse InSAR. Les cibles peuvent être n'importe quoi, d'un bâtiment en milieu urbain à un affleurement rocheux sur une terre aride. Cependant, toutes les cibles ne sont pas aussi stables pendant une période de surveillance.

La cohérence est la mesure qui quantifie la qualité des cibles dans un interférogramme, représentant la continuité dans le temps.

C'est la façon dont le radar demande : « Ai-je reçu le même signal de cet endroit que la dernière fois ? » La cohérence est mesurée sur une échelle de 0 à 1 ; une valeur plus faible indique trop de changements, tandis qu'une valeur plus élevée désigne une cible persistante.

Les routes, les bâtiments et le substrat rocheux ont tendance à rester cohérents. L'eau, la neige, la végétation et les zones de construction ne le sont pas. Il existe donc plusieurs types de cibles :

• Cibles permanentes ou diffuseurs persistants (PS) : les infrastructures, la roche exposée ou le sol compacté conservent une signature radar constante sur des mois ou des années. Ils sont idéaux pour la surveillance à long terme.
• Cibles temporaires, telles que les parcs à résidus ou les routes saisonnières, qui peuvent n'être stables qu'une partie de la période de surveillance, par exemple en raison de la couverture neigeuse.
• Cibles distribuées : sol nu, surfaces de gravier ou sites d'enfouissement qui ne possèdent pas de réflecteur radar dominant unique. Ils peuvent tout de même être suivis, mais nécessitent généralement un traitement plus avancé comme les méthodes SBAS (Small Baseline Subset).
• Cibles ponctuelles, comme les fermes en acier ou les arêtes de bâtiments, qui offrent des retours hautement cohérents avec un faible bruit de phase.
• Zones non suivables qui changent considérablement entre les acquisitions d'images, telles que l'eau, la neige, les feuilles et les cultures.

Synthèse des fondements

Nous avons maintenant démystifié les concepts fondamentaux de l'InSAR. Nous avons exploré l'importance de la géométrie de visée, la manière dont les distorsions se produisent et ce qui rend certaines caractéristiques du sol idéales pour un suivi fiable.

Grâce à des techniques de traitement avancées et à des améliorations intelligentes comme les réflecteurs d'angle, même les environnements difficiles tels que les terrains vallonnés, les infrastructures urbaines ou les zones végétalisées peuvent désormais être surveillés avec précision et confiance.

En bref, l'InSAR est passé du stade de curiosité scientifique à celui d'outil pratique et déployable pour comprendre les mouvements du sol avant qu'ils ne deviennent un problème d'un milliard de dollars ignoré par les outils traditionnels. Chez KorrAI, c'est exactement ce que nous avons fait pour des partenaires mondiaux majeurs comme AWS, Zurich, Eldorado Gold, Stantec et d'autres, afin de surveiller plus de 100 milliards de dollars d'actifs à travers le monde. Nous combinons les données provenant de satellites, de capteurs au sol, de rapports, d'enquêtes, etc., pour fournir des renseignements d'une grande précision sans avoir besoin de visites fréquentes sur site. Vous voulez savoir comment nous pouvons vous aider dans votre projet ? Prenez rendez-vous avec nos experts dès aujourd'hui.

Félicitations! Vous maîtrisez maintenant les principes fondamentaux : interférogrammes, déroulement de phase, angles de visée radar, types de distorsion et cohérence des cibles.

Mais comprendre le fonctionnement de la technologie n'est qu'un début.

Dans la prochaine partie, nous approfondirons ces bases : quelles données InSAR utiliser, comment l'InSAR s'applique dans divers secteurs et quels critères privilégier lors du choix d'un produit de surveillance des mouvements de terrain.

« Ayant suivi l'évolution de l'InSAR au fil des décennies, il est encourageant de constater les progrès constants de l'état de l'art, non seulement en matière d'analyse, mais aussi dans l'ensemble du pipeline d'application. Pour les praticiens, c'est devenu un outil essentiel aujourd'hui, qui mérite d'être compris et maîtrisé. »
-Prof. Dr Vern Singhroy

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