Flora Weissgerber

PhD

Coherent processing of multi-mode multi-resolution SAR images for the characterization of urban environment.

Summary

The refinement of Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery makes the monitoring of urban areas possible. Different acquisition modes of multivariate SAR images are available, such as the polarimetric mode that gives information about the nature or the geometry of imaged objects, or the interferometric mode that enables the measure of their height or the displacement between two acquisitions. However, all the acquisition modes do not reach the same spatial resolution. The major goal of this work was to combine polarimetric images and a mono-channel high-resolution image to create high resolution polarimetric images with the same properties as the initial polarimetric image.

This work started with the study of covariance matrices estimation from which meaningful parameters linkable to physical information, such as the phase, can be extracted. We first showed that the variance is not adapted to describe the fluctuations of the estimated phase. We proposed a directional statistics indicator to describe the estimated phase fluctuations, whichever the definition interval of the phase. This indicator can be used to separate two populations of pixels with different phase fluctuations or to compare the measured phase to a modeled phase. We also showed that the resolution has an impact on the covariance matrix estimation, because it restrains the size of the sample of pixels which values can be considered as independent and identically distributed for the covariance matrix estimation.

We chose to model the urban scatterers as a combination of randomly responding scatterers and deterministic bright point-like scatterers. The values of the pixels representing the random scatterers are modeled following the fully developed speckle; the point-like scatterers are supposed to be white and isotropic. The Pol-Sharpening algorithms that we developed are based on the point-like scatterers spectral properties. One of the key issue is to have a sufficient sample size in order to limit the fluctuation of the polarimetric information estimation without introducing mixing. The chosen spectral method enables to focalize the point-like scatterers, i.e. to refine the resolution, while preserving their polarimetric and interferometric properties. If the developed algorithms keep the value of intensity and phase of the pixels included in homogeneous speckle areas, they modify their statistical parameters.

Finally, we studied the measure of the height and the deformation of the Eiffel Tower and three other towers on the Front de Seine in Paris using a temporal stack of 98 TerraSAR-X images acquired between 2008 and 2012. We showed that neglecting the deformation during the height measurement could result in outliers. Even though these outliers can be removed during the study of a temporal stack, it is still a limitation of the interferometry techniques on buildings. By measuring a monoscopic height, we could measure deformations up to four centimeters for the Eiffel Tower. These deformations do not present any seasonal trend contrary to the deformations measured on the Mirabeau Tower, which are minimal in winter and maximal in summer. Nevertheless, we neglected the impact of the atmosphere on the deformation measurement and this work hypothesis limits our measurement accuracy to the centimeter.

Résumé
Traitement cohérents d’images RSO multi-modes multi-résolutions pour la caractérisation du milieu urbain.

Nous nous sommes intéressés à l’étude du milieu urbain par l’imagerie Radar à Synthèse d’Ouverture (RSO), rendue possible par l’amélioration des résolutions des images. Différents modes d’acquisition d’images RSO multi-variées sont possibles, comme la polarimétrie qui apporte des informations sur la nature et la géométrie des objets présents sur la scène et l’interférométrie qui permet d’en mesurer la hauteur ou le déplacement entre différentes acquisitions. Cependant, tous ces modes n’ont pas la même résolution. L’objectif de ce travail a été de combiner des images polarimétriques et des images mono-canales de résolution plus fine pour former des images de résolution fine conservant les propriétés polarimétriques et interférométriques des images originales.

Nous avons commencé par étudier l’estimation des matrices de covariance des images qui permet l’extraction de paramètres tels que la phase, qui peuvent être reliés à des informations physiques. Nous avons tout d’abord montré que la variance n’est pas un indicateur statistique adapté pour décrire les fluctuations de la phase estimée. Nous avons alors proposé un indicateur basé sur la théorie des statistiques directionnelles qui permet de séparer deux populations de pixels dont les fluctuations de la phase sont différentes ou de comparer des phases mesurées à des phases simulées, quel que soit l’intervalle de définition de la phase. Nous avons aussi montré que la résolution impacte l’estimation des statistiques des images du milieu urbain en imposant des contraintes sur la taille de l’échantillon de pixels dont les valeurs peuvent être considérées comme indépendantes et identiquement distribuées pour l’estimation de la matrice de covariance.

Nous avons modélisé les diffuseurs présents en milieu urbain en une combinaison de diffuseurs ayant un comportement aléatoire et des diffuseurs déterministes, ponctuels et très énergétiques appelés points-brillants. Les valeurs des pixels qui représentent les diffuseurs aléatoires sont modélisées selon le modèle de speckle pleinement développé ; les points-brillants sont supposés blancs et isotropes. Les algorithmes de raffinement de la résolution des images polarimétriques que nous avons développés sont fondés sur les propriétés spectrales de ces points-brillants. L’un des enjeux majeurs est d’utiliser un échantillon de taille suffisamment grande pour limiter la fluctuation de l’estimation des informations polarimétriques, sans introduire de mélange, tout en gardant les propriétés aléatoires du speckle. La méthode spectrale choisie permet d’assurer la focalisation des points-brillants et donc le raffinement de la résolution tout en préservant leurs informations polarimétriques et interférométriques. Si les algorithmes développés conservent bien les valeurs d’intensité et de phase des pixels des zones homogènes de speckle, ils en diminuent le degré d’aléatoire.

Enfin, nous nous sommes intéressés à la mesure de la hauteur et de la déformation de la Tour Eiffel et de trois autres tours situées sur le Front de Seine, en utilisant une pile temporelle de 98 images TerraSAR-X acquises entre 2008 et 2012. Nous avons montré que négliger les déformations lors de la mesure de la hauteur peut résulter en des hauteurs aberrantes. Si ces hauteurs aberrantes peuvent être supprimées dans le cadre de l’étude d’une pile temporelle, elles sont néanmoins une limitation de la technique d’interférométrie sur des bâtiments. En mesurant une hauteur monoscopique, nous avons pu mesurer des déformations allant jusqu’à quatre centimètres pour la Tour Eiffel. Ces déformations ne présentent pas de tendance saisonnière contrairement aux déformations mesurées sur la Tour Mirabeau, qui sont minimale en hiver et maximale en été. Par contre, nous avons négligé l’impact de l’atmosphère dans la mesure de la déformation ce qui limite la précision de la mesure de la déformation au centimètre.

Supervisors

  • Jean-Marie Nicolas (Telecom ParisTech)
  • Elise Colin-Koeniguer (ONERA)
  • Nicolas Trouvé (ONERA)
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Defense

The defense was hold on Tuesday the 29th of November 2016 in Amphithéâtre Estaunié, Télécom ParisTech. The jury members were the followings:
  • Stian Normann Anfinsen, Assoc. Prof. / Acting Head of Department, UiT The Arctic University of Norway, Dept. of Physics and Technology (examiner)
  • Elise Colin-Koeniguer, Research Engineer, Dept DTIM, ONERA (PhD Supervisor)
  • Laurent Ferro-Famil, Prof. , IETR, Université de Rennes 1 (reviewer)
  • Carlos Lòpez-Martìnez, Assoc. Prof., Universitat Politècnica de Catalunya (reviewer)
  • Jean-Marie Nicolas, Prof., LTCI, Télécom ParisTech (PhD Supervisor)
  • Philippe Réfrégier, Prof., Institut Fresnel, Ecole Centrale Marseille (examiner)
  • Emmanuel Trouvé, Prof., Listic, Polytech Annecy-Chambéry (Chairman)

Manuscript

Flora Weissgerber (2016). Traitements cohérents d’images RSO multi-modes multi-resolutions pour la caractérisation du milieu urbain (Télécom ParisTech, 46 rue Barrault 75013 Paris) hal