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Clément Michoud: Application de l’interférométrie différentielle Radar dans la surveillance du glissement de La Frasse, Suisse

Clément Michoud
Supervisors: Prof. Dr. Michel Jaboyedoff, Andrea Pedrazzini

Spaceborne Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR) is a remote sensing technology based on the measure of the phase of a radio wave reflected by ground scatterers. Calculate the phase’s difference of those ground scatterers detected by two radar satellite’s acquisitions in two distinct times allows, in theory, to detect the small deformations of the topography which occurred between the temporal baseline. Limited by atmospheric artifacts and decorrelation problems (changes in electrical properties and moisture of the soil), DInSAR is more effective in urban, arid or rocky areas than in forest or cultivated areas. But it can detect quasi vertical movements covering very large areas in a continuous way. That is why DInSAR can be considered as an efficient tool to detect and monitor slope instabilities.

This Master Thesis in Engineering Geology was done in the Institute of Geomatics and Risk Analysis of the University of Lausanne to bring theoretical and technical requirements to use DInSAR technology in studies of slope surface processes.

The La Frasse landslide is studied for this work. It is located in the State of Vaud (Switzerland). With a length of 2 km, a larger of 500 m, his surface of rupture is located between 60-10 0m of depth. With high velocities (presently at 40 cm/y in the active lower part), La Frasse’s landslide is in highly hazardous area according to the Swiss legislation. According to Varnes classification, it is a complex slide composed of tertiary flysch material and flowing over flysch and limestone bedrock. The landslide area is occupied by forests, pastures and some habitations. Today, the instability is maintained by the river “Grande-Eau” erosion of the foot.

To acquire the Radar dataset, the project « Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (DInSAR) in monitoring large landslide in La Frasse (Vaud, Switzerland) » was concluded with the European Space Agency. To validate DInSAR results, we dispose of data provided by an optical detection of ground movements system, with prisms on the landslide localized every 2h with a Laser station (Robovec™ System, Soil Mechanics Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology of Lausanne).

First of all, two interferometric pairs are constructed with data provided by the satellite Alos. The large wavelength (24 cm) of ALOS’ PALSAR sensor gives results in the foot of the landslide, where the movements are the most important. Afterwards, fifty-three interferometric pairs are constructed with twenty-two images acquired with the European satellite Envisat. With the lower wavelength (5.6cm) of the Envisat’s ASAR sensor but the higher number of interferograms, the analysis provides the mean velocities on landslide’s scaterrers by using the SBAS methodology.

The results of this study are coherent with the amplitude of the deformations monitored by Robovec™. Moreover, the computation of the mean velocities shows that today, total displacements are measured in the active lower part of the landslide; the data complete Robovec™ results. But the accuracy of the measured displacements and the number of scatterers could be improved by synthetizing the topographic phase from an aerial laser scanning DEM instead of the STRM DEM. The number of scatterers can also be increased by installing corner reflectors in the fastest-moving area of the landslide.

Featured image: Mean annual displacement velocities of scatterers detected by SBAS-InSAR between 2002 and 2008 (hillshade: copyright swisstopo)

Cédric Coquelin: Projet d’installation d’un réseau de stations météorologiques, Vallon de Nant

Cédric Coquelin
Co-supervisors : Prof. Michel Jaboyedoff, Dr. Jean-Michel Fallot
Experts : Dr. Richard Metzger

Le projet Pont de Nant a trouvé un vif intérêt au sein de la faculté de Géosciences de l’environnement de l’Université de Lausanne. Soutenue par une dynamique collective, les principaux buts ont étés atteints en moins d’une année. Aujourd’hui, le Vallon de Nant équipé de ses quatre stations enregistreuses ouvre les portes de l’étude météorologique à l’échelle micro locale. Les données transmises tous les 3 jours par les stations sont stockées sur un serveur accessible à tous. Celles-ci serviront dans les différents mandats ou études scientifiques obtenues par la faculté de Géoscience.

Fort d’une expérience unique, notre travail nous a permis de développer un réseau de connaissances tant dans le milieu de la météorologie que dans le monde industriel. La conduite du projet, organisée depuis Février 2007, s’est révélée enrichissante et fructueuse. Toutes les personnes concernées par l’installation des stations nous ont permis d’obtenir une qualité exceptionnelle dans la récolte des données.

Encore en phase de test pendant le prochain hiver 2008-2009, le réseau Pont de Nant devra surmonter les premières températures extrêmes de la haute et moyenne montagne. Il devra aussi faire ses preuves quant à la récupération des données de précipitations à des altitudes supérieures à 2600 m.

Plus spécifiquement, l’approche analytique de comparaison du modèle COSMO-7, nous a montré des résultats satisfaisants. En effet, même si la précision du modèle ne s’est pas révélée être la plus proche possible des conditions de terrain, celle-ci prouve que les modèles de prévision sont souvent proches des résultats observés. Ceci ouvre des perspectives dans l’amélioration de ces modèles de prévisions. En utilisant la méthode des analogues (Horton and al., 2006 ; Guilbaud. S & Obled. C, 1998) et les séries statistiques de terrain, il serait possible de développer un modèle micro local venant compléter les modèle plus généraux tels que COSMO-7.

Dans une approche encore plus concrète, une recherche sur les gradients de précipitation pourrait trouver sa place dans un futur travail de doctorat. Les conditions véliques, spécifiques aux vallons encaissés, trouveraient aussi un intérêt tout particulier dans la compréhension des systèmes locaux.

Pour ouvrir les perspectives à d’autres sciences, le réseau de stations améliorerait les connaissances dans les rapports existant entre conditions climatiques et migrations de la flore de haute et moyenne montagne.

Loin d’être un projet unique, le « Projet Pont de Nant » a réussi à fédérer un certains nombre d’acteurs au sein de la faculté de Géosciences de l’environnement. Aujourd’hui autonome, les stations enregistreuses attendent leur phase d’exploitation dans l’ensemble des études pour lesquelles elles sont destinées.

Dans un proche avenir, ce réseau – faisant ses preuves – pourrait venir alimenter les séries statistiques d’un réseau à plus vaste échelle, dans un consortium scientifique tel que le projet LTER (Long Time Ecological Research) véritable base de données météo enregistrées en continu. Alors, de multiples études sur l’impact des variations climatiques dans les Pré Alpes vaudoises et à l’échelle alpine verraient le jour.

Flow-R (debris-flows assessment at a regional scale)

Flow-R is a distributed empirical model for regional susceptibility assessments of debris flows, developed at the University of Lausanne. It was successfully applied to different case studies in various countries.

The model was also found relevant to assess other natural hazards such as rockfall or snow avalanches. It allows for automatic source area delineation and for the assessment of the propagation extent. The choices of the datasets and the algorithms are open to the user, which makes it compliant for various applications and dataset availability.

It is available free of charge under www.flow-r.org

Statistical precipitation forecasting for the Minerve project

The upper Rhone catchment is sometimes subject to heavy precipitation that can eventually result in floods. The MINERVE project, to which this work belongs, aims at providing tools for flood forecasting and management. For this purpose, actions can be undertaken on dam storage, but this requires forecasting precipitation accurately days beforehand. This is currently done by the numerical weather prediction model of MétéoSuisse. However, due to large uncertainties in the forecasting of extreme events, it was decided that a parallel forecast based on a statistical approach could complement the information available.

Therefore, we adapted a technique of statistical precipitation forecasting, namely the analogue method, to the alpine context of our catchment. Several parameterizations of the method have been documented and calibrated.

A substantial part of this study was devoted to programming a forecasting software, which was called Atmoswing. It is designed to process automatically forecasts by means of the analogue method, and to provide a tool for visualizing the results on maps and graphs. It can process many different versions of the analogue method. The software has been operational since mid-2011, and has allowed us to confirm the interest of prediction by analogy.

As the method is applied here to a new geographical context, a large number of synoptic variables were evaluated. We then confirmed the relevance of the traditional two levels of analogy, which are related first to the atmospheric circulation, and next to the humidity flux, while making improvements to them. As a result, we created new parameterizations that have better forecasting skills than the reference methods considered so far. We also evaluated other improvements, such as the introduction of a shifting time window to find better synoptic analogues at other hours of the day, which show some potential. A 6-hourly time step forecast has been evaluated and was found to bring useful information on precipitation characteristics.

Finally, we introduced a technique of global optimization: genetic algorithms. These were found to be able to calibrate the analogue method by considering jointly all parameters of the different analogy levels. With that kind of tool we can approach an objectively optimal parameterization.

As the choice of atmospheric levels and time windows is automated, this technique can result in a gain of time, even if it is relatively demanding in calculations. Thus we were able to improve the analogue method, and to add new degrees of freedom.

Pascal Horton: Improvements and global optimization of the analogue method for statistical precipitations forecasting.

Pascal Horton
Directors: Prof. Michel Jaboyedoff, Prof. Charles Obled
Jury: Prof. Francois Bussy, Dr. Dominique Berod, Dr. Daniel Cattani, Dr. Vincent Fortin

The upper Rhone catchment is sometimes subject to heavy precipitation that can eventually result in floods. The MINERVE project, to which this work belongs, aims at providing tools for flood forecasting and management. For this purpose, actions can be undertaken on dam storage, but this requires forecasting precipitation accurately days beforehand. This is currently done by the numerical weather prediction model of MétéoSuisse. However, due to large uncertainties in the forecasting of extreme events, it was decided that a parallel forecast based on a statistical approach could complement the information available.

Therefore, we adapted a technique of statistical precipitation forecasting, namely the analogue method, to the alpine context of our catchment. Several parameterizations of the method have been documented and calibrated.

A substantial part of this study was devoted to programming a forecasting software, which was called Atmoswing. It is designed to process automatically forecasts by means of the analogue method, and to provide a tool for visualizing the results on maps and graphs. It can process many different versions of the analogue method. The software has been operational since mid-2011, and has allowed us to confirm the interest of prediction by analogy.

As the method is applied here to a new geographical context, a large number of synoptic variables were evaluated. We then confirmed the relevance of the traditional two levels of analogy, which are related first to the atmospheric circulation, and next to the humidity flux, while making improvements to them. As a result, we created new parameterizations that have better forecasting skills than the reference methods considered so far. We also evaluated other improvements, such as the introduction of a shifting time window to find better synoptic analogues at other hours of the day, which show some potential. A 6-hourly time step forecast has been evaluated and was found to bring useful information on precipitation characteristics.

Finally, we introduced a technique of global optimization: genetic algorithms. These were found to be able to calibrate the analogue method by considering jointly all parameters of the different analogy levels. With that kind of tool we can approach an objectively optimal parameterization.

As the choice of atmospheric levels and time windows is automated, this technique can result in a gain of time, even if it is relatively demanding in calculations. Thus we were able to improve the analogue method, and to add new degrees of freedom.

 

Améliorations et optimisation globale de la méthode des analogues pour la prévision statistique des précipitations.

Développement d’un outil de prévision et application opérationnelle au bassin du Rhône à l’amont du Léman.

Le bassin du Rhône à l’amont du Léman peut être sujet à de fortes précipitations en mesure de provoquer des crues significatives. L’objectif du projet MINERVE dans lequel s’inscrit le présent travail consiste à fournir des outils pour la prévision et la gestion des crues par des actions préventives sur les aménagements hydroélectriques à accumulation. Pour satisfaire ce dernier, il est nécessaire de prévoir au mieux les cumuls de précipitations pour les jours suivants. Ceci est actuellement effectué par le modèle numérique de prévision de MétéoSuisse ; mais, en raison des grandes incertitudes liées à la quantification des événements extrêmes, il a été décidé qu’une approche parallèle de nature statistique pourrait compléter l’information disponible.

Ainsi, nous avons adapté la méthode des analogues, qui est une technique de prévision statistique des précipitations, au contexte alpin du bassin d’étude. Pour ce faire, plusieurs paramétrisations de la méthode ont été documentées et calibrées. Afin de prendre en main la méthode, nous avons effectué de multiples analyses paramétriques sur les variables synoptiques, mais également sur la constitution de groupements pluviométriques.

Une partie conséquente de cette étude a été consacrée à la programmation d’un logiciel de prévision automatique par la méthode des analogues, ainsi qu’à un outil de visualisation des résultats sous forme de cartes et graphiques. Ce logiciel, nommé Atmoswing, permet d’implémenter un grand nombre de méthodes différentes de prévision par analogie. L’outil est opérationnel depuis mi-2011 et nous a permis de confirmer l’intérêt de la prévision par analogie.

La méthode étant ici appliquée à un nouveau contexte, un grand nombre de variables synoptiques ont été évaluées. Nous avons alors confirmé l’intérêt des deux niveaux d’analogie sur la circulation atmosphérique et sur le flux d’humidité, tout en apportant des améliorations à celles-ci. Il en résulte des paramétrisations présentant des scores de performance supérieurs aux méthodes de référence considérées. Nous avons également évalué d’autres améliorations, comme l’introduction d’une fenêtre temporelle glissante afin de rechercher de meilleures analogies synoptiques à d’autres heures de la journée, ce qui s’est avéré intéressant, tout comme une prévision infrajournalière à pas de temps de 6 h.

Finalement, nous avons introduit une technique d’optimisation globale, les algorithmes génétiques, capable de calibrer la méthode des analogues en considérant tous les paramètres des différents niveaux d’analogie de manière conjointe. Avec cette technique, nous pouvons nous approcher objectivement d’une paramétrisation optimale. Le choix des niveaux atmosphériques et des fenêtres temporelles et spatiales étant automatisé, cette technique peut engendrer un gain de temps, même si elle est relativement exigeante en calculs. Nous avons ainsi pu améliorer la méthode des analogues, et y ajouter de nouveaux degrés de liberté, notamment des fenêtres spatiales et des pondérations différenciées selon les niveaux atmosphériques retenus.

Vertical geology conference 2014

The conference (www.unil.ch/vgc14) will focus on remote sensing of ground surface and digital processing to support 3D geological modeling and interpretation in various fields of the geosciences (non-exhaustive list):

Digital geological mapping: vertical rock walls, remote lithological mapping, examination of sedimentary structures, mineralogical/geochemical mapping.

Structural geology: characterization of ductile and brittle deformation structures in outcrops, fracturing pattern recognition and tectonic structures.

Natural hazards: rockfalls, landslides and rock mass quality assessment, characterization of release areas and deposits.

Reservoir analogues: characterization and virtual outcrop building.

Tunneling and mining: underground imaging, 3D excavation modeling.

Numerical modeling: representation of complex 3D geological bodies, simulation based on remote sensing data.

Innovations: new sensors, techniques, tools and data, automatic 3D geological features recognition.

New website

The risk analysis group has a new website to provide more information on its activities. This new platform provides details on our projects, PhD, events, softwares, …

The risk analysis group is part of the CRET (Center for Research on Terrestrial Environment) of the University of Lausanne. CRET combines the skills from the former Institute of Geophysics, Institute of Geomatics and Risk Analysis and the Industrial Ecology group of the Institute of Land Use Policies and Human Environment.