Utilisation des réseaux de capteurs Géocubes pour la mesure de déformation des volcans en temps réel par GNSS

Use of Geocube sensor networks for real-time GNSS deformation monitoring of volcanoes

• Auteur / Autrice : Mohamed Amjad Lasri
• Direction : Pierre Briole, Christian Thom
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Kasser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Briole, Christian Thom, Michel Kasser, Jérôme Verdun, Bénédicte Fruneau, Frederick Boudin, Emmanuel Trouvé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Kasser, Jérôme Verdun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Gnss

InSAR

Etna

Mesure de déformations

Gnss

InSAR

Etna

Deformation monitoring

Résumé

Le système Géocube est un réseau de capteurs GPS conçu et développé par le Laboratoire d'OptoÉléctronique de Métrologie et d'Instrumentation (LOEMI) de l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière (IGN) et maintenu par le même laboratoire et l'entreprise Ophelia- Sensors qui s'occupe de son industrialisation. Il a comme objectif de mesurer les déformations du sol avec une précision millimétrique. Ce réseau de capteurs a la particularité d'être à la fois très peu énergivore, d’un faible coût de revient, simple d’installation et d’utilisation. Il est donc bien adapté à l’usage dans un environnement difficile, comme les volcans. Ce système a déjà été testé avec succès lors d’une précédente thèse sur le glacier d’Argentière et sur un glissement de terrain proche de Super-Sauze en France. La première partie de cette thèse porte sur l’optimisation du système de calcul du Géocube pour l'adapter à des réseaux de tailles plus importantes horizontalement et verticalement en vue de son utilisation dans un contexte volcanique. Cela passe, d’abord, par l’intégration d’une stratégie pour l’estimation du biais troposphérique dans le filtre de Kalman qui constitue le coeur du logiciel de calcul du Géocube. Cette amélioration est ensuite validée en utilisant les données de quelques réseaux GNSS permanents nationaux et internationaux. La deuxième partie consiste à étudier l’apport d’un réseau dense de Géocubes à l’étude du volcanisme à travers une expérience conduite sur le flanc sud-est de l’Etna, où cinq Géocubes ont été déployés entre le 12 Juillet 2016 et le 10 Juillet 2017. Les résultats obtenus et les enseignements tirés de cette expérimentation sont discutés et analysés. Enfin, nous validons les résultats obtenus avec les Géocubes en appliquant une technique PSI (Persistent Scatterer InSAR) sur des interférogrammes RADAR calculés à partir des données des satellites Sentinel-1A/B et qui couvrent la période de déploiement des Géocubes sur l’Etna. Ces deux méthodes (GPS et RADAR) se sont avérées complémentaires puisque le RADAR apporte la densité spatiale des mesures et le système Géocube la précision et la continuité temporelle.

The Geocube system is a network of wireless GPS sensors designed and developed by the Laboratory of Opto-Electronics, Metrology and Instrumentation (LOEMI) of the National Institute of Geographical and Forest Information (IGN) and maintained by the same laboratory and Ophelia-Sensors, the company responsible for its industrialization. Its purpose is to measure ground deformations with millimetre accuracy. This sensor network has the particularity of being very low in energy consumption, low cost, easy to install and easy to use. It is suited for use in harsh environments, such as volcanoes. This system has already been successfully tested in a previous works on the Argentière glacier and a Super-Sauze landslide in France. The first part of this thesis deals with the optimization of the Geocube system for larger networks, horizontally and vertically, in order to use it in a volcanic context. First, a new strategy to estimate the tropospheric bias has been implemented into the Kalman filter (the heart of the Geocube processing software) in real time and in post-processing. This improvement is then validated using data from some national and international permanent GNSS networks. The second part consists in studying the contribution of a dense Geocubes network to the study of volcanism through an experiment conducted on the southeastern flank of Etna, where five Geocubes were deployed between July, 12th 2016 and July, 10th 2017. The results obtained from this experiment are discussed and analysed. Finally, the results obtained with Geocubes are validated by applying a PSI (Persistent Scatterer InSAR) technique on RADAR interferograms calculated from Sentinel-1A/B satellite data covering the period of deployment of the Geocubes on Etna. These two methods (GPS and RADAR) turned out to be complementary since RADAR provides the spatial density of measurements and the Geocube system provides accuracy and temporal continuity.