Differential deformation maps using EGMS data

Abstract

(English) Investigating building deformation due to differential settlements is a challenging task, particularly over large areas; however, with the advancement of remote sensing techniques, such investigations have now become feasible. The European Ground Motion Service (EGMS), a component of the Copernicus Land Monitoring Service, represents the largest wide-area Interferometric SAR (InSAR) service ever developed that provides a fully open and free-access data availability. In order to exploit the EGMS results, the challenge lies in finding appropriate methodologies and tools to effectively utilize this wealth of information and create easy-to-read and interpretable maps for building damage assessment and urban risk mitigation procedures. This PhD thesis proposes a methodology and a novel software tool that transform InSAR-based displacement data into comprehensive geospatial maps through a building-scale spatial differential deformation analysis, enabling the identification and classification of urban buildings susceptible to damage due to differential movements. We focus on spatial differential deformation (i.e., the spatial gradient of deformation) for individual buildings, because most of the significant damage to man-made structures/infrastructures is associated with spatial differential deformation. The final output of the proposed methodology is the so-called “Building Differential Deformation Map” (BDD). This methodology is novel because it provides the advantage of enabling wide-area mapping while keeping the building-level details. The procedure requires two input data: InSAR-derived displacement maps, regardless of the data source, as well as a vector map of building footprints. This research illustrates the use of EGMS Basic products to perform a multi-scale analysis, including the metropolitan area of Barcelona, the Catalonia region, and ultimately the Spanish nationwide BDD map. This latter map identifies 2,958 buildings vulnerable to damage due to differential settlements. Given the large spatial extent of the Spanish BDD map, a web-based platform has been developed to facilitate visualization and enhance the accessibility of relevant information for all users. In a further step, to enhance the analysis, additional data have been considered. The BDD map has been combined with deformation velocity, building age, considered as an indicator of vulnerability, and population data to provide an initial assessment of the potential impact on residents. This integration has led to the development of a so-called “Potential Impact Map,” which identifies areas that need prioritized attention and resources for risk mitigation. The robustness of the proposed methodology has been evaluated through a dedicated assessment procedure. This assessment has examined the methodology and its results across different acquisition geometries, demonstrating that the spatial deformation gradient is independent of geometry and across varying time spans. Similarly, validation has been conducted through field surveys to assess building damage, focusing on indicators of differential deformation, such as cracks and fractures in walls and around windows. (Català) La investigació de la deformació dels edificis deguda a assentaments diferencials és una tasca complexa, especialment en àrees extenses; tanmateix, amb l’avanç de les tècniques de teledetecció, aquest tipus d’estudis s’ha tornat actualment viable. L’European Ground Motion Service (EGMS), com a part del Copernicus Land Monitoring Service, representa el major servei d’Interferometria SAR (InSAR) a gran escala desenvolupat fins ara. Gràcies a les seves característiques tècniques i a la disponibilitat oberta i gratuïta dels seus productes, l’EGMS facilita l’accés a mapes de desplaçament. El repte ara rau en desenvolupar metodologies i eines adequades per aprofitar eficaçment aquesta gran quantitat d’informació i generar mapes fàcils d’interpretar, orientats a l’avaluació del dany en edificis i a la mitigació del risc urbà. Aquesta tesi doctoral aborda aquest repte mitjançant la proposta d’una metodologia i una eina de programari innovadora que transformen les dades de desplaçament derivades d’InSAR en mapes geoespacials complets, a través d’una anàlisi de deformació diferencial espacial a escala d’edifici. Això permet la identificació i classificació d’edificis urbans susceptibles de patir danys a causa de moviments diferencials. En particular, es posa el focus en la deformació diferencial espacial (és a dir, el gradient espacial de deformació) a nivell individual d’edifici, ja que la majoria dels danys significatius en estructures i infraestructures estan associats a gradients espacials de deformació. El resultat final de la metodologia proposada és l’anomenat “Mapa de Deformació Diferencial d’Edificis” (BDD). Aquesta metodologia és innovadora perquè, a diferència d’estudis previs centrats principalment en àrees reduïdes, permet la cartografia sobre àrees extenses mantenint una anàlisi detallada a nivell d’edifici. La metodologia requereix únicament dos tipus de dades d’entrada: mapes de desplaçament derivats d’InSAR, independentment de la font de dades, i un mapa vectorial de la petjada dels edificis. Aquest treball il·lustra l’ús dels productes bàsics de l’EGMS per realitzar una anàlisi multiescala, incloent l’àrea metropolitana de Barcelona, la regió de Catalunya i, finalment, el mapa BDD de tota Espanya. Aquest mapa inclou 2.958 edificis vulnerables a patir danys a causa d’assentaments diferencials. Donada la gran extensió espacial d’aquest mapa, s’ha desenvolupat una plataforma web per facilitar-ne la visualització i millorar l’accessibilitat de la informació per a tots els usuaris. Com a pas addicional per millorar l’anàlisi, s’han integrat dades complementàries. El mapa BDD s’ha combinat amb la velocitat de deformació, l’antiguitat dels edificis (considerada com un indicador de vulnerabilitat) i dades de població, amb la finalitat de proporcionar una primera avaluació de l’impacte potencial sobre els residents. Aquesta integració ha donat lloc al desenvolupament d’un “Mapa d’Impacte Potencial”, que permet identificar àrees que requereixen atenció prioritària i recursos per a una mitigació eficaç del risc. La robustesa de la metodologia proposada s’ha avaluat mitjançant un procediment específic de validació. Aquesta avaluació ha analitzat tant la metodologia com els seus resultats sota diferents geometries d’adquisició, demostrant que el gradient espacial de deformació és independent de la geometria, així com sota diferents intervals temporals. Així mateix, la validació s’ha complementat amb campanyes de camp per avaluar els danys en edificis, centrant-se en indicadors de deformació diferencial, com esquerdes i fissures en parets i al voltant de finestres. (Español) La investigación de la deformación de edificios debida a asentamientos diferenciales es una tarea compleja, especialmente en áreas extensas; sin embargo, con el avance de las técnicas de teledetección, este tipo de estudios se ha vuelto actualmente viable. El European Ground Motion Service (EGMS), como parte del Copernicus Land Monitoring Service, representa el mayor servicio de Interferometría SAR (InSAR) a gran escala desarrollado hasta la fecha. Gracias a sus características técnicas y a la disponibilidad abierta y gratuita de sus productos, el EGMS facilita el acceso a mapas de desplazamiento. El desafío ahora reside en desarrollar metodologías y herramientas adecuadas para aprovechar eficazmente esta gran cantidad de información y generar mapas fáciles de interpretar, orientados a la evaluación del daño en edificios y a la mitigación del riesgo urbano. Esta tesis doctoral aborda este desafío mediante la propuesta de una metodología y una herramienta de software innovadora que transforman los datos de desplazamiento derivados de InSAR en mapas geoespaciales completos, a través de un análisis de deformación diferencial espacial a escala de edificio. Esto permite la identificación y clasificación de edificios urbanos susceptibles a sufrir daños debido a movimientos diferenciales. En particular, se pone el foco en la deformación diferencial espacial (es decir, el gradiente espacial de deformación) a nivel individual de edificio, ya que la mayoría de los daños significativos en estructuras e infraestructuras están asociados a gradientes espaciales de deformación. El resultado final de la metodología propuesta es el denominado “Mapa de Deformación Diferencial de Edificios” (BDD). Esta metodología es novedosa porque, a diferencia de estudios previos centrados principalmente en áreas reducidas, permite la cartografía sobre áreas estensas manteniendo un análisis detallado a nivel de edificio. La metodología requiere únicamente dos tipos de datos de entrada: mapas de desplazamiento derivados de InSAR, independientemente de la fuente de datos, y un mapa vectorial de la huella de los edificios. Este trabajo ilustra el uso de los productos básicos de EGMS para realizar un análisis multiescala, incluyendo la área metropolitana de Barcelona, la región de Cataluña y, finalmente, el mapa BDD de toda España. Dicho mapa incluye 2.958 edificios vulnerables a sufrir daños debido a asentamientos diferenciales. Dada la gran extensión espacial de este mapa, se ha desarrollado una plataforma web para facilitar su visualización y mejorar la accesibilidad de la información para todos los usuarios. Como paso adicional para mejorar el análisis, se han integrado datos complementarios. El mapa BDD se ha combinado con la velocidad de deformación, la antigüedad de los edificios (considerada como un indicador de vulnerabilidad) y datos de población, con el fin de proporcionar una primera evaluación del impacto potencial sobre los residentes. Esta integración ha dado lugar al desarrollo de un “Mapa de Impacto Potencial”, que permite identificar áreas que requieren atención prioritaria y recursos para una mitigación eficaz del ri