Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/20.500.14279/19509
Title: Monitoring and assessment of the impact of natural hazards of infrastructure resilience using earth observation techniques
Authors: Tzouvaras, Marios 
Keywords: Coherence;Infrastructure resilience;Land displacement;Natural hazards;SAR interferometry
Advisor: Hadjimitsis, Diofantos G.
Issue Date: Apr-2020
Department: Department of Civil Engineering and Geomatics
Faculty: Faculty of Engineering and Technology
Abstract: Infrastructure is designed to be operational under normal circumstances and to cope with common natural disruptions such as rainfall, snow and excessive heat. However, extreme natural hazards can lead to severe problems not only at the areas where such events occur, but also at neighbouring regions or even the entire country. The main aim of this PhD thesis is the development of a novel methodology for the identification of areas susceptible to land movements and the systematic monitoring of land displacement at areas of interest in Cyprus, such as areas with critical infrastructure, areas of Cultural Heritage (UNESCO sites) and other urban areas, through Earth Observation (EO) techniques. Freely available Copernicus data such as those from the Sentinel missions and datasets from other Copernicus contributing missions (Landsat TM), as well as open-source European Space Agency (ESA) SNAP software were used in the entire process. Three case study areas were selected based on the site geology and the risk that land movements can cause to the general public, critical infrastructure and to Cultural Heritage monuments. The development of landslide hazard maps was carried out, in one case study area, via the Analytic Hierarchy Process (AHP) methodology, using Landsat ΤΜ imagery. Coherent Change Detection (CCD) and Differential Interferometric SAR (DInSAR) methods, exploiting a series of Sentinel-1 SAR images, were used for monitoring land displacement caused by earthquakes and landslides, affecting different areas in Cyprus. For the calibration of the proposed EO based methodology, and the validation of the results obtained through the DInSAR processing of Sentinel-1 acquisitions, coordinates from the permanent Global Navigation Satellite System (GNSS) stations of the Cyprus Positioning System (CYPOS) network, operated by the Department of Lands and Surveys were used. The main outcome of this PhD thesis is the development of a novel Earth Observation based methodology integrating the CCD and DInSAR techniques for the systematic identification of areas susceptible to natural hazards, such as earthquakes and landslides, and the continuous monitoring of such land displacement phenomena based on the analysis of optical and Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite data, leading to a systematic way of monitoring land movements on a larger scale. Rapid detection and more detailed multi-pass products were developed using the proposed DInSAR and CCD methodologies, for the detection and monitoring of natural hazards and their impact on critical infrastructure resilience. The proposed methodology might lay the foundations for the development of an automated Early Warning System that will facilitate the operation of the country’s emergency mechanism and warn public authorities and the general public in a timely manner for an upcoming danger. Moreover, it can also serve as a guidance/consultation tool for public authorities and decision-makers regarding the identification of high-risk areas in terms of land displacement on time and the adoption of preventive protection measures on Cultural Heritage landscapes and critical infrastructure.
Description: Οι υποδομές σχεδιάζονται και κατασκευάζονται για να λειτουργούν υπό κανονικές συνθήκες και να είναι ανθεκτικές σε κοινές φυσικές διαταραχές όπως βροχοπτώσεις, χιόνι και υπερβολική θερμότητα. Ωστόσο, οι ακραίοι φυσικοί κίνδυνοι μπορούν να οδηγήσουν σε σοβαρά προβλήματα όχι μόνο στις περιοχές όπου συμβαίνουν τέτοια γεγονότα, αλλά και σε γειτονικές περιοχές ή ακόμη και σε ολόκληρη τη χώρα. Ο κύριος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας καινοτόμου μεθοδολογίας για τον προσδιορισμό των περιοχών που είναι ευάλωτες σε μετατοπίσεις εδάφους και η συστηματική παρακολούθηση των εκτοπίσεων γης σε περιοχές ενδιαφέροντος στην Κύπρο, όπως περιοχές με κρίσιμες υποδομές, περιοχές πολιτιστικής κληρονομιάς (μνημεία UNESCO) και άλλες αστικές περιοχές, μέσω τεχνικών Παρατήρησης της Γης. Διαθέσιμα δωρεάν δορυφορικά δεδομένα Copernicus, όπως αυτά από τις αποστολές Sentinel και δεδομένα από άλλες αποστολές συνεισφοράς στο Copernicus (Landsat TM), καθώς και το λογισμικό ανοιχτού κώδικα SNAP του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) χρησιμοποιήθηκαν σε ολόκληρη τη διαδικασία. Επιλέχθηκαν τρεις περιοχές μελέτης με βάση τη γεωλογία τους και τον κίνδυνο που μπορεί να προκαλέσουν μετακινήσεις εδάφους στο ευρύ κοινό, σε κρίσιμες υποδομές και σε μνημεία πολιτιστικής κληρονομιάς. Η ανάπτυξη χαρτών κινδύνου κατολισθήσεων πραγματοποιήθηκε, σε μία περιοχή μελέτης, μέσω της μεθοδολογίας της Αναλυτικής Ιεραρχικής Διαδικασίας (AHP), χρησιμοποιώντας εικόνες Landsat ΤΜ. Οι μέθοδοι Εντοπισμού Συνεκτικών Μεταβολών (CCD) και Διαφορικής Συμβολομετρίας ραντάρ (DInSAR), αξιοποιώντας μια σειρά εικόνων ραντάρ Sentinel-1, χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση μετακινήσεων εδάφους που προκλήθηκαν από σεισμούς και κατολισθήσεις, επηρεάζοντας διάφορες περιοχές στην Κύπρο. Για τη βαθμονόμηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας, που βασίζεται σε τεχνικές Παρατήρησης της Γης, και τον έλεγχο αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων που υπολογίστηκαν μέσω της ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνων Sentinel-1 με τη μέθοδο DInSAR, χρησιμοποιήθηκαν συντεταγμένες από τους μόνιμους σταθμούς GNSS (Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα Πλοήγησης) του Κυπριακού Δικτύου Μόνιμων Σταθμών Αναφοράς CYPOS, που λειτουργεί και διαχειρίζεται από το Τμήμα Κτηματολογίου και Χωρομετρίας της Κύπρου. Το κύριο αποτέλεσμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας καινοτόμου μεθοδολογίας, βασισμένη σε τεχνικές Παρατήρησης της Γης, που ενσωματώνει τις μεθόδους CCD και DInSAR για τη συστηματική αναγνώριση περιοχών ευπαθών σε φυσικούς κινδύνους, όπως σεισμούς και κατολισθήσεις, και η συνεχής παρακολούθηση τέτοιων φαινομένων μετακινήσεων εδάφους, μέσω της ανάλυσης δορυφορικών οπτικών εικόνων και εικόνων συνθετικού διαφράγματος ραντάρ (SAR), οδηγώντας στο συστηματικό τρόπο παρακολούθησης των κινήσεων εδάφους σε μεγαλύτερη κλίμακα. Προϊόντα ταχέος εντοπισμού και πιο λεπτομερή προϊόντα πολλαπλής διέλευσης (multi-pass) αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας τις προτεινόμενες μεθοδολογίες DInSAR και CCD, για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση φυσικών κινδύνων και τον αντίκτυπό τους στην ανθεκτικότητα των κρίσιμων υποδομών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να θέσει τα θεμέλια για την ανάπτυξη ενός αυτοματοποιημένου συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης (Early Warning System), που θα διευκολύνει τη λειτουργία του μηχανισμού έκτακτης ανάγκης της χώρας και θα προειδοποιεί τις δημόσιες αρχές και το ευρύ κοινό εγκαίρως για έναν επικείμενο κίνδυνο. Επιπρόσθετα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο καθοδήγησης / διαβούλευσης για τις δημόσιες αρχές και τους υπευθύνους λήψης αποφάσεων σχετικά με τον έγκαιρο προσδιορισμό των περιοχών υψηλού κινδύνου όσον αφορά την μετατόπιση εδάφους και την υιοθέτηση προληπτικών μέτρων προστασίας σε περιοχές πολιτιστικής κληρονομιάς και κρίσιμων υποδομών.
URI: https://hdl.handle.net/20.500.14279/19509
Rights: Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κάτοχου των πνευματικών δικαιωμάτων.
Type: PhD Thesis
Affiliation: Cyprus University of Technology 
Appears in Collections:Διδακτορικές Διατριβές/ PhD Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat
PhD Thesis - Marios Tzouvaras.pdfFull text25.48 MBAdobe PDFView/Open
CORE Recommender
Show full item record

Page view(s) 1

418
Last Week
2
Last month
30
checked on Apr 28, 2024

Download(s) 1

832
checked on Apr 28, 2024

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons