DIPARTIMENTO DI GEORISORSE E TERRITORIO. Levé LIDAR - Trappistes

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1 GEORISORSE E TERRITORIO Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi, Torino - Italy Telefax: 011/ Levé LIDAR - Trappistes Relation du travail PROF. FULVIO RINAUDO ING. LEANDRO BORNAZ Telefono: 011/ / fulvio.rinaudo@polito.it leandro.bornaz@polito.it

2 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 2 Sommaire 1. Les systèmes d acquisition laser page Instrument utilisé pour le levé laser page Réalisation du levé page Traitement préliminaire des données page Modélisation 3D page Matériel consigné à la fin du levé page 30 Voir aussi la Présentation illustrée

3 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 3 Les systèmes d acquisition laser Généralités à propos des systèmes d acquisition laser scanner terrestres (LIDAR) Les instruments laser (connus aussi avec le nom LIDAR) sont actuellement parmi les plus intéressants sur le marché des instruments pour le relief topographique. LIDAR est un acronyme qui signifie «Light Detection And Ranging». Il s agit d une technologie qui se sert de la lumière laser pour mesurer les distances. Ces instruments sont généralement composé d une unité d acquisition laser optimisée pour les levés haute vitesse et d un système de miroirs balayants qui permettent de diriger le rayon lumineux sur un objet. Si on connaît la position de la source laser et la direction du rayon lumineux on peut calculer la position du point franchis par le laser en utilisant de simples règles de géométrie. Il existe plusieurs systèmes LIDAR mais la plupart d entre eux utilisent des ondes à fréquences infra-rouge ou presque infra-rouge. Un LIDAR destiné à couvrir de grandes surfaces (distances élevées) doit être beaucoup plus puissant d un laser destiné à couvrir petites surfaces (distances limitées). D'autre part un système opérant à haute distance sera moins précis de celui qui opère à distance limitée. Nous pouvons aussi subdiviser les systèmes d acquisition laser selon leur emplacement pendant le levé de données. On peut donc parler de systèmes LIDAR aéroportés, héliportés et de systèmes positionnés au sol. Les lasers positionnées au sol sont les seuls à offrir un élevé degré de précision. Selon le type de laser utilisé (puissance du laser, fréquence du rayon lumineux) il est possible, dans des conditions météo de normalité, de mesurer la position de points avec une précision d'à peine quelques millimètres. Si au contraire on désire utiliser un système laser positionné sur une plate-forme mobile (avion ou hélicoptère), la détermination de la position de celle-ci pendant le vol constitue un facteur restrictif pour la précision du levé. La réflectivité des objets Quand la pulsation lumineuse émise par le laser franchit un objet elle peut être totalement réfléchie ou partiellement absorbée, selon la nature de l objet de contact.

4 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 4 La plupart des LIDAR actuels possède des systèmes sachant enregistrer l'intensité du signal de retour (réflectivité). L'utilité des «données d'intensité» est très importante pour le traitement des données. Grâce à cette information les utilisateurs des lasers peuvent maintenant déterminer la position de points sur les objets acquis et faire une partie du traitement des données de façon complètement automatique. Pour le futur on peut bien penser de réaliser des logiciels qui aideront à déterminer la provenance de la réflexion, soit la nature de la végétation, les pierres, le sable l'asphalte ou d'autres surfaces, selon la force du signal retourné. En réalité, ceux qui possèdent un appareil laser ne se servent pas assez des «valeurs d'intensité» pour leurs projets et même si on désirait s'en servir, quelque logiciels conçus uniquement pour le traitement des données lasers ne donne pas la possibilité de s en servir. Utilisé de façon experte et raisonnée, le laser scanner constitue une méthode précise et efficace d'obtenir l'information topographique du sol et de ses composantes. La radiométrie des objets Certaines compagnies qui construisent des systèmes d acquisition laser ont fixé dans leur LIDAR une caméra à séquences numérique et sont ainsi en mesure d'offrir une information radiométrique pour chaque point acquis. Malgré cela la définition de ces caméras est très réduite et généralement peu utilisable. Certaines compagnies et beaucoup de chercheurs conseilles aujourd hui d utiliser une caméra externe au laser qui permet d obtenir des images numériques haute définition qui peuvent être utilisées pour draper le nuage 3D de façon d obtenir un modèle 3D à couleur de l objet. Utiliser des images numériques haute définition en même temps que les modèles 3D acquis par le laser permet d'ailleurs de parcourir nouveau réseau de la recherche et obtenir toute une série de produits nouveaux. Le LIDAR est aujourd hui un outil qui peut contribuer à la résolution de problèmes spécifiques, il peut constituer une solution aussi idéale qu'économique. Il fournit rapidement des levés de nature précise adaptés à des situations particulières.

5 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 5 Vu les caractéristiques de ce genre d instrument les systèmes d acquisition laser peuvent être employé dans différent réseau comme par exemple : Topographie & Relevés des Mines Architecture & Mesure des Façade Archéologie & Documentation du Patrimoine Monitoring & Civil Engineering Levé de n importe quel objet présent sur le territoire Modélisation des villes Relevé de Tunnels Réalité virtuelle Logiciels d acquisition Les fabricants dotent leur équipement de logiciels doués de diverses fonctions. Ceux-ci permettent en général de faire l acquisition des données et une certaine élimination des données inutiles. Le traitement des données Le traitement des données laser est sûrement la partie la plus lourde du travail. Le traitement des données peut être divisé dans deux partie : Le traitement préliminaire des données laser, qui est une étape nécessaire pour : Elimination des outliers et gross errors présent dans toutes les acquisitions; Alignement des modèles 3D ; Image mapping (texturisation) du modèle 3D (éventuel). La modélisation 3D du nuage de points pour obtenir un modèle 3D surface de l objet qui se compose par: Modélisation du nuage de points ; Filling Holes (fermeture des trous éventuellement présents) ; Extraction d informations géométriques.

6 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 6 Instrument utilisé pour le levé laser L instrument qu on a utilisé pour faire le levé des données est un RIEGL modèle LMS-Z420 de propriété du Politecnico di Torino Dipartimento di Georisorse e Territorio. Laser Scanner RIEGL LMS-Z420 Laser Scanner RIEGL LMS-Z420 - dimensions

7 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 7 Principes d acquisition du laser RIEGL LMS-Z420 L'électronique d acquisition 3D du laser (1) LMS-Z420 est optimisée afin de répondre aux exigences du balayage à grande vitesse (vitesse rapide de répétition de laser, traitement des signaux rapide, et interface à grande vitesse de données). L oscillation verticale (ligne de balayage) du rayon laser (2) est réalisée par un polygone (3) avec un certain nombre de surfaces réfléchissantes. Pour les taux de balayage élevés et/ou un angle vertical de balayage jusqu'à 80, le miroir polygonal tourne sans interruption à vitesse réglable. Pour des taux de balayage lents et/ou de petits angles de balayage, il oscille linéairement en haut et en bas. Le balayage horizontal (balayage d'armature) est fourni en tournant la tête optique entière (4) jusqu'à 360. L'information obtenue, c est à dire la distance, l angle, et l amplitude du signal (réflectivité), est fournie par l'intermédiaire de l'interface d'ethernet de TCP/IP ou du rendement de données parallèle qui peuvent être reliés directement au port d'imprimeur compatible de LPT d'ecp (5) d'un ordinateur portable (6) sur lequel est présent le logiciel de RIEGL RiSCAN PRO(7). RiSCAN PRO permet à l'opérateur d'accomplir un grand nombre de tâches comprenant la configuration du laser, l'acquisition des données, la visualisation des données, la manipulation des données, et l'archivage. La caméra haute résolution Le laser scanner RIEGL LMS-Z420 peut être équipé avec une camera numérique haute résolution en utilisant un bras de support calibré. L appareil est utilisé pour collecter une imagerie qui sert à obtenir l information radiométrique du modèle 3D et parvenir à un modèle 3D couleur de l objet.

8 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 8 Caractéristiques techniques L instrument qu on a utilisé pour le relevé est un laser RIEGL LMS- Z420 avec les caractéristiques suivantes : 2 laser différents : Laser class 1 et laser class 3R (conformément aux règles techniques IEC :2001 sur la sûreté des yeux); Distance maximale d acquisition : 250 m (laser class 1) 1000 m (laser class 3R); Distance minimale d acquisition : 2 m; Précision sur la mesure de la distance : ± 5 mm (laser class 1) ± 25 mm (laser class 3R) ; Vitesse d acquisition : points/sec ~ 6600 points /sec ; Fréquence d onde du rayon laser : presque infra-rouge ; Divergence du rayon : 0.25 Fenêtre d acquisition 360 (horizontal) x 80 (vertical); Mécanisme d acquisition : rotation oscillation ; Résolution angulaire de l acquisition : 0.01.

9 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 9 Réalisation du levé laser Le levé de données laser a eu lieu mardi le 03 février La paroi en objet d étude à une dimension approximative de 100 m en longueur et 35 m en hauteur. Pour obtenir le Modèle Numérique du Terrain (MNT) de l objet 3 acquisitions ont été mises en place de façon de réussir à avoir un modèle le plus complet possible. Des cibles haute réflectivité (marker) ont été utilisés pour aligner les différentes acquisitions. Des markers étaient déjà présents sur la paroi et 4 markers ultérieurs ont été ajoutés en correspondance des 4 point de stationnements utilisés pour le levé topographique classique ( ). Les cordonnées de ces 4 markers seront utilisées pour aligner les acquisitions multi temporelles dans un système de référence unique. Représentation du levé

10 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 10 Nous avons réalisé la prise des données laser depuis chaque position de stationnement en plusieurs phases. En premier temps nous avons acquis les endroits où se trouvaient les cibles en utilisant une résolution angulaire très haute (positions ), en deuxième temps nous avons fait l acquisition de la partie de paroi qu on pouvait rejoindre depuis l emplacement du laser avec résolution angulaire 30 mgon. De la même position nous avons réalisé aussi les images numériques en utilisant le bras de support calibré pour la caméra. L appareil utilisée est une caméra numérique Nikon D1X équipée d un objectif 28 mm qui produit des images 2000*1320 pixels. Tout le travail a été réalisé en utilisant le logiciel RIEGL Riscan Pro. Le logiciel RIEGL Riscan Pro Le laser RIEGL LMS-Z420 est équipé avec le logiciel d acquisition Riscan Pro. Il s agit d un logiciel qui permet de réaliser les acquisitions et, si l on le désire, une partie du traitement préliminaire.

11 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 11 Spécifiques d acquisition Acquisition depuis la position 1 Temps d acquisition: 0 h 50 min Points acquis: Acquisition faites depuis la position: 6 Images acquises : 11 Logiciel d acquisition RiscanPro Riegl

12 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 12 Acquisition depuis la position 2 Temps: 0 h 45 min Points acquis: Acquisition faites depuis la position: 5 Images acquises : 9 Logiciel d acquisition RiscanPro Riegl

13 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 13 Acquisition depuis la position 3 Temps: 0 h 30 min Points acquis: Acquisition faites depuis la position: 1 Images acquises : 9 Logiciel d acquisition RiscanPro Riegl

14 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 14 Traitement préliminaire des données Le traitement préliminaire des données laser est une étape nécessaire pour : Filtrage des données; Elimination des points inutiles; Alignement des scansions; Image mapping (texturisation) du modèle 3D. Aujourd hui sur le marché des logiciels pour le traitement des données laser il est possible de repérer plusieurs programmes de traitement des données. La plusieurs partie de ces programmes permet de faire une élimination des points non nécessaires, un filtrage des données, pour éliminer les points incorrects et la modélisation 3D du nuage de points. Dans tous ces cas, quand on fait un traitement de données, celui-ci représente, au niveau de la précision, une diminution de fiabilité. En outre tous les logiciels commerciaux utilisent des algorithmes qui ne sont jamais bien expliqués aux utilisateurs et qui ne permettent pas de comprendre la qualité des données après le traitement. Souvent ces logiciels ne se servent pas assez (parfois pas du tout) des «valeurs d'intensité» acquis par le laser pour leurs projets. Pour l ensemble de ces raisons le traitement préliminaire à été fait en utilisant le logiciel LSR 2004 développé par le Politecnico di Torino Dipartimento di Georisorse e Territorio. Il s agit d un logiciel spécialement conçu pour le traitement des données laser scanner sur sol, tous les algorithmes utilisés ont été étudiés par les chercheurs de l université, ont été l objet de tests et ont été présentés à l occasion de congrès internationaux de topographie, photogrammétrie et télédétection. Ce logiciel est toujours objet d intégrations et d améliorations selon les nouvelles techniques d acquisition laser proposées sur le marché et il se propose de réussir à utiliser les données laser en toute leur complexité, aspect aujourd hui pas encore achevé par les logiciels commerciaux et sur lequel les chercheurs sont en train de tourner leur attention. Avec LSR 2004 il est possible de faire: Elimination des outliers et gross errors présent; Alignement automatique des modèles 3D ; Image mapping (texturisation) du modèle 3D (éventuel). Création de l image solide (produit nouveau proposé à l occasion du dernier congrès ISPRS).

15 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 15 Spécifiques du traitement préliminaire Acquisition depuis la position 1 Temps nécessaire pour l élaboration (dont ~10% par opérateur et ~90% par ordinateur): 8 h ~ Points présents après le filtrage et l élimination des outliers et gross errors présent: Marker individués automatiquement: 15 Alignement: - le modèle à été utilisé comme référence pour aligner les deux autres Logiciel LSR 2004 pour le traitement préliminaire. Nuage des points position 1

16 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 16 Acquisition depuis la position 2 Temps nécessaire pour l élaboration (dont ~10% par opérateur et ~90% par ordinateur): 7 h 30 min ~ Points présents après le filtrage et l élimination des outliers et gross errors présent: Marker individués automatiquement: 10 Alignement: - le modèle à été aligné avec le modèle de la position 1 Résultats de l alignement des scans : Rotations du modèle ω (première rotation) 5,8146 [gon] φ (deuxième rotation) 15,9868 [gon] κ (troisième rotation) -17,7025 [gon] Translations du modèle X -11,884 [m] Y -30,659 [m] Z -4,582 [m] Paramètres de convergence statistiques σ0 à priori 1 - σ0 7,07* Logiciel LSR 2004 pour le traitement préliminaire

17 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 17 Acquisition depuis la position 3 Temps nécessaire pour l élaboration (dont ~10% par opérateur et ~90% par ordinateur): 5 h30 min ~ Points présents après le filtrage et l élimination des outliers et gross errors présent: Marker individués automatiquement: 7 Alignement: - le modèle à été aligné avec le modèle de la position 2 Résultats de l alignement des scans : Rotations du modèle ω (première rotation) 28,9513 [gon] φ (deuxième rotation) 14,2142 [gon] κ (troisième rotation) -72,7424 [gon] Translations du modèle X -23,905 [m] Y -100,640 [m] Z -16,127 [m] Paramètres de convergence statistiques σ0 à priori 1 - σ0 7,94* Logiciel LSR 2004 pour le traitement préliminaire

18 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 18 Le résultat des ce traitement est un modèle numérique complet de la paroi qui peut maintenant être modélisé en utilisant les logiciels commerciaux classiques. Logiciel LSR 2004 pour le traitement préliminaire MNT de la paroi des Trappistes Après le traitement préliminaire nous pouvons nous attendre une précision sur les cordonnées des points de ± 1.5 cm sur chaque point.

19 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 19 Résultats de l alignement des scansions : ========================================== FILE DI TESTO GENERATO AUTOMATICAMENTE DA LSR 2004 ========================================== File creato il giorno 05/03/2004 alle ore Scansioni registrate: Principale: pos 1 Secondaria: pos Marker della scansione principale --- [m] ID - X - Y - Z , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Marker della scansione secondaria --- [m] ID - X - Y - Z , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Marker del file principale utilizzati per la registrazione --- [m] ID - X - Y - Z Matrice di rotazione r11 r12 r13 r21 r22 r23 r31 r32 r , , , , E , E-02, Singole rotazioni --- [gon] Omega (rotazione primaria) Fi (rotazione secondaria) Kappa (rotazione terziaria) Vettore di spostamento --- [m] X Y Z Scarti sui punti dopo la rototraslazione --- [m] ID - X - Y - Z Sigmazeroquadro della stima E-05 =================================== Marker del file secondario utilizzati per la registrazione --- [m] ID - X - Y - Z

20 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 20 ========================================== FILE DI TESTO GENERATO AUTOMATICAMENTE DA LSR 2004 ========================================== File creato il giorno 05/03/2004 alle ore Scansioni registrate: Principale: pos 2 Secondaria: pos Marker della scansione principale --- [m] ID - X - Y - Z , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Marker della scansione secondaria --- [m] ID - X - Y - Z , , , , , , , , , , , , , , , , ,4.7712,, , , , Marker del file principale utilizzati per la registrazione --- [m] ID - X - Y - Z Marker del file secondario utilizzati per la registrazione --- [m] ID - X - Y - Z Matrice di rotazione r11 r12 r13 r21 r22 r23 r31 r32 r , , , , , E-03, Singole rotazioni --- [gon] Omega (rotazione primaria) Fi (rotazione secondaria) Kappa (rotazione terziaria) Vettore di spostamento --- [m] X Y Z Scarti sui punti dopo la rototraslazione --- [m] X - Y - Z Sigmazeroquadro della stima E-05 ===================================

21 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 21 Modélisation 3D La modélisation 3D du nuage de points obtenu a été faite avec le logiciel commercial Rapidform 2004 qui permet de maintenir les informations de couleur des points. Avant de modéliser la paroi il est nécessaire éliminer les objets qui ne lui appartiennent pas (par ex. arbres, végétaux, ). Cette élimination est effectuée manuellement et le temps nécessaire pour faire cela est strictement lié aux numéro et à la complexité des objets présents. Il s agit en tous cas d une élaboration manuelle qui nécessite d un ordinateur assez puissant et de beaucoup de temps de travail. Logiciel pour la modélisation 3D Rapidform 2004 Le nuage de points traité avec LSR 2004 Après avoir éliminé manuellement tous les obstacles présents dans le nuage de points (arbres, etc. ) on peut procéder avec la modélisation 3D. La modélisation 3D peut être plus ou moins automatique mais en tous cas l intervention manuelle se rend nécessaire afin d obtenir le

22 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 22 modèle 3D final. Généralement ce type d opération nécessite de assez de temps. Le modèle 3D à surfaces obtenu Quand le modèle 3D est finalement fini le logiciel Rapidform 2004, comme d autres logiciels de modélisation, nous offre la possibilité d obtenir toute une série d information 3D, par exemple: Informations sur le modèle ;

23 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 23 Information sur les faces du modèle ; Une visualisation de l orientation ;

24 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 24 Une visualisation de la courbure locale ; Les courbes de niveau ;

25 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 25

26 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 26 La distance entre 2 points ; La distance entre deux points en suivant une surface ;

27 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 27 Un angle ; Eventuellement autres informations 3D.

28 GEORISORSE E TERRITORIO Pag. 28 Matériel consigné à la fin du levé Dossier des données acquises avec le logiciel RIEGL Riscan Pro (Datum original) Dossier des acquisitions originales avec extension *.txt Dossier des acquisition après l élimination des gross errors et outliers avec le logiciel LSR 2004 avec extension *.txt ; Dossier du modèle 3D à points obtenu ave LSR 2004 avec extension *.txt, *.wrl, *.dxf ; Dossier du modèle 3D après l élimination manuelle des objets obstacles avec extension *.txt ; Dossier du modèle 3D à surfaces obtenu avec le logiciel Rapidform 2004 ; Dossier des courbes de niveau (0.20 m de équidistance) avec extension *.dwg. Logiciel LSR 2004 pour visualiser le traitement préliminaire des données et l image solide. P.S. Si possible à tout ça on ajoutera aussi quelques images solides, un nouveau produit proposé par notre groupe de recherche.