Mémoire de soutenance de diplôme d ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE

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1 I N S T I T U T N A T I O N A L D E S S C I E N C E S A P P L I Q U É E S D E S T R A S B O U R G Mémoire de soutenance de diplôme d ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE Bathymétrie en l absence de signal GPS : application aux canaux urbains et aux tunnels canaux. Présenté en septembre 2014 par Bastien CHAMPIER Réalisé au sein de l entreprise : Cerema Direction territoriale Est LRPC de Strasbourg Groupe Méthodes Physiques 11, rue Jean Mentelin STRASBOURG Directeur de PFE : M. Pierre CHARBONNIER, Chef de groupe Méthodes Physiques, Responsable équipe de Recherche, Directeur de recherche. Personne encadrant le PFE : M. Philippe FOUCHER, Chercheur ERA 27, chargé de recherche. Correcteurs : M. Pierre GRUSSENMEYER

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3 AVANT PROPOS Ce projet de fin d études fût fort intéressant pour de nombreuses raisons. Tout d abord, ayant travaillé dans différents environnements par le biais de nombreux stages réalisés au cours de mon cursus de formation, je n avais encore jamais eu l occasion d évoluer eu sein d un laboratoire de recherche. J ai ainsi pu découvrir un nouvel environnement de travail dédié à la recherche et au développement d outils et projets dans la Direction Territoriale Est du Centre d étude et d expertise sur les risques, l environnement, la mobilité et l aménagement (CEREMA). Cette structure m a permis, durant ces six mois, de mieux concevoir l importance du travail pluridisciplinaire en équipe, où chacun apporte une contribution essentielle. Ainsi, de part les multiples recherches effectuées dans un domaine encore peu connu par le laboratoire, soit la bathymétrie, j ai pu mettre à contribution mes connaissances et compétences d étudiant ingénieur Géomètre Topographe afin d aider dans la mise au point et le développement d un système d acquisition particulier. Ce fût donc une expérience très positive qui m a conforté dans le fondement du travail d un ingénieur. i

4 REMERCIEMENTS Dans le cadre de ce Projet de Fin d Études, je tiens à remercier l ensemble du personnel du Laboratoire de Recherches des Ponts et Chaussées de Strasbourg et notamment ceux animant le groupe Méthodes Physiques. Je remercie plus particulièrement mon directeur stage, M. Pierre Charbonnier, ainsi que mon maître de stage, M. Philippe Foucher, pour m avoir épaulé tout au long de ce travail de recherches et surtout pour m avoir donné leur confiance et leur conseil pour le développement de ce projet. Je remercie également l ensemble du corps professoral sans qui les connaissances et compétences acquises durant ces trois années d études à l INSA ne m auraient permis de mener à bien ce PFE. Je remercie plus spécialement M. Pierre Grussenmeyer et M. Mathieu Koehl pour leur contribution non négligeable quant à la mise au point de ce projet. Pour leur participation significative lors des différentes expérimentations, je remercie les membres du LRPC Mme Valérie Muzet, M. Thibaut Perrin et M. Anthony Lesouder ainsi que les membres de l INSA de Strasbourg M. Samuel Guillemin et M. Daniel Levy. Des remerciements spécifiques à l ensemble des intervenants extérieurs travaillant chez les Voies Navigables de France ayant mis à notre disposition les moyens de mettre au point ce projet de recherche. Je remercie principalement M. Alexis Voulminot, M. Pascal Froehlicher et M. Gilles Esbelin. Je tiens aussi à remercier l ensemble des contacts extérieurs, commerciaux comme professionnels, dont les connaissances techniques et leur devis ont permis de m aiguiller sur les bons axes de développements. Enfin, je remercie chaleureusement l ensemble de mes camarades avec qui j ai partagé d agréables moments tout au long de ces études. Spécialement M. Florian Pruvost, M. Mikael Royere, M. Robin Bruna, M. Remy Prieur et M. Edouard Giudice pour leur aide, leur partage, leur soutien et leur bonne humeur. ii

5 TABLE DES MATIÈRES I. Introduction... 1 II. État de l art des techniques bathymétriques et d inspection sous marine Introduction Bref historique de la bathymétrie La ligne de sonde Les échosondeurs Les transducteurs électroacoustiques Sondeurs acoustiques monofaisceau Sondeurs acoustiques multifaisceaux (SMF) Les sondeurs multitransducteurs ou système de balayage Les SONAR Le SONAR latéral Le CHIRP SONAR latéral Le SONAR par interférométrie Le SONAR à synthèse d ouverture (SAS) Les SONAR d imagerie 2D ou caméras acoustiques Les caméras acoustiques 3D Les SONAR bathymétriques 3D Bathymétrie par scanner laser Lidar aéroporté bathymétrique Scanner laser 3D sous-marin Conclusion III. Intégration d un système de mesure hydrographique SONAR à balayage latéral Structure initiale du système Caractéristiques techniques Analyse du signal «CHIRP» au niveau des transducteurs Les paramètres TVG du SONAR Résolution de l image SONAR Caractéristique énergétique du SONAR Expérimentation et montage Présentation des 2 expérimentations Fixation et orientation du SONAR IV. Interprétation des images du SONAR latéral Introduction iii

6 4.2. La localisation des objets L ombre portée La taille de l objet Effets compliquant l interprétation des images SONAR Le «ghosting» La diaphonie La thermocline et l halocline Distorsion dans un virage La diffusion de surface Le souffle de l hélice Le bruit sonore Distorsions géométriques Le raccourci Le repliement L ombre portée Déformation liée à l attitude du SONAR Effet de Roulis Effet de Cap Effet de tangage Variations de vitesse Conclusions et perspectives V. Analyses des calculs de trajectographie Opérations et traitements tachéométriques Acquisition des données Traitements et analyse des données Opérations et traitement de l OVS Acquisition des données Traitements et analyse des données Opérations et traitements photogrammétriques Acquisition des données Traitements et analyse des données Correspondance entre modèle Photogrammétrique et Image Sonar VI. Conclusion et perspectives VII. Table des illustrations VIII. Bibliographie IX. Annexes iv

7 CHAPITRE I. INTRODUCTION L objectif de ce Projet de Fin d Études est d explorer les techniques permettant d acquérir, grâce à un système embarqué, la cartographie 3D complète d une section de canal (partie immergée aussi bien que partie aérienne), dans des configurations difficiles, où le signal GPS de localisation n est pas disponible : tunnels-canaux et canaux urbains. Il s'agit, d'une part, de réaliser une étude bibliographique et commerciale des moyens disponible, en se basant sur des critères de précision, rendement, accès aux données brutes, coût, etc. D'autre part, il s'agit d'étudier les capacités d un SONAR à balayage latéral, mis à disposition par Voies Navigables de France (VNF) déployé dans un tel environnement. Mon projet de fin d'études s'est déroulé au sein du groupe Méthodes Physiques du Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg. Depuis le 1 janvier 2014, lecelui-ci fait partie intégrante de la Direction Territoriale Est au service du Centre d étude et d expertise sur les risques, l environnement, la mobilité et l aménagement (CEREMA), ex CETE de l Est. Le CEREMA, établissement public à caractère administratif (sous la tutelle conjointe du Ministère de l Écologie, du Développement Durable et de l Énergie, ou MEDDE), assure un appui scientifique et technique auprès des différents acteurs du domaine, dans le but d élaborer, de mettre en œuvre et d évaluer les politiques publiques de l aménagement et du développement durables. Le CEREMA est réparti sur le territoire français en 29 sites. Constitué, dans un premier temps, du siège social basé dans la région Lyonnaise à Bron, il rassemble 3 directions techniques et 8 directions territoriales composées de 17 laboratoires de recherches. L ensemble de ses équipes, aux activités diverses, assurent de nombreuse missions telles que le développement de méthodologies et d outils permettant d améliorer la gestion du territoire, et de répondre aux besoins de l État et d acteurs territoriaux. Le Laboratoire Régional de Strasbourg est composé d environ 70 agents répartis en un ensemble de cinq groupes aux activités différentes : Géotechnique-Terrassement-Chaussée, Ouvrages d Art, Construction, Acoustique et Méthodes Physiques. A noter que les deux derniers groupes sont constitués autour de deux équipes de recherche associées à l IFFSTAR 1 (ERA 2 ). Ainsi, le groupe Méthodes Physiques est bâti autour de l'era 27 "Imagerie - Méthodes Optiques", où s'est déroulé mon projet. Cette équipe a pour but le développement et le transfert de connaissances et de techniques liées à l'optique et au traitement d'images numériques, dans des applications liées à la sécurité des transports et au contrôle non destructif en génie civil. Les services des Voies Navigables de France (VNF), assurant l entretien, l exploitation et l amélioration de 6700 km de voies fluviales, ont manifesté le besoin de développer un outil d inspection permettant d observer et localiser des détériorations sur les maçonneries des tunnels-canaux, soit au total 33 ouvrages représentant une longueur cumulée de 42km. Le développement d un tel outil, de par l environnement bien spécifique dans lequel celui-ci évoluera, doit faire preuve d innovation en termes de technologies employées afin de permettre une inspection à la fois sûre et efficace. En particulier, il y a lieu de rechercher des 1 Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l Aménagement et des Réseaux. 2 Équipe de Recherche Associée Page 1

8 solutions alternatives à l'emploi des techniques de positionnement global par satellite (GPS), inopérantes dans les tunnels-canaux (problématique qui s'applique également aux canaux urbains). Une convention de partenariat à été signé en 2009 par le CETU, la DTerEst et VNF. Celle-ci a permis la mise au point d un système d inspection visuelle à hauts rendements des tunnelscanaux basé sur des procédés photogrammétriques (et plus particulièrement sur des principes de stéréovision). Ce système d acquisition permet de procéder à la cartographie détaillée et géoréférencée des parties émergées des ouvrages. Actuellement, des recherches complémentaires sont en cours en vue d automatiser le traitement des images afin de repérer automatiquement les potentielles détériorations visualisables sur les images acquises par ce système. Or, il est tout aussi important de pouvoir procéder à la localisation et au diagnostique de débris sur le fond du canal ou de déformations sur les structures immergées. L objectif final du projet est donc de développer un système capable de procéder à la cartographie géoréférencée de la totalité du tunnel et de réaliser un modèle tridimensionnel du tube entier d un tunnel par l emploi d outils de mesures et de traitements particuliers. Ces travaux feront l objet d une thèse de doctorat financée par le Cerema, démarrant le 1 er septembre Ce Projet de Fin d Études s inscrit dans le cadre de l étude de faisabilité d un tel système, et concerne plus particulièrement l acquisition de données hydrographiques / bathymétriques. Cette étude fait suite à plusieurs Projets de Fin d Études (PFE) et Projet de Recherches Technologiques (PRT) déjà réalisés conjointement, depuis 2011, par le LRS et le groupe PAGE 1 de l Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Strasbourg. Les Voies navigables de France ont, dans ce cadre, mis à disposition un site test en Moselle ; il s agit d un tunnel d une longueur approximative de 475m situé entre Niderviller et Arzviller. Un second site expérimental dans le quartier de la Petite France à aussi été mis en place durant ce PFE afin de permettre d autres expérimentations dans des conditions où le signal GPS n est toujours pas ou peu disponible. L ensemble des études préalables déjà réalisées sur le développement du système ont permis de mettre au point une méthode de repérage du dispositif à l intérieur du tunnel en traitant et comparant les données enregistrées suivantes : suivi tachéométrique, attitude de l embarcation à l aide d une centrale inertielle, détermination de vitesse par radar Doppler, trajectoire par photogrammétrie et odométrie visuelle. Une première approche (Guittet, 2012), a permis de définir les avantages et inconvénients des différentes méthodes de positionnements du système dans un milieu ne présentant aucune couverture GPS, et de procéder à la modélisation tridimensionnelle des parties émergées du tunnel-canal par l emploi d une procédure photogrammétrique à l aide de Photomodeler-Scanner. Une seconde étude, entreprise par (Chavant, 2013), a permis d évaluer la qualité et la précision ainsi que de l exactitude de cette modélisation 3D du tunnel en comparant les ensembles de points obtenus par photogrammétrie à ceux obtenus par lasergrammétrie. De plus, une méthode de positionnement simplifiée a été proposée et évaluée. Fondée sur l'utilisation du mouvement et de la stéréovision, cette technique d'odométrie Visuelle Simplifiée (OVS) est automatique et rapide, mais ne permet d'atteindre pour le moment qu'une précision décimétrique. D autre part, les travaux de Chavant ont permis d évaluer les performances de l OVS au regard de la photogrammétrie ainsi que la qualité de reconstruction des images panoramiques de la voûte du tunnel acquises par le système. 1 Photogrammétrie Architecturale et Géomatique Page 2

9 Les nombreuses études réalisées jusqu à présent ont donc permis d évaluer les capacités du système d inspection quant à son positionnement et la modélisation tridimensionnelle des structures émergées en se basant sur des principes de traitements simplifés. Mon Projet de Fin d Étude s inscrit comme étant une première approche de la seconde partie de développement du système d inspection où la connaissance de la propagation des ondes sonores dans un milieu aquatique clos tel que celui des tunnels-canaux est importante pour l interprétation et l analyse judicieuse des images subaquatiques. Mes six mois de recherches ont ainsi permis, tout d abord, d étudier les différentes techniques d acquisition de données bathymétriques existantes ainsi que leur principe de fonctionnement afin de déterminer l instrument de mesure le plus en adéquation avec les objectifs du système d inspection. En parallèle, j ai entrepris de multiples démarches commerciales permettant d obtenir une estimation du coût des différents appareils existants et d avoir une première liste de contacts susceptibles d aider dans l avancement ultérieur du projet de recherche. J ai également procédé à l intégration d un SONAR à balayage latéral au prototype existant et ai étudié les capacités de cet instrument lors d expérimentation dans des canaux urbains et tunnels canaux que j ai contribué à mettre au point. Les données acquises m ont permis d analyser les images SONAR obtenues et de comparer les résultats des calculs de trajectographies par odométrie visuelle simplifiée et par suivi tachéométrique. Le présent document est organisé de la manière suivante ; tout d abord, un État de l Art des techniques d acquisitions bathymétriques présentra brièvement leur fonctionnement et des applications réalisées dans l inspection d infrastructures immergées. Dans un second temps, nous présenterons comment le SONAR à balayage latéral à été intégré au système existant lors des différentes expérimentations avant de présenter ces caractéristiques techniques. Par suite, nous exposerons l ensemble des distorsions et déformations géométriques existantes lors de l interprétation des images acoustiques. Enfin, une analyse des résultats mettront en évidence quelques erreurs dans l horodatage des mesures et les limites de l odométrie visuelle simplifiée. Page 3

10 CHAPITRE II. ÉTAT DE L ART DES TECHNIQUES BATHYMÉ- TRIQUES ET D INSPECTION SOUS MARINE INTRODUCTION Les navigateurs ont toujours exprimé un besoin de connaître la topographie des fonds marins de manière à identifier, dans un premier temps, les zones à risques pour leur navire, mais aussi pour avoir une représentation scientifique plus approfondie de la forme et de la nature de ces fonds. De nos jours, les techniques d acquisitions et d identifications des fonds océaniques sont nombreuses et rapides. Leur utilisation est maintenant convoitée par beaucoup de domaine ; scientifiques, ingénieurs, militaires, pêcheurs ou encore l industrie parapétrolière offshore utilisent ces systèmes de mesures bathymétriques/hydrographiques afin d analyser les structures sédimentaires des fonds marins, d identifier des éléments spécifiques, d établir des stratégies de défenses particulières, de repérer des bancs de poissons ou encore, depuis peu, de procéder à l inspection des parties immergées d ouvrage d art, notamment à l aide de «véhicule sous-marin autonome» (en anglais AUV 1 ). Les systèmes acoustiques sont utilisés depuis longtemps afin de mesurer la hauteur d eau sous un navire, de détecter des épaves posées sur le fond ou bien de relever des images acoustiques des fonds marins. Cependant, ce n est que depuis la deuxième moitié du 20 e siècle que, pour caractériser la nature du fond des mers et océans, l on s intéresse à l utilisation des signaux réverbérés (Lurton, 1994). D autre part, depuis l arrivée dans les années 90 des scanners laser tridimensionnels, et notamment depuis le lancement de scanners laser utilisant conjointement des trains d ondes LiDAR vertes et infrarouges, les scientifiques et chercheurs analysent et tentent d améliorer, par le biais de modifications matérielles ou par l emploi d algorithme de traitement, la qualité des mesures bathymétriques effectuées en eau peu profonde avec des systèmes de bathymétrie par laser aéroporté (ALBS en anglais). Nous allons maintenant passer à un bref aperçu historique de cette science avant de présenter tous les systèmes de mesures bathymétriques existants et leurs principes de fonctionnement. 1 Autonomous Underwater Vehicle : véhicule robotisé se déplaçant sous l eau, contrôlés et alimentés depuis la surface par un pilote via un poste de contrôle. Page 4

11 2.2. BREF HISTORIQUE DE LA BATHYMÉTRIE Cela fait 3500 ans que l homme à mis au point des techniques afin de déterminer le caractère des fonds marins. En effet selon (Theberge, 1989), les premiers éléments prouvant que l homme mesurait la profondeur des fonds se trouvent sur les peintures de certaines tombes de l Égypte ancienne remontant à 1800 ans avant J.C. Une sculpture datant de ans représente un homme utilisant un bâton mince en guise de perche de sondage sur la proue d un grand navire. Cependant aucun ouvrage ou éléments recensant les mesures effectuées à cette époque n a été retrouvés. A ce jour, selon l Organisation Internationale de l Hydrographie, la plus ancienne carte de navigation connue est la carte Pisane dont le nom provient d une famille Pisane à qui la bibliothèque nationale de France l a rachetée. Elle est dessinée sur une peau de bête et serait approximativement datée du 13 e siècle (IHO, 2005) Ce n est qu au 15 e siècle que la réalisation et la diffusion de carte relative au fonds marins a commencé à se concrétiser. En 1584 Waghenaer a publié ses grands atlas «Spieghel der Zeevaerdt» contenant 45 cartes allant des côtes européennes de la Norvège jusqu au détroit de Gibraltar. Au cours du 18 e siècle de nombreux pays commencent à établir des bureaux hydrographiques dans le but de centraliser ces informations relatives à leur nation. En 1775, Murdoch Mackenzie et son neveu mettent au point un système permettant de déterminer précisément la position du navire à partir de deux observations angulaires entre 3 éléments terrestres fixes. Enfin, à la fin de la première guerre mondiale, les hydrographes français et britanniques ainsi que les délégués de 22 pays se réunissent à Londres en Juin 1919 afin d établir des règles de normalisations graphiques et d échange d informations relatives aux cartes marines. Ainsi, un bureau hydrographique international a été fondé permettant d établir les perspectives d échanges d informations et de standardisation des données (IHO, 2005) LA LIGNE DE SONDE Le sondage à main consiste à déterminer la profondeur du fond marin sous un navire en utilisant en guise de lest, une sonde en plomb de la forme d un cône ou d une pyramide tronquée attachée à une ligne de sonde (cordage à trois torons). D autre part, la cavité du plomb, appelée âme de la sonde, était remplie de suif permettant d extraire un échantillon de sédiments du fond sondé, et donc d avoir des informations sur la nature du fond marin. La profondeur mesurée était exprimée en «brasses 1», correspondant à la longueur de filin utilisé en remontant la ligne. D après (Theberge, 1989), cette méthode de sondage a été utilisée jusqu au début du 20 e siècle, soit quand les premiers échosondeurs électroniques ont été développés. Le principal inconvénient de la méthode du plomb de sonde est qu il était difficile de mesurer dans des milieux de grande profondeur, du fait des frottements de l eau sur la corde, de 1 Une brasse est une ancienne unité de mesures correspondant au développement maximum des deux bras étendus, soit environ 1m60. Il s agit à la base d une unité de mesure anglo-saxonne «fathom» qui vaut mètre. Redéfinie en France comme la «brasse nouvelle» vallant 5 pieds, soit 1.624m (Source : Centre National de Ressources Textuelles et Lexicales) Page 5

12 l influence des courants sous-marins sur la sonde finalement plus assez lourde et la difficulté à ressentir l instant où celle-ci touchait le fond. Ainsi des moyens de levage plus précis et puissants ont été développés afin de permettre de ramener sur le pont des câbles de plusieurs kilomètres de long et des charges de plusieurs tonnes. Par la suite des treuils à vapeur et électriques ont été déployés permettant d effectuer des mesures bathymétriques multiples. Sur ces derniers matériels, l impact du plomb sur le fond était enregistré par un dynamomètre mesurant le changement de tension du câble d acier (Kornprobst, et al., 2011) LES ÉCHOSONDEURS Dans cette partie sont exposés les différents types d échosondeurs existants sur le marché dont le fonctionnement et les capacités techniques sont expliquées afin de déterminer les avantages et inconvénients de chacun, plus particulièrement pour une application dans des zones étroites de faible profondeur d eau telle que des tunnels-canaux. Les deux méthodes de mesures de profondeur que ces types de système peuvent effectuer sont développées à la fin en Annexe A Les transducteurs électroacoustiques Le composant principal d un échosondeur est le transducteur. Cette pièce permet de transformer une énergie électrique en une énergie mécanique, soit une onde acoustique, et inversement. De nombreux mécanismes de transduction dont le fonctionnement à été étudié afin d obtenir le meilleur rendement possible sont évoqués dans (Kergomard, et al., 2010; Beyer, 1998). Tout d abord, nous retrouvons le couplage de transducteurs magnétostrictifs (Charles Grafton Page, 1837), puis les mécanismes de transduction magnétodynamique (Werner von Siemens, 1874), résistif (Bell, 1876), électrostatique (Dolbear, 1877), piézoélectrique (P. & J. Curie, 1880), thermoacoustique (Preece, 1880), et enfin électrodynamique (Cuttriss et Redding, 1881). Nous nous intéresserons plus particulièrement à 3 principes de fonctionnement utilisés en bathymétrie et illustrés par (IHO, 2005), soit le transducteur magnétostrictif, électrostrictif et piézoélectrique. Le transducteur magnétostrictif est constitué d un axe en fer et d une bobine de nickel l enveloppant. Un courant continu, ou une impulsion, est envoyé dans l axe et génère ainsi un champ magnétique dans la bobine de nickel, provoquant sa contraction et par conséquent la réduction de son diamètre. Une fois que le courant électrique traversant l axe s arrête, la bobine retrouve sa forme initiale. L application d un courant alternatif va entrainer une contraction puis une extension de la bobine dépendant de la fréquence du courant employé, provoquant une vibration. Si cette fréquence est égale ou correspond à un harmonique de la fréquence propre des matériaux composant le transducteur, alors l amplitude sera maximale. Le transducteur piézoélectrique est composé d une couche de cristaux de quartz sertie entre deux plaques de métal. Lorsque l on fait circuler entre ces deux plaques un courant électrique, l épaisseur de la couche de quartz va subir des variations, il s agit là de l effet piézoélectrique. Ainsi la modification de l intensité du courant électrique va entrainer une vibration du quartz et par conséquent la vibration de tout le système. Réciproquement, si la couche de cristal subit une compression mécanique, une différence de potentiel entre les deux plaques sera ainsi provoquée. Au même titre que le mécanisme de transduction magnétostrictif, l amplitude du Page 6

13 signal est maximale si la fréquence du courant électrique correspond à la fréquence propre du quartz. Le fonctionnement d un transducteur électrostrictif est basé sur le même principe que le transducteur piézoélectrique. Il diffère cependant sur le type de matériaux employés, il ne s agit plus là de quartz dont les propriétés polaires sont naturelles, mais de céramiques polycristallines ou de polymère de synthèse qui sont artificiellement polarisés lors de leur conception. Ce type de transducteur est le plus utilisé aujourd hui, du fait de leur faible masse et de leur emploi réversible (aussi bien émetteur que récepteur). D autre part, il est possible d assembler plusieurs de ces transducteurs, ayant les mêmes propriétés physiques, dans le but d obtenir un système délivrant une onde mécanique plus puissante où dont la directivité est plus intéressante Sondeurs acoustiques monofaisceau Ce type de sondeur acoustique détermine la profondeur en émettant une impulsion sonore au travers d un seul faisceau dirigé suivant une verticale à l embarcation. Le sondeur mesure le temps que met le signal émis pour parcourir le trajet aller-retour entre l embarcation et le fond, permettant ainsi de calculer, en ayant connaissance de la célérité du son dans l eau, la profondeur du sol marin (Bisquay, 1999)(Bisquay, 2010). Cette onde mécanique (ultrasonore) est émise sous forme d impulsion, puis captée par le biais d un transducteur. La Figure 1 présente le principe de fonctionnement de ce type d échosondeur. Figure 1 Principe de fonctionnement d'un sondeur monofaisceau (source web: OzCoasts.gov) L onde émise est considérée de forme conique pour un souci de clarté, cependant cette configuration là n est jamais respectée puisqu il y a toujours des lobes d émissions secondaires, d intensité bien plus faible, qui viennent perturber le faisceau principal. La plupart des transducteurs couramment utilisés pour ce type d échosondeur produisent un signal dans un cône d angle large allant de 7 à 45 (pour les sondes bi-fréquences). L inconvénient principal de cet instrument est qu il ne permet qu une insonification ponctuelle du fond. C'est-à-dire qu il n effectue, à chaque émission d onde acoustique, qu une seule mesure du fond à la verticale de l embarcation. D autre part, les signaux acoustiques n étant pas des perturbations instantanées, mais des vibrations continues caractérisées par leur fréquence d émission, on obtient ainsi une représentation du fond marin suivant une trace Page 7

14 définie par la trajectoire du navire et dont l empreinte au sol dépend de l ouverture du système et la profondeur du fond. Selon la profondeur de la zone dans laquelle les mesures sont réalisées, la fréquence de l onde acoustique utilisée ne sera pas la même. D après (Lurton, 1998), le choix d une fréquence pour une application donnée doit prendre en compte un certain nombre de contraintes, notamment l amortissement du son dans l eau, augmentant de manière significative lorsque la fréquence de l onde sonore augmente. D autre part, plus la fréquence du signal augmente, plus la résolution spatiale augmente, mais plus la portée du signal et l angle d ouverture du faisceau sera faible. Ainsi, afin de profiter des avantages que peuvent fournir des signaux de hautes fréquences (bonne résolution spatiale) et de basses fréquences (bonne pénétration, portée) certains sondeurs ont la particularité d émettre deux fréquences différentes. Par exemple l appareil de mesure du LRPC de Blois émettant à 33 et 210kHz, permet en présence de végétation d avoir une double détermination du fond (partie supérieure du couvert végétal à l aide de la haute fréquence, et partie inférieure du couvert végétal correspondant au fond à l aide de la basse fréquence). Certains systèmes peuvent émettre de très basses fréquences (entre 1 et 10kHz). De tels appareils sont appelés pénétrateurs de sédiments et permettent de cartographier les premières couches de sédiments du sous-sol marin(bisquay, 2010) Pour l inspection des tunnels-canaux, dont la profondeur du fond est généralement assez faible (moins de 10m), nous pourrions utiliser un échosondeur monofaisceau ayant une fréquence d émission élevée (entre 400kHz et 1MHz) afin de pouvoir inspecter les parties immergées avec une haute résolution spatiale. Cependant la zone levée sera relativement petite, ne permettant pas d avoir une représentation entière de parties immergées sur 1 ou 2 passages de l embarcation. D autre part, le sondeur n'ayant aucune capacité de discrimination angulaire, il interprétera le premier écho comme étant celui qui est réfléchi par le fond directement à sa verticale. Or ce cas là n est vrai qu en présence d un fond plat, la mesure étant faussée en présence d une pente puisque dans ce dernier cas, il va assimiler la profondeur du fond au niveau du point le plus haut de la zone insonifiée. Ainsi, pour l inspection des tunnels-canaux, l échosondeur monofaisceau ou bi-fréquence ne se présente pas comme l outil idéal pour la modélisation des parties immergées, malgré son faible coût Sondeurs acoustiques multifaisceaux (SMF) Ce type de sondeurs bathymétriques fait son apparition durant les années 70, motivé par les limitations que présente un système monofaisceau. Celui-ci mesure simultanément la profondeur du fond selon plusieurs directions. Les faisceaux générés forment une fauchée orthogonale à l axe de l embarcation. Ainsi, le fond étudié est exploré sur une large bande ; on parle donc dans ce cas de «bathymétrie surfacique et d exploration totale.»(bisquay, 1999; Hurtòs Vilarnau, 2009) L avantage des sondeurs multifaisceaux (SMF) par rapport au sondeur monofaisceau est qu ils permettent d explorer une bande large le long de la trajectoire du navire et que leur résolution est plus grande. Page 8

15 Au même titre que les sondeurs monofaisceau, ces sondeurs mesurent la profondeur du fond subaquatique en calculant le temps de parcours de l onde sonore, mais au lieu de mesurer un point à la verticale du transducteur à chaque impulsion, celui-ci mesure un grand nombre de points répartis sur la fauchée perpendiculaire au navire. La plupart des sondeurs multifaisceaux fonctionnent suivant la technique dite des «faisceaux croisés». Suivant les explications de (Bisquay, 2010), une impulsion sonore est émise au travers d un faisceau d émission étroit dans la direction longitudinale (environ 1 ) et large dans la direction transversale (environ 150 ). Lors de la réception, le signal émis et réfléchi est capté par une antenne linéaire perpendiculaire à l antenne d émission (principe des antennes en croix de Mills, voir(slattery, 1966)). Durant cette phase, chacun des transducteurs composants l antenne échantillonne les échos renvoyés par le fond. La réception du signal réfléchi se faisant à l aide de n faisceaux assez larges longitudinalement (environ 20 ) et fins transversalement (environ 1 ) ; la Figure 2 présente la configuration de ce principe. Figure 2 Faisceaux d émissions et de réceptions croisés (source : SHOM,2005) On obtient donc en sortie une matrice contenant les informations des signaux reçus par tous les transducteurs, et durant toute la phase d acquisition. La répartition des faisceaux d un sondeur multifaisceaux peut être de deux formes différentes suivant la technologie employée pour le système selon (Bisquay, 2010) : - De forme équiangulaire, c'est-à-dire que l angle formé entre chaque faisceau est constant. De ce fait, l écartement des zones insonifiées sur le fond ne sera pas homogène ; on obtient donc une densité forte à la verticale du sondeur et faible aux extrémités. - De forme équidistante. Dans ce cas, l angle formé entre chaque faisceau varie suivant un espacement constant entre les zones insonifiées au sol. A l instar des SONAR, les systèmes SMF sont non seulement des systèmes de mesures bathymétriques, mais aussi des systèmes «imageurs». En effet, chaque échantillon possède une valeur de réflectivité correspondant à l intensité acoustique de l écho reçu. Ainsi, à l instant où le fond est détecté, la réflectivité des différents échantillons est utilisée pour créer une imagerie, dite acoustique, permettant de fournir des informations sur la nature du fond observé. Cependant, avant d obtenir une image cohérente et exploitable depuis les données d un sondeur multifaisceaux, il est nécessaire d effectuer en, post-traitement, un certains nombres de corrections (Correction d aire exposée, correction des effets de directivité, etc.) Page 9

16 suivant la procédure de normalisation TVG 1. Plus de détails sont présentés dans les travaux de(dezhang, et al., 2006; Hellequin, 1997). Beaucoup d interventions, concernant l inspection d infrastructure immergée, ont été menées à l aide de sondeurs multifaisceaux qui sont parfois couplés avec l utilisation d un scanner laser permettant d obtenir un modèle 3D complet de l environnement étudié, que ce soit hors de l eau ou immergé. Par exemple, la société Hydroconsult procède régulièrement, en association avec le Port Autonome de Marseille (PAM), à l inspection des ouvrages portuaires immergés en utilisant un sondeur multifaisceaux RESON SeaBat 8101 avec option d ouverture à 210. Les résultats obtenus au niveau du quai dans le bassin national du port de Marseille permettent de clairement analyser l état de la maçonnerie des structures portuaires immergées. La Figure 4 représente le maillage 3D issu du nuage de points obtenus à l aide du sondeur multifaisceaux. Le port de Québec a lui aussi été soumis à une procédure d inspection marine. La société Mosaic3D a combiné dans ce cas un levé LiDAR - SMF sur 6km de long, en utilisant, pour la partie hors eau, un scanner laser Riegl Q140, et pour la partie bathymétrie, un système multifaisceaux RESON Seabat 7125SV. Les résultats obtenus sont encore une fois, malgré les mauvaises conditions du milieu aquatique dans de tels environnements (turbidité de l eau importante et visibilité réduite), très satisfaisants, et permettent ainsi de visualiser l état des structures immergées et d observer certaines détériorations. La Figure 3 présente le type de résultats que l on peut obtenir sur un pilier de pont en combinant mesures LiDAR et sondeur multifaisceaux. Figure 4 Modèle 3D obtenu à l'aide d'un sondeur multifaisceaux sur le port de Marseille source : (Fraleu, et al., 2006). Figure 3 Combinaison de mesures LiDAR et Sondeur multifaisceaux (source : CIDCO & Mosaic3D) Ainsi, par son large champ d action, sa haute résolution spatiale et sa capacité à fournir une image presque au même titre que le SONAR, les sondeurs multifaisceaux semblent être une bonne alternative pour le développement de la partie bathymétrique du système d inspection des tunnels-canaux. Cependant le prix de revient d un tel système d acquisition est relativement élevé, d autant plus qu il est nécessaire d attribuer une centrale inertielle à ce type de système (si celle-ci n est pas intégrée au SMF) afin de déterminer l orientation des faisceaux, ainsi qu un logiciel permettant le contrôle du sondeur pendant son utilisation et le traitement des données après interventions. 1 «Time Varying Gain», il s agit d une méthode de compensation du signal qui élimine les effets de pertes de transmissions des données de l échosondeur. Cette perte de transmission est due à la diffusion et à l amortissement de l onde dans le milieu. On cherche ainsi à faire en sorte que des cibles de taille identique aient un écho de même dimension. Page 10

17 Le Tableau 1donne un ordre d idée du prix que peut couter des échosondeurs multifaisceaux généralement employés dans le cas de faible profondeur d eau. Constructeur Modèle Caractéristique Kongsberg EM2040C R2Sonic 2020 R2Sonic 2022 Teledyne Reson Teledyne Reson Elac Nautik Atlas Hydrographic Seabat 7128 Seabat 7101 FLOW Seabeam 1000 Fansweep kHz Ouverture de 130 (une tête) et 200 (deux têtes) kHz Ouverture modulable de 10 à kHz Ouverture modulable de 10 à kHz Ouverture de kHz Ouverture de 150 ou kHz Ouverture de kHz Ouverture de 180 en mode balayage latéral Résolution spatiale Prix 1.8 cm cm cm cm cm cm ± 0.2% de la profondeur Tableau 1 Comparatif de prix entre différents échosondeurs multifaisceaux Les prix annoncés dans le tableau 1 sont variables de plus ou moins Cela dépendant de la fréquence du système désiré, des options (câbles, contrôleur, tête d ancrage, etc.) souhaitées, des appareils de mesures complémentaires intégrés (Centrale d attitude, profileur de célérité, etc.) ainsi que du distributeur et de l offre budgétaire proposée Les sondeurs multitransducteurs ou système de balayage A mi chemin entre le sondeur monofaisceau et le sondeur multifaisceaux se trouve le sondeur multitransducteur ou système à balayage. Celui-ci est composé d un ensemble de transducteurs répartis le long de plusieurs bômes perpendiculaires à la trajectoire du navire. Ainsi, le système ne relève plus qu une zone ponctuelle du fond, mais un ensemble de profils équivalent au nombre de transducteurs. La largeur de la fauchée est donc plus large qu avec un sondeur monofaisceau, mais elle reste plus étroite que celle générée par un multifaisceaux. De plus l utilisation de grandes bômes est encombrante et limite par la même occasion la manœuvrabilité de l embarcation. Le principe de fonctionnement d un tel sondeur est identique à celui d un système monofaisceau puisqu il s agit seulement d une mise en parallèle de ce type de sondeur dont les données de chacun d entre eux sont simultanément intégrées dans le même logiciel. Les Voies Navigables de France possèdent des bateaux ayant un ensemble de 7 échosondeurs monofaisceau également répartis perpendiculairement à la trajectoire du navire. Certains navires peuvent être composés de plus d une vingtaine de transducteurs répartis sur plusieurs barres Page 11

18 transversales modulables comme le CCGS F.C.G Smith du Service Hydrographique du Canada (SHC) LES SONAR Le SONAR latéral Le SONAR, ou «SOund NAvigation and Ranging» est un système imageur continu. Sa fonction est de constituer des images acoustiques détaillées des fonds marins observés en niveau de gris. Pour se faire,(lurton, 1998) explique qu un faisceau sonore d ouverture étroite est émis avec une incidence rasante au fond, interceptant ce dernier suivant une fine bande s estompant avec la distance. Dans cette zone couverte par le faisceau, le signal émis, d une durée très courte, va délimiter une zone insonifiée de dimension relativement petite qui va balayer toute la fauchée. L écho recueilli correspond à une représentation de la réflectivité du fond le long de la fauchée, et plus particulièrement de la présence d irrégularités ou de petits obstacles caractérisés par leur impédance acoustique. Ce signal, enregistré latéralement selon l avancée du SONAR, est juxtaposé aux signaux successifs déjà enregistré par le SONAR pendant toute la durée de son avancement. Ainsi on obtient une image presque complète du fond après jonction (mosaïquage) des images réalisées ligne après ligne, seule une zone à la verticale du système imageur ne peut être représentée. En effet, une des caractéristiques du SONAR latéral est l existence d un angle aveugle, ou zone non insonifée, compris entre 5 et 20 à l aplomb du SONAR. La structure d un tel système est basée sur l utilisation d antennes de géométrie rectangulaire très allongée, entrainant une directivité très ouverte dans le plan vertical (environ 15 de manière à insonifier largement en distance transversale et en évitant la surface de l eau) et très étroite dans le plan horizontal (environ 1, de manière à avoir un faisceau très résolvant). Ces antennes sont installées soit de part et d autre de l axe de la coque du bateau, soit sur un poisson performant d un point de vue hydrodynamique et traîné près du fond afin d assurer une bonne stabilité lors du déplacement. Pour ce qui est du récepteur, celui-ci est du même type que pour un sondeur. En ce qui concerne la fréquence employée par de tels systèmes, elle est généralement élevée (le plus souvent dans la centaine de khz). Le fait d utiliser une fréquence élevée permet d assurer les caractéristiques de directivités recherchées pour des antennes de taille petite, et une résolution en distance de quelques centimètres. La portée d un tel système est alors limitée à quelques centaines de mètres du fait de l amortissement assez rapide des signaux de haute fréquence dans l eau. Cependant une alternative à ce problème à été trouvée, il s agit de la technologie «CHIRP» Le CHIRP SONAR latéral Un SONAR latéral ordinaire émet une onde acoustique à une fréquence donnée constante. Cependant, il y a, pour ce type de SONAR, un conflit entre la portée et la résolution. En effet, on a vu qu une haute fréquence permet d améliorer la résolution spatiale au détriment de la portée, et inversement, une basse fréquence ainsi qu une forte augmentation de la puissance d émission permet d avoir une meilleure pénétration, et donc portée, au détriment de la résolution. Page 12

19 La méthode CHIRP 1 ou «technologie de rythme de compression», permet, par l amélioration du rapport Signal/Bruit, d augmenter la résolution du système sans pour autant diminuer sa portée. Pour cela, le SONAR va effectuer une modulation de fréquence linéaire générant ainsi une onde ayant une amplitude variable dans le temps. Ainsi, contrairement à une onde habituellement générée par un SONAR classique, celle-ci est composée de plusieurs pics en amplitude croissante puis décroissante, la Figure 5 montre la différence entre le signal d un émetteur CHIRP et le signal d un émetteur classique. Généralement, la fréquence de modulation varie de quelques khz, et cette méthode permet donc de conserver une résolution de l ordre de 10cm à plus de 1 000m de portée. Figure 5 : Signal d'un émetteur CHIRP (a) et signal d'un émetteur classique (b) source : INTECHMER (2007) De nombreux types de SONAR utilisent maintenant cette technologie afin d être le plus polyvalent possible, c est à dire pour avoir une portée suffisamment importante (de plus de 1000m) avec une résolution de distance plus que correcte (de l ordre de quelques cm) Le SONAR par interférométrie Un SONAR interférométrique, plus communément appelé SONAR bathymétrique ou encore SONAR multifaisceaux, est composé d un alignement de récepteurs situés à l intérieur du transducteur. L intervalle séparant ces différents récepteurs dépend de la longueur d onde du faisceau acoustique employé. L onde acoustique émise est réfléchie par le fond dans toutes les directions et est captée par chaque réflecteur sous un angle différent. Le SONAR va ensuite déterminer la phase de l onde renvoyée par le fond et décomposer la période du signal en fonction du nombre de récepteurs qui le constitue. L emploi d un algorithme va ensuite permettre de déterminer la distance entre un récepteur et le point réfléchi au sol, en prenant en considération l angle d incidence du signal au niveau du récepteur ainsi que la différence de temps de propagation de l onde entre chacun des récepteurs. Plus de détails concernant cette technique de mesures bathymétriques sont énoncés dans le Journal de la Société de Technologie Marine (Llort-Pujol, et al., 2012) L avantage de ce système est qu il est possible, par la technologie employée, d effectuer des mesures bathymétriques en plus d avoir une imagerie de haute résolution et s étendant sur une large fauchée. D autre part, son utilisation dans des milieux où la profondeur d eau est très faible (moins d un mètre) parait plus judicieuse que l emploi d un sondeur multifaisceaux de par son ouverture ; d autant plus que dans le cas de courtes distances, ce dernier a tendance à recevoir des faisceaux saturés. Cependant, malgré le coût plus faible de ce matériel, lié à la simplicité de l acoustique et des composants électroniques de réception, celui-ci ne peut pas fournir de données bathymétriques à la verticale et a un taux de mauvaises détections du fond 1 Compressed High-Intensity Radiated Pulse Page 13

20 plus élevé qu un multifaisceaux puisqu il a plus de mal à différencier deux échos de même distance ayant une incidence différente. Ainsi ce type de SONAR semble s avérer être très utile pour ce que nous cherchons à réaliser pour l inspection des canaux et tunnels canaux dont la profondeur d eau est très faible. Certains tests et projets ont déjà été réalisés avec ce type d appareil dans des zones de très faibles profondeurs, ou pour des levés bathymétriques couvrant totalement la largeur des rivières ou des canaux comme on peut le voir en Figure 6 et Figure 7. Le SONAR interférométrique EdgeTech 4600 ( swath bathymetry & side scan SONAR ) produit une imagerie et une représentation tridimensionnelle du fond marin de haute résolution. Il est composé de 8 transducteurs en réception et d un transmetteur. Il a la capacité d identifier et de rejeter les effets de multi-chemins, de réverbérations et de bruits acoustiques permettant ainsi d avoir une résolution de distance de 2cm pour l imagerie et de 3cm pour la bathymétrie en utilisant une fréquence de 540kHz. L ouverture, jusqu à 200, permet de couvrir en un seul passage l ensemble de la rivière ou du canal étudié. La Figure 6 présente une vue de la New River en Floride après traitement des données tridimensionnelles du SONAR La Figure 7 nous montre les résultats en temps réel que l on peut obtenir avec ce système lors d une démonstration par ECA-Robotics à Marseille en 2010, ayant intégré ce SONAR à l USV Inspector 1. Figure 6 Représentation 3D du fond de la New River en Floride sondé avec le SONAR EdgeTech 4600, source : Nick LAWRENCE, Directeur, Développement des affaires internationales EdgeTech. Profil de données bathymétriques à l instant t Nuage de points 3D compilé Imagerie SONAR Figure 7 Visualisation en temps réel des données acquises par le SONAR EdgeTech Source : Philippe GOARANT, Responsable Hydrographique MacArtney France. 1 L USV Inspector est un Véhicule Autonome de Surface ayant une plateforme modulaire capable d intégrer différents capteurs pour des missions de divers types : Bathymétrie en eau peu profonde ; Opérations océanographiques en zone littoral et rivière ; Surveillance et protection d installation Offshore. Page 14

21 Selon l offre budgétaire proposée par Philippe GOARANT de chez MacArtney France, le coût d un tel système est de , comprenant les softwares de visualisation et de traitement des données Hypack Max & Hysweep Acquisition, l ordinateur de suivi ainsi que du matériel de fixations et connectiques. Un montant nettement inférieur à ceux proposés pour des échosondeurs multifaisceaux et dont l utilisation serait plus appropriée dans le cas de très petit fond Le SONAR à synthèse d ouverture (SAS) Inspiré du principe de fonctionnement des radars à synthèse d ouverture créés dans le courant des années 50, ce type de SONAR consiste à combiner les échos provenant de plusieurs émissions afin de synthétiser une antenne virtuelle dont la longueur est largement supérieure à celle de l antenne réelle (Amate, et al., 2007). Sachant que la résolution d un système SONAR est inversement proportionnelle à la taille de l antenne, le fait de procéder à la synthèse d une antenne de grande taille permet d obtenir une meilleure résolution tout en ayant une antenne réelle de petite taille, élément intéressant pour les véhicules d inspection téléguidés de petite taille. Avec ce système, un objet posé sur le fond n est plus observé qu une seule fois lors du passage du SONAR, mais chacun des récepteurs de l antenne synthétique va observer le même objet sous des angles légèrement différents. Ainsi en combinant plusieurs émissions successives réalisées pendant le déplacement du poisson, le SAS (Synthetic Aperture SONAR) permet d obtenir, pour de faibles fréquences d émissions, des images à très haute résolution et de résolution constante quelque soit la portée. Cependant, de part le fait que l on fait intervenir des données issues de différentes positions successives du SONAR, il est primordiale de déterminer précisément les informations de navigation (Cap, roulis et tangage) de celui-ci lors de son avancement. Des algorithmes, tel que «Displaced Phase Center» (DPC) dont une application est présentée dans le rapport de (Dong, 2007) ou encore «PingtoPing Cross Corelation» (P2C2) présenté dans les travaux de (Billon, et al., 2002), sont basés sur les propriétés du signal reçu par chaque capteur pour déterminer le mouvement de l antenne. Cependant, à l heure actuelle et selon (Amate, et al., 2007), la meilleure méthode permettant de définir les variations d attitude du SAS est l emploi d une centrale inertielle parfaitement hybridée avec celui-ci. Ayant remarqué les capacités intéressantes que possède le SONAR à synthèse d ouverture, et notamment concernant la haute résolution des images restituées, des SAS interférométriques ont été développés afin d obtenir un système ayant la capacité d imager et d effectuer des mesures bathymétriques avec une haute résolution. Pour le moment peu de systèmes de ce type sont vendus sur le marché, car ils font encore l objet d un certain nombre de recherches et développement dans le but de toujours obtenir de meilleurs résultats concernant la résolution de l image, la précision des mesures bathymétriques ou encore la détermination de l attitude du poisson durant son avancement. En général ces appareils sont développés par des centres de recherches gouvernementales ou militaires, très appréciés dans la détection de mine. On peut cependant présenter le SAS interférométrique Aquapix développé par Kraken SONAR System Inc. en Figure 8. Figure 8 AquaPix INSAS2 intégré au robot Alister 18 de chez ECA Robotics. Source : Kraken SONAR System Inc. Page 15

22 Les SONAR d imagerie 2D ou caméras acoustiques A mi-chemin entre les SONAR classiques et les caméras optiques se trouvent les caméras acoustiques se présentant comme un SONAR multifaisceaux ayant un taux de rafraichissement de plusieurs images par seconde. Ce système à été créé afin de pallier aux problèmes liés à ces deux systèmes et de conserver les avantages de chacun d entre eux. En effet, les SONAR traditionnels, bien qu ils produisent des images avec une haute résolution même à longue portée, ne fournissent cependant pas de séquences d images de haute cadence comme peux le faire un capteur optique. D autre part leur utilisation reste encore contraignante dans les milieux portuaires où dans le cas de faible profondeur. En ce qui concerne les caméras optiques, souvent employées pour observer l environnement ou inspecter des infrastructures sous-marines, sont vite limitées par les conditions du milieu marin, notamment le manque de visibilité et la turbidité du milieu ne permettant pas d avoir une observation continue (Brahim, et al., 2014). Les caméras acoustiques fonctionnent aussi bien en eau claire qu en eau turbide, et peuvent être utilisées de façon indifférente en statique ou en dynamique. Leur encombrement étant minime, elles peuvent aisément être utilisées par des ROVs 1, des plongeurs ou depuis la surface. La gamme de fréquence généralement employée se trouve entre 2.25MHz et 450kHz procurant ainsi au système une portée respective de 15 à 200m et une résolution centimétrique. L imagerie haute résolution est réalisée à l aide de lentilles acoustiques qui ont la capacité d acquérir des séquences d images multi-vues avec une haute cadence, de 4 à 20 images par seconde, permettant de visualiser les fonds marins avec une qualité proche d une vidéo classique. De plus, ce système permet d obtenir des séquences d images bien plus riches en informations qu une image SONAR, c est la raison pour laquelle elles sont particulièrement appréciées pour le texturage de modèles 3D ou pour l identification des poissons observés. Le désavantage de cet appareil réside dans le fait que les données acquises ne permettent pas d avoir une approche tridimensionnelle des fonds marins ou des infrastructures immergées observées et que le champ de vision de celui-ci reste relativement restreint (inférieur à 30 ), que ce soit pour la caméra acoustique DIDSON (Dual-frequency Identification SONAR) ou encore l ARIS Sentinel Cependant, il serait possible de réaliser une reconstruction 3D de l environnement subaquatique à partir d images acquises par des caméras acoustiques. Le principe de la stéréovision est à la base du développement des algorithmes permettant cette reconstruction 3D, mais la géométrie et la nature bruitée des images acoustiques ne permettent pas une application directe de ce principe. La méthodologie ainsi employée se base sur la conception d un processus d extraction de points saillants pertinents sur lesquels va venir s appuyer la reconstruction 3D de la scène. Cette modélisation 3D est réalisée à l aide de l algorithme d optimisation CMA-ES 2 intervenant dans le calcul du mouvement de la caméra entre les images. La détermination de ce déplacement étant importante pour l estimation des 1 Remotely Operated Vehicle : est un petit véhicule sous-marin filoguidé et contrôlé à distance, contrairement aux AUV (Autonomous Underwater Vehicle) qui sont entièrement autonome. 2 Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy ou stratégies d évolution avec adaptation de matrice de covariance. Il s agit d un algorithme basé sur l adaptation, au cours des itérations, de la matrice variancecovariance de la distribution multi-normale utilisé pour la mutation. Cette méthode à été proposée par A. Gawelczyk, N. Hansen et A. Ostermeier à la fin des années 90. Plus de détail à propos de cet algorithme sont présenté sur le site web (Hansen, 2014) ou encore sur le premier document publié concernant cette méthode (Adaptating arbitrary normal mutation distributions in evolution strategies: The covariance matrix adaptation, 1996) Page 16

23 informations 3D. L utilisation et l analyse de la performance de cet algorithme dans le cas d images acquises par des caméras acoustiques ont été récemment réalisées par (Brahim, et al., 2014) en se basant sur des critères de bonne détection, de rentabilité et de bonne localisation puis en comparant les informations 3D estimées à des données réelles Les caméras acoustiques 3D Une caméra acoustique tridimensionnelle fonctionne sur le même principe qu une caméra acoustique 2D mais va corriger les erreurs et ambigüités de cette dernière en prenant en compte la distance entre les surfaces observées et le système, soit en mesurant la distance entre le microphone et chaque point spatial enregistré. Ces caméras produisent donc des images plus précises et permettent une modélisation 3D en temps réel de l objet observé. Le problème majeur rencontré pour ce type d instrument est que lorsqu un son (ou écho) ne provenant pas de la cible observée est capté par la caméra acoustique 3D, ce son (ou bruit, voir Chapitre III - Le bruit sonore) peut être intégré aléatoirement au modèle 3D généré si les capacités de discrimination de l appareil n ont pu isoler ce son. La caméra acoustique 3D Echoscope de chez CodaOctopus est la plus connue à ce jour, de part le fait qu elle est la seule à employer une antenne réseau à commande de phase (Soit en anglais PA : Phased array), et génère simultanément plus de faisceaux avec un taux de rafraichissement jusqu à 12 fois par seconde, produisant quasi instantanément une image SONAR tridimensionnelle de tout objet en mouvements ou fixe. Bien que le système produit largement plus de données qu un échosondeur multifaisceaux, celui-ci a une précision moindre sur la résolution spatiale des points enregistrés, soit de plusieurs centimètres. D autre part l ouverture de 50 x50 de cette caméra, malgré le fait qu elle permet d éviter l effet d ombre portée (voir Chapitre III - L ombre portée), reste bien plus faible qu un système multifaisceaux. C est la raison pour laquelle cet instrument est particulièrement apprécié dans le domaine parapétrolier ou pour tout type de travaux sous marins tel que dragage, pose d enrochement, grappinage, etc. En effet cette caméra acoustique permet d avoir un visuel en direct centralisé sur les structures et lors d interventions sous marines. On peut voir sur la Figure 9 le montage sur une pelle de manutention d une caméra acoustique 3D Echoscope lors de la pose d enrochement, ainsi que le modèle 3D généré en temps réel. Figure 9 Caméra acoustique Echoscope montée sur une pelle de manutention pour la pose d'enrochement (à gauche), visuel tridimensionnel en temps réel (à droite) Source : Coda Octopus ( Page 17

24 La société SUB-C Marine basée à Feyzin, étant en possession de cet instrument, nous a fait part du fait qu elle a déjà tenté de réaliser un modèle 3D d un tunnel subaquatique en orientant l Echoscope dans l axe de la conduite (forward looking) d un véhicule sous-marin téléguidé. Cependant, du fait d un positionnement peu probant, et de la précision demidécimétrique des données obtenues, il fut impossible de procéder à une reconstitution fine et exacte du tunnel étudié. Ainsi, cette caméra acoustique 3D reste un outil dont le principal objectif est d inspecter en temps réel des infrastructures sous-marines, cependant les modèles tridimensionnels issus des enregistrements, restent exploitables hormis pour de la métrologie subaquatique. A noter que pour procéder à un post-traitement des données 3D de l Echoscope, un logiciel autre que celui nécessaire lors des acquisitions (CodaOctopus USE ) est obligatoire, sachant qu il est possible d exporter les mesures sous la forme d un fichier xyz. Cette caméra est donc un instrument réunissant les atouts d une caméra optique, d une caméra acoustique 2D et d un échosondeur multifaisceaux. Ainsi, malgré les quelques inconvénients que cet appareil présente (comme la largeur de fauchée limitée par l ouverture de 50 x50 ), celui-ci se présente comme étant le système le plus au point dans l inspection tridimensionnelle d infrastructure submergée. Cependant le coût d un tel appareil est important, il faut compter entre et pour en faire l acquisition. Une autre caméra acoustique 3D moins couteuse à aussi été développée par la société CodaOctopus, il s agit de la Dimension ayant a peu près les mêmes caractéristiques que l Echoscope mais dont les performances sont moindres. Le Tableau 2 récapitule les caractéristiques techniques de ces deux caméras acoustiques. Dimension- 90 Echoscope Fréquence 240kHz 375kHz Nombre de faisceaux 8192 (128*64) (128*128) Portée maximum >120m 120m Portée minimum 1m 1m Résolution de distance 3cm 3cm Taux de rafraichissement 20Hz 12Hz Couverture angulaire 90 x30 50 x50 Espacement entre faisceaux 0.54 x Dimensions (h.l.p.) (mm) 365*285* *300*160 Masse dans l air 20kg 22kg Masse dans l eau 10kg 12kg Prix à à Tableau 2 Caractéristiques techniques des caméras acoustiques 3D de chez CodaOctopus. Source : Brochure technique et Gareth Simpson Page 18

25 Les SONAR bathymétriques 3D Les SONAR bathymétriques 3D, appelés aussi scanners SONAR à double axe, sont des systèmes semblables à des scanners lasers terrestres. En effet, ces SONAR interférométriques sont généralement déployés sur des trépieds spéciaux comme présenté sur la Figure 10, posés au fond de l eau, sur lequel une tête rotative permet au SONAR bathymétrique 2D d exercer une rotation mécanique et de générer ainsi une imagerie à 360 et un nuage de points tridimensionnel au même titre que les scanners lasers. Le SONAR fonctionne en scannant mécaniquement une fine bande verticale (dont la largeur correspond à l ouverture du système déployé) puis va progressivement tourner autour d un axe vertical et horizontal afin de procéder au lever de toute la zone que l on souhaite observer. Pour chaque direction, le SONAR va générer un profil de la surface étudiée et l assembler aux autres profils déjà réalisés afin de créer un nuage de points 3D similaire à celui que l on peut voir en Figure 11. Ainsi, ce système permet de réaliser des levées bathymétriques et d imageries 3D de hautes résolutions jusqu à environ 30m de rayon. De part la très haute fréquence employée par de tels appareils (de l ordre du MHz), la restitution des informations permet une analyse relativement fine et Figure 10 Teledyne Blue View BV5000 sur trépied avec tête panoramique et d'inclinaison. source : Documentation BlueView précise (centimétrique) des objets ou infrastructures inspectées, même si la turbidité de l eau est importante et la visibilité quasiment nulle. Figure 11 Inspection d'une sortie de groupe de restitution, source : Présentation générale 2014 de la société Sub-C Marine. Ce type de SONAR est très apprécié dans les zones confinées ou lorsque le niveau d eau (entre 1 et 5 mètres) rend impossible la navigation ou l emploi de système traîné. Cependant son utilisation ne peut pour le moment que se faire en statique, c'est-à-dire à l aide d un trépied posé sur le fond marin. L utilisation en dynamique reste encore en cours de développement et est plus complexe à mettre en place étant donné que les frottements de l eau vont mettre sous pression le mécanisme de rotation entrainant la détérioration de celui-ci. D autre Page 19

26 part le traitement des données sera bien plus complexe puisqu il faudra non seulement prendre en compte l orientation de l embarcation (soit les variations angulaire : roulis, tangage et cap) mais aussi celle du SONAR en rotation. A l heure actuelle il n existe pas beaucoup de système de ce type ; les deux ayant réellement émergé sur le marché proviennent de deux gros constructeurs : Kongsberg (pour la série 1171) et Teledyne (pour le BV5000). Le Teledyne Blue View BV5000, présenté en Figure 10, est l association du SONAR bathymétrique de haute résolution MB1350 ou MB2250 avec une tête panoramique et d inclinaison. Ce système a la grande particularité de pouvoir fournir en sortie des données dans un format.xyz, pouvant être traitées sur différents logiciels généralement utilisés pour le traitement de données acquises par scanner laser (le software Leica Cyclone pouvant être de base le logiciel fourni avec le système pour traiter les données acquises par celui-ci). D autre part, cet appareil fournit des résultats avec une résolution de 1 à 1.5cm selon que l on utilise respectivement une fréquence de 1.35MHz ou de 2.25MHz. Cependant le coût de ce système est d environ , et ce prix ne prend pas en compte les logiciels de traitements. En ce qui concerne la série de scanner SONAR 1171 de chez Kongsberg, ces derniers fonctionnent sur le même principe que le BV5000, à la différence près que l acquisition des données doit obligatoirement être réalisé sur la version 4.6 ou ultérieure du software MS1000 du même producteur permettant de générer des données 3D détaillées, pouvant être par la suite traitées sur Trimbe Realworks ou encore Leica Cyclone. Ainsi, ce système, notamment le Blue View 5000, pourrait s avérer très intéressant dans l inspection des parties immergées des tunnels-canaux, même si en mode dynamique, ce SONAR ne peut pas encore être déployé avec sa tête panoramique (Projet toujours en phase de développement) et ne peut donc être utilisé qu en étant, par exemple, fixé au bout d une perche dont l orientation du SONAR sera ajustable et définissable. Le seul inconvénient, dans ce cas, est l ouverture du SONAR qui est de 45, limitant ainsi le champ de vision et la possibilité d avoir dans son intégralité, et en un passage, la partie des murs immergés BATHYMÉTRIE PAR SCANNER LASER Lidar aéroporté bathymétrique Le système de bathymétrie par laser aéroporté (soit en anglais : ALBS, Airborne Laser Bathymétrie System), aussi appelé LiDAR Bathymétrique, est une technique permettant de mesurer la profondeur d eau en zone côtière ou peu profonde depuis les airs, par l emploi d un scanner laser. Récemment, les progrès réalisés dans le développement de cette technologie permettent à présent d avoir une capacité de mesures bathymétriques d une fréquence de 250kHz, fournissant ainsi une densité d environ points/m² (Mandlburger, et al., 2011). Afin de procéder à la mesure du fond marin, les systèmes LiDAR bathymétriques émettent deux impulsions laser de longueur d onde différente, l une émise dans le bleu/vert visible (λ=532nm) et l autre émise dans le proche infrarouge (λ=1064nm). Comme l explique (Mobley, 1994), le faisceau laser vert va être partiellement réfléchi par la surface de l eau, puis rétrodiffusé le long de la colonne et enfin réfléchi par le fond. Un télescope va recueillir l ensemble de ces énergies lumineuses rétrodiffusées et les numériser. On obtient ainsi, en visualisant l intensité du signal retour en fonction du temps, un train d ondes retour composé typiquement de deux pics bien distincts que l on peut voir sur la figure 14. Le premier pic correspond au rayon laser réfléchi par la surface, tandis que le second représente le moment Page 20

27 où il est réfléchi par le fond. Entre les deux pics on constate la composante relative à la rétrodiffusion du rayon laser par la colonne d eau. Classiquement, on déterminerait la profondeur de l eau en mesurant la différence temporelle entre le pic de surface et le pic de fond. Cependant, afin d améliorer la précision lors de la détermination de la position de la surface de l eau, les systèmes actuels (tel que le scanner laser bathymétrique Riegl VG-820- G) émettent conjointement une seconde impulsion laser proche-infrarouge(guenther, et al., 2000). Ce rayon laser va quant à lui être presque intégralement réfléchi la surface de l eau. Ainsi, l emploi de ce rayon laser fournit une seconde détermination de la surface de l eau et permet, par la polarisation du signal retour ou par son amplitude, de distinguer la nature de la surface réfléchissante (terre ou eau). Le principal problème de ce système réside dans le fait que la vitesse de propagation de la lumière dans l air et dans l eau n est pas identique, entrainant ainsi une réfraction du faisceau laser vert suivant les lois de Snell-Descarte. Il est donc important de bien déterminer le niveau de la surface de l eau, car une erreur sur cette grandeur entraine rapidement une erreur sur la position 3D du fond marin (d où l importance de l emploi d un faisceau laser infrarouge). Pour palier à ce problème, la plus part des scanners laser bathymétriques aéroportés émettent, comme on peut le voir sur la Figure 12, le rayon laser vert avec une inclinaison de 20 de manière à ce que le rayon réfracté sous la surface de l eau est un angle d environ ±1 par rapport à la verticale (Mandlburger, et al., 2013). Figure 12 Schéma de principe d un LiDAR bathymétrique. A gauche le faisceau laser topographique (Infrarouge), à droite le faisceau laser bathymétrique (Bleu-Vert). Pour chaque faisceau est représenté le train d onde retour. Source : (Mandlburger, et al., 2013) Page 21

28 Le principal avantage d un tel système est que, pour un même laps de temps, la surface couverte est environ 100 fois plus importante que celle couverte à l aide un sondeur multifaisceaux petits fonds. D autre part, monté sur un hélicoptère, celui-ci rend possible la mesure du fond des rivières de montagne ou d étendues d eau inaccessible à la navigation. Cependant, malgré ces avantages, l intégration d un scanner laser bathymétrique sur un bateau pour mesurer le fond marin (de canaux par exemple) ne peut être envisageable. En effet, en l abaissant au niveau de l eau, la zone étudiée serait considérablement réduite, d autant plus que la détermination du niveau de l eau serait moins précise. D autre part, la bathymétrie par laser dépend grandement des conditions météorologique (brume, pluie) et de la nature de la colonne d eau (turbidité, visibilité, présence de sédiments en suspension, etc.). A noter que, dans le meilleur des cas, la précision sur la mesure de fond par un tel système est de ± 20 cm! contre quelques centimètres pour un sondeur multifaisceaux Scanner laser 3D sous-marin En 1999, K. Moore et al. ont mis au point un scanner laser sous marin basé sur le principe de la triangulation laser fournissant des données microbathymétriques de haute résolution dans un environnements aquatique. La précision des mesures de distances de ce système est d environ 3mm à 2 mètres de distance, valeur se dégradant exponentiellement audelà de cette portée jusqu à fournir une imprécision d environ 10 centimètres à 10 mètres (portée maximale du système) (Moore, et al., 1999). Il s agit d une limite fondamentale à la méthode de triangulation qui restreind ainsi son emploi en tant qu outil de mesure sousmarine. Cependant, la société «3D at Depth» a débuté le 19 janvier 2011, en association avec le RPSEA (Research Partnership to Secure Energy for America, ayant investi plus de 2 millions de dollars), une importante campagne de recherches et développements sur un système laser tridimensionnel de haute résolution pour l environnement sous-marin et appliqué à l industrie du pétrole et du gaz et dans le domaine de la métrologie sous-marine. Au cours de ce projet se finalisant en Aout 2014 et ayant coûté pour le moment plus de 3, 500,000$, CDL Inc. a fourni un support matériel et mis à contribution des ingénieurs experts afin d aider dans le développement et l usinage d un tel appareil. Les scanners laser terrestres produisent généralement des données avec une précision spatiale et de distance centimétrique à plusieurs centaines de mètres. Du fait de l absorption de la lumière dans l eau, la portée d un tel système développé pour le milieu subaquatique est limitée à quelques dizaines de mètres dépendant notamment des conditions dans l eau. Ce programme de développement, dont le rapport final présente les différentes étapes du développement (Embry, et al., 2012), a ainsi permis de conceptualiser un scanner laser sousmarin ayant une précision de 3mm sur des mesures réalisées à plus de 8 mètres et pouvant être fixé à un ROV. La tête optique est composée d un sous-système de transmetteurs, le système de réception (détecteur optique) et le scanner. Le système est constitué d un cristal Nd-Yag 1 dopé au néodyme 2 et pompé optiquement par une diode infrarouge (λ=808nm), et dont le faisceau 1 Il s agit d un cristal utilisé comme milieu amplificateur pour les lasers utilisant des milieux de propagations solides. Plus de précision dans (Koechner, 2006) 2 Le néodyme (Nd) est un métal gris argent du groupe des terres rares très résistant à la corrosion souvent utilisé dans la fabrication d aimants ou de lasers très puissants. (Source : MTL index) Page 22

29 lumineux est immédiatement doublé en fréquence à l intérieur d un cristal KTP 1 permettant de générer une lumière verte (λ=532nm) dont la force de pénétration dans l eau turbide est plus importante qu une lumière bleue (λ=475nm). Le récepteur consiste en une photodiode de silicium à grande vitesse, et un galvanomètre à balayage à double-axe. Après de multiples tests, réglages et calibrages, le scanner 3D laser sous-marin INSCAN présenté en Figure 13, et désormais vendu par Teledyne CDL, est le premier appareil de mesure par impulsion laser utilisé pour la métrologie sous-marine de haute résolution. Son champ de vision est de 30 x30 et peut être poussé à 360 par l intégration d une tête panoramique et d inclinaison. Il est capable de cartographier avec une précision sub-centimétrique des structures jusqu à 25m de portée avec un taux d échantillonnage modulable allant jusqu à points / seconde. De récentes campagnes de mesures ont permis de prouver l efficacité du système pour l industrie du pétrole et du gaz, notamment lors d un relevé à 2130 mètres de profondeur, dans le golf du Mexique, d un collecteur sous-marin que l on peut voir en Figure 14. Figure 14 Résultats d'une campagne LiDAR sub-aquatique menée à 7000 pieds de profondeur à l'aide du scanner laser sous-marin SL1 (INSCAN) par 3D at Depth. Source : Figure 13 : Scanner laser 3D sous-marin produit par Teledyne CDL INSCAN et mis au point par la société Américaine 3D at depth. Source : brochure Teledyne CONCLUSION A l heure actuelle, les appareils et techniques d imageries et de cartographies sousmarines ne manquent pas. La technologie et les matériaux employés pour chacun d entre eux en font leur principale différence et définit leur capacité soit à imager soit à numériser tridimensionnellement les fonds observés. Nous retiendrons de cet état de l art deux types de systèmes bien distincts : Dans un premier temps les systèmes imageurs tels que les SONARs et les caméras acoustiques, dans un second temps les systèmes de cartographies sous-marines tels que les SONAR interférométriques et les échosondeurs multifaisceaux. Le système d inspection présentement en cours de développement a pour but de restituer un modèle 3D complet des structures à la fois immergées et émergées des canaux et tunnelscanaux. Ainsi les appareils les plus à même de nous apporter ces informations concernant les parties submergées sont les SONARs interférométriques et les échosondeurs multifaisceaux. 1 (KT i OPO 4 ou KTP) Le titanyl phosphate de potassium, est un matériau couramment employé en optique non linéaire pour le doublage de fréquence de diode laser. (Source : Wikipédia) Page 23

30 Cependant, dans la configuration bien particulière de l environnement dans lequel le système d inspection est amené à travailler, il est nécessaire de s orienter vers un échosondeur multifaisceaux. En effet, bien que le SONAR interférométrique soit un système intéressant de part sa largeur de fauchée, la qualité de l imagerie et son faible coût, cet appareil présente une contrainte non négligeable et risquant d affecter grandement la précision du nuage de points généré. Cette contrainte est, comme nous l avons vu, l incapacité du système à discriminer angulairement la provenance des échos sonores. Ainsi cet instrument est particulièrement performant dans des zones où le fond insonifié a un relief relativement faible, mais devient inadéquate pour la modélisation de récif corallien ou pour l inspection d ouvrages d arts verticaux. En conclusion, l appareil le plus à même de répondre à nos besoins est l échosondeur multifaisceaux. Bien qu il s agisse d un système extrêmement couteux, ce système permet d obtenir le modèle tridimensionnel des parties immergées des canaux et tunnels-canaux le plus précis possible et dont les signaux acoustiques seront le moins perturbés par toutes distorsions et effets propres à cet environnement. Dans le Tableau 3 Caractéristiques techniques de sondeurs multifaisceaux en adéquation avec le système d'inspectionsont présentés des SMF dont les caractéristiques techniques, la disponibilité et l utilité sont le plus en adéquations avec le système en cours de développement. Spécifications du système Teledyne Reson Seabat 7101 Teledyne Odom MB1 R2Sonic 2020 Odom ES3 Détenteur Prime GPS Acthyd (Subtop) Cadden & VNF Palavas LR Blois Fréquence 240kHz 170kHz 220kHz 200kHz 400kHz 240kHz Faisceau longitudinal Faisceau transversale Nombre de faisceaux 1.5 N.R N.R. 2 Étroit : 0.75 Moyen : 1.5 Large : 3 Étroit : 0.75 Moyen : 1.5 Large : 3 Jusqu à à Ouverture 150 (210 en option) 10 à à Portée Max. 500m 240m 500m 100m Longueur de Pulse 20µs à 225µs 50µs à 700 µs 15µs à 500 µs N.R. Résolution de distance 1.25cm 3.6cm 1.25cm 0.02% de la distance Ping rate 40Hz N.R. 60Hz 14Hz Page 24

31 Spécificité Large ouverture CI intégrable Faible coût Stabilisateur de roulis, sortie données brutes Prix CI intégrable Plus commercialisé, remplacé par le MB1 Tableau 3 Caractéristiques techniques de sondeurs multifaisceaux en adéquation avec le système d'inspection Il aussi important de notifier que ces types d appareils sont contrôlés par des logiciels bien spécifiques, permettant l acquisition et le traitement des mesures bathymétriques. Il existe de nombreux logiciels typiques dont les plus utilisés dans le domaine sont : - Triton Imaging - SonarWiz - Caris - QPS QINSy - HYPACK, HYSWEEP (le plus utilisé) Le coût d une licence varie entre et , mais peut être amoindri s il est intégré dans une offre d achat pour un sondeur multifaisceaux. Il est donc préférable en général de passer par un distributeur (type Cadden ou Subtop) pouvant à la fois proposer un instrument de mesures bathymétriques et un logiciel de traitements en adéquation avec l appareil. Le logiciel HYPACK et ces extensions tel que HYSWEEP semble être le programme le plus intéressant de par sa capacité à gérer de nombreux SMF différents, la possibilité d intégrer des données provenant de mesures extérieures (ex : calcul de trajectoire par odométrie visuelle ou par tachéométrie) dans de nombreux formats de fichiers. Les multiples échanges effectués dans le but d avoir de plus amples informations sur le fonctionnement, le coût et les capacités de ces appareils et logiciels ont permis d établir un premier listing de contacts (Annexe J) susceptible d aider dans l avancement du projet. Page 25

32 CHAPITRE III. INTÉGRATION D UN SYSTÈME DE MESURE HYDROGRAPHIQUE 3.1. SONAR À BALAYAGE LATÉRAL Nous avons vu dans le chapitre I (État de l art des techniques bathymétriques et d inspection sous marine.) que les systèmes de mesures hydrographiques-bathymétriques sont relativement couteux, et pour le LRPC de Strasbourg il n est pas envisageable, pour le moment, de procéder à l achat d un tel appareil. Suite à la convention de partenariat signé par le CETU, la DTerEst et VNF, ces derniers ont mis à notre disposition un système SONAR latéral pour nous aider dans le développement de notre projet Structure initiale du système En vue de mieux comprendre ce à quoi correspond le système d inspection actuellement existant, il semble important de rappeler les différents éléments qui le composent. Comme présenté depuis les travaux de (Tisserand, 2011), le système d acquisition photogrammétrique est composé d un châssis aluminium/fer modulable sur lequel repose deux caméras Marlin procédant à l imagerie du piédroit (prise de vue latérale) et deux caméras Pike orientables réalisant les prises de vue de la voûte (voir Figure 16). Les caméras sont gérées à l aide d un poste informatique permettant le réglage de la balance des blancs, du gain et du temps d ouverture de chacune des caméras et d un générateur basse fréquence permettant de déclencher de façon régulière (à une fréquence de 5Hz, soit 5 images par seconde) les 4 caméras. Ces caméras, de la technologie Allied Vision, sont dotées de capteur CCD d une résolution de 1392x1040 pixels pour les Marlin et de 1920x1080 pixels pour les Pike. A noter que les caméras Marlin permettent à la fois l auscultation du piédroit du mur et le positionnement du système par odométrie visuelle. En ce qui concerne les caméras Pike, celles-ci permettent uniquement de procéder à l inspection de l intégralité de la voûte du tunnel en orientant les caméras sous 3 angles différents comme présenté en Figure Figure 15 Orientation des caméras Pike (en rouge) et Marlin (en bleu) du système d'inspection. L'angle indiqué correspond à l'orientation des caméras Pike. (inspiration [Tisserant,2011]). Page 26

33 Marlin SONAR Pike Figure 16 Configuration du système d'inspection en date du 18 mars Caractéristiques techniques Le SONAR latéral utilisé est un STARFISH 452F (voir Figure 17) produit par la société britannique TRITECH. Cet instrument d une valeur d environ 6000 est essentiellement utilisé pour procéder à la recherche d épaves. Les caractéristiques techniques du SONAR issu de la documentation technique relative à cet instrument sont présentées dans le Tableau 4. Figure 17 SONAR latéral STARFISH 452F, source : Doc. technique Tritech Spécification de la tête SONAR Longueur Dimension Largeur Hauteur Dans l air Poids Dans l eau Composition Corps Profondeur d utilisation Longueur Point de rupture Câble de remorquage Composition Diamètre Page mm 110mm 97mm Approx. 2kg Approx. 1kg Caoutchouc renforcé en polyuréthane Jusqu à 50m 50 m >150kg Polyuréthane avec renforcement en Kevlar 30mm

34 Transducteurs Acoustique Disposition Faisceau vertical Faisceau horizontal Fréquence Portée Technologie Temps d émission 400µs Niveau de puissance en sortie <210dB Tableau 4 Caractéristiques techniques du STRAFISH 452F Double transducteurs montés en ailettes inclinés de 30 par rapport à l horizontal 60 largeur nominale 0.8 largeur nominale 450kHz fréquence nominale De 1 à 100m sur chaque canal, couverture maximale de 200m CHIRP Analyse du signal «CHIRP» au niveau des transducteurs A l aide d un outil d analyse du signal fourni par la société Tritech, il nous est possible de visualiser le signal analogique/numérique du SONAR ainsi que le spectre de fréquences de l onde sonore au niveau des transducteurs tout en modifiant certains paramètres tels que la vitesse du son, le retard, certaines contraintes du TVG, etc. Ce SONAR fonctionne avec la technologie CHIRP permettant d émettre une onde modulée en fréquence. Ainsi la fréquence de l onde sonore émise subit, lors de sa transmission, une modulation de 40kHz de 430 à 470kHz comme on peut le voir sur la Figure 19. En modifiant donc constamment la fréquence dans le temps (soit entre 430 et 470kHz), chaque transmission «CHIRP» peut être considérée comme ayant une signature unique, permettant de distinguer deux échos se chevauchant (ayant lieu lorsque la distance séparant deux objets est supérieure à la résolution spatiale du système) en analysant la fréquence employée en fonction du temps pour distinguer ces deux objets. La Figure 18 présente grossièrement le spectre d un signal «CHIRP» retour distinguant deux objets rapprochés. Figure 18 Distinction de 2 objets rapprochés par l'emploi d'un signal modulé en fréquence. Source : Guide programmeur StarfishSDK Page 28

35 450kHz 55dB 40dB Figure 19 Spectre fréquentiel de la tension excitant les antennes du Starfish 452F. Sur la Figure 19, nous pouvons observer l amplitude du signal (CHIRP) généré au niveau des transducteurs bâbord et tribord du SONAR lors de la modulation de fréquence. On remarque un pic d amplitude à 55dB à 450kHz correspondant au signal «CHIRP». En rouge est la trace du transducteur bâbord et en vert celle du transducteur tribord. En trait plein les valeurs moyennes de l amplitude de l onde accoustique selon la fréquence déployée, et en trait fin les amplitudes maximales. La Figure 20 représente la décharge de tension au niveau des transducteurs en corrélation avec le spectre fréquentiel de la Figure 19. Figure 20 Tension excitant les transducteurs bâbord et tribord du Starfish 452F. On remarque que l effet CHIRP et la mise en phase des signaux bâbords et tribords se font correctement. Ces graphiques présentés en Figure 19 et Figure 20 nous permettent de vérifier la qualité et la cohérence du signal généré au niveau des deux transducteurs. Ces mesures de caractéristiques électroacoustiques du signal du SONAR entrent en compte dans le calcul de la sensibilité des Page 29

36 antennes en émission et en réception, et par conséquent dans le calcul du niveau réel d émission. On rappelle que le constructeur fournit un niveau d émission NE < 210dB pour un signal d une durée de 0.4ms Les paramètres TVG du SONAR Le niveau de l écho d un objet dépend essentiellement de la distance séparant cette cible du SONAR. Ainsi, nous observerions, directement en sortie de traitement, des échos dont l amplitude dépendrait uniquement de la distance SONAR-Cibles et non pas de l indice de réfraction des objets en question. Cependant, afin de palier à ce problème, l électronique de réception du SONAR va procéder à une préamplification du signal électrique capté par les antennes, un filtrage et une réduction de la dynamique des signaux avant de les numériser. Le système procède donc à l application d un gain variable en temps (Time Varying Gain). Chaque constructeur implémente leur propre loi TVG pour leur système, mais elle modélise, en général, la décroissance de l amplitude du signal due à la structure des ondes acoustiques et aux propriétés du milieu dans lequel elles se propagent. Cette loi est appliquée dès le début de la chaîne de traitement, avant que le signal analogique soit converti en données numériques, afin d éviter de dépasser les capacités du convertisseur Analogique Digital (ADC). Une fois que les données sont acquises, une inversion de la loi TVG est réalisée afin de revenir au signal physique. Afin de procéder à une analyse quantitative des images acoustiques captées par le SONAR, il est nécessaire de connaître en détail, tous les éléments mécaniques, physiques et algorithmiques du système intervenant dans la formation de l image. Cependant, nous n avons pas accès à toutes ces informations concernant le STARFISH 452F, néanmoins nous pouvons avoir des données «pseudo-brutes», données brutes déjà prétraitées du gain variable en temps et dont la structure est présentée en Annexe D. Nous avons cependant pu, grâce à un outil d analyse produit par Tritech (StarfishTool), étudier la loi de TVG du SONAR ainsi que les grandeurs de certains paramètres. Figure 21 Courbe représentative de la Loi de TVG du Starfish 452F. On remarque que l amplification de l écho capté par le SONAR commence à partir de 6m. Page 30

37 La loi de TVG présentée en Figure 21 est fonction des paramètres de définition et de visualisation suivants : - Un coefficient d absorption à Un scalaire de pente de x1.0 - Une plage de mesure de 100m - Une plage de gain de 60dB - Une représentation de 1000 échantillons Résolution de l image SONAR La résolution du SONAR est sa capacité à distinguer deux objets séparés du fond. Elle est définie par la taille de chacun des pixels formant l image, et plus particulièrement le grain de celle-ci. Cette résolution va dépendre de 3 paramètres : - La hauteur du SONAR par rapport au fond - L ouverture du lobe d émission - La fréquence d émission de l onde acoustique La résolution «globale» d une image SONAR est définie, selon Lurton (Lurton, 2002), par : - Une résolution angulaire (ou azimutale) - Une résolution transversale (ou résolution en distance) La résolution transversale du SONAR correspond à l écart minimum entre deux objets pour qu ils soient discernables perpendiculairement à l avancement du SONAR. Elle dépend donc : - de la durée de l impulsion sonore émise - de l angle d incidence de l onde sonore sur le fond - de la distance entre le SONAR et le point d impact de l onde sur le fond SONAR c. τ Empreinte proche Empreinte éloignée Figure 22 Illustration de l'amélioration de la résolution transversale du système SONAR en fonction de la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan vertical, en bas l'image SONAR résultante. Page 31

38 On note δy cette résolution, définie par l angle de rasance ϴ (Nait-Chabane, 2013) : Avec : c, la vitesse du son dans l eau (m.s -1 ) τ, la durée de l impulsion (s) Comme on peut le voir sur la Figure 22, les faisceaux émis par le SONAR ont la forme d un arc, ainsi plus la distance au SONAR est importante, plus l empreinte de l onde se rapproche de sa durée effective. La résolution transversale augmente donc en fonction de la portée, tandis que la résolution globale diminue. La résolution azimutale correspond à la distance minimale permettant de distinguer 2 objets séparés du fond dans le sens d avancement du SONAR. Selon (Nait-Chabane, 2013) et (Le Chenadec, 2004) cette résolution est fonction de l ouverture à -3dB du lobe de directivité de l antenne. On peut définir la résolution azimutale δx sous la forme suivante : ( 1 ) Avec : L, la longueur de l antenne (m) λ, la longueur d onde du signal (m) Contrairement à la résolution transversale, la résolution azimutale se détériore en fonction de l éloignement de l onde acoustique par rapport au SONAR. On peut voir sur la Figure 23 que pour un même espacement entre 2 objets, ceux là seront clairement distinguables s ils se trouvent proches du SONAR La Figure 24 résume l évolution de ces résolutions lors de la propagation de l onde dans le milieu subaquatique. ( 2 ) Figure 23 Illustration de la détérioration de la résolution azimutale du système SONAR en fonction de la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan horizontal, en bas l'image SONAR résultante.. Page 32

39 Figure 24 Illustration de la cellule de résolution du SONAR et son évolution en fonction de l'éloignement et l'angle d'incidence. Ainsi, contrairement à une image numérique réalisée à l aide d un système optique, la résolution de chacun des pixels d une image acoustique diffère, se dégradant en s éloignant du centre de l image Caractéristique énergétique du SONAR Dès lors que le signal est émis par les transducteurs, l onde acoustique se propage dans la colonne d eau. Le premier écho de l onde sur le fond marin se trouve presque au nadir du SONAR. Cette première réflexion, de très forte intensité, peut nous renseigner sur la hauteur de la colonne d eau en résolvant un simple théorème de Pythagore. L onde sonore explore ensuite les angles proches du nadir en s éloignant de celui-ci ; dans cette partie la réflectivité de l image est forte, entrainant une mauvaise résolution spatiale. L énergie réfléchie par le fond va ensuite décroitre en fonction de l angle de rasance. On peut donc distinguer, sur une image SONAR telle que celle présentée sur la Figure 25, quatre zones : Une zone aveugle : Il s agit de la colonne d eau à la verticale du SONAR latéral, soit une zone non balayée par les faisceaux bâbord et tribord du poisson. Cette zone apparaît dans une couleur claire, ou plus généralement comme étant une zone n ayant aucun écho. Cette bande est de largeur variable suivant la hauteur du SONAR par rapport au fond. La délimitation de cette zone correspond à l ouverture utile des faisceaux verticaux. Elle dépend de l angle d inclinaison des antennes I, de l ouverture verticale ϴ T du faisceau et de la hauteur H du SONAR par rapport au fond. On peut la calculer à l aide de la formule suivante (Delachienne, 2009) : Une zone claire : Cette partie de l image se caractérise par des niveaux de gris (ou un dégradé de couleurs) élevés et variant rapidement. Cela est dû au fait que l onde acoustique arrive sous un angle d incidence faible, entrainant une forte rétrodiffusion. A ce niveau de l image, les textures sont difficilement discernables car il n y a pas ou peu de formation d ombre. ( 3 ) Page 33

40 Une zone utile («sweet spot») : Dans cette partie de l image, l onde acoustique percute la surface suivant un angle d incidence important. Les niveaux de gris deviennent donc moyens mais s étalent sur une bande plus large selon la présence d objets posés sur le fond. Ainsi, dans cette partie de l image, nous pouvons plus facilement observer des différences de textures et la présence d objets, notamment à l aide de l effet d ombre portée. Une zone non exploitable : Il s agit des extrémités gauche et droite de l image SONAR. À ce niveau là, l onde acoustique interagit avec le fond selon un angle de rasance très faible, restituant ainsi un signal de faible intensité (le rapport signal sur bruit s effondre), et produisant finalement une image avec un très faible niveau de gris et de fortes déformations géométriques. Ces 4 zones se distinguent nettement dans le cas où le SONAR est employé en pleine mer ou océan car elles sont fonctions de l angle de rasance des ondes acoustiques par rapport au fond. Lorsque celui-ci est utilisé pour procéder à l inspection des fonds et infrastructures verticales d un tunnel-canal, l image restituée est bien plus difficile à interpréter, et ces zones sont moins clairement identifiables. Colonne d eau Zone saturée Zone utile «Sweet spot» Bruit capteur Figure 25 Illustrations des 4 zones spécifiques sur une image SONAR acquise sur les canaux de Strasbourg le 11 Juin Nous verrons ainsi au Chapitre IV les différentes distorsions affectant l interprétation des images du SONAR dans un tel milieu. Page 34

41 3.2. EXPÉRIMENTATION ET MONTAGE Le système d inspection existant n ayant jusque là jamais déployé d instrument pour l inspection des parties subaquatiques, il a fallu lors de mon Projet de Fin d Études, réfléchir à l intégration de ce SONAR à balayage latéral avec le dispositif existant Présentation des 2 expérimentations Tunnel de Niderviller Ce site expérimental d une longueur de mètres et de forme rectiligne, présente une banquette latéral de 1m40 et est façonné à l aide de briques. Durant ce PFE, 10 passages ont été réalisés afin d obtenir toutes les données nécessaires pour le développement du système. L orientation des caméras et du SONAR ont quant à eux été modifié ente les différents passages, mais nous aborderons ce point plus tard dans le développement. Un passage supplémentaire à aussi été réalisé dans le grand tunnel d Arzviller d une longueur de 2300 mètres, ce qui permet d avoir une première base de données concernant un ouvrage de très grande envergure. Quartier de la Petit France, Strasbourg Ce site expérimental concerne le bras mort Nord de l Ill d une longueur de 180m et de forme curviligne. Ce site, mis en place lors de mon PFE, constitue une nouvelle base d étude pour l analyse des performances du système d inspection dans un milieu où le signal GPS est fortement perturbé. Celui-ci permettra d étudier la qualité des résultats obtenus par photogrammétrie et odométrie visuelle simplifiée dans un nouvel environnement. Une étude comparative entre la trajectoire par OVS et une trajectoire par GPS du dispositif sera notamment envisageable. Le 11 Juin 2014, 3 passages aller-retour ont été réalisés sur ce site et un passage supplémentaire à été réalisé dans le canal passant au Nord de la Petite France jusqu à hauteur de l écluse Fixation et orientation du SONAR Application au bateau le «Val de Sarre», tunnel de Niderviller Afin d utiliser le SONAR monté sur une perche, nous avons dû réfléchir à comment fixer, orienter et rendre cet appareil dépendant de la structure principale du système d inspection. De manière à ce que l on puisse imager ce que l on souhaite inspecter tout en géo-référençant ces données à l aide des prises de vue stéréoscopique de la voute et du piédroit du tunnel permettant de déterminer la position de l ensemble de la structure. Nous avons ainsi fait partir du châssis une potence en aluminium double paroi se déportant à l avant de l embarcation, au dessus de l eau, et permettant d immerger à la verticale de celleci notre système SONAR tel que l on peut voir sur la Figure 29. Dans notre cas nous souhaitons procéder à l imagerie SONAR, non pas du fond du canal, mais des parties immergées des structures verticales, soit des pans de murs du tunnel se trouvant sous l eau. Or, un SONAR latéral est utilisé de manière à ce qu il insonifie le fond de l eau en utilisant les propriétés des visées rasantes. Dans ce cas présent et auquel est destiné l utilisation d un tel SONAR, ce dernier, qui est soit trainé à l arrière du bateau soit fixé à une perche, est orienté à l horizontale de manière à ce que les faisceaux droit et gauche interagissent similairement avec le fond. Ainsi, dans l environnement dans lequel nous utilisons cet Page 35

42 appareil, cette configuration ne va nous permettre de visualiser qu une partie du fond du canal (la colonne d eau à la verticale du SONAR n étant pas insonifiée) s arrêtant au pied des murs latéraux constituant le tunnel et sur lequel nous ne pouvons finalement pas observer beaucoup de détériorations. Nous avons donc intégrer à notre système de fixation, une rotule avec un débattement de 180 permettant d orienter le SONAR suivant un plan vertical comme présenté en Figure 28. Pour l ensemble des 8 passages réalisés, le SONAR a été orienté suivant les 3 configurations présentées en Figure 26, Figure 27 et Figure 30. Figure 29 Fixation du SONAR sur la structure principale du système. Figure 28 Rotule pour l'orientation du SONAR. Figure 27 Orientation du SONAR à l'horizontale permettant principalement d'imager le fond du canal. Figure 26 Orientation du SONAR à 45. Test pour l'inspection des structures verticales. Figure 30 Orientation du SONAR à 75. Test pour l'inspection des structures verticales avec visée rasante.. Page 36

43 Nous avons choisi ces 3 configurations pour les raisons suivantes : Orientation à plat : Cette première configuration, utilisée lors de 3 passages dans le tunnel de Niderviller, nous permet d observer la présence d éléments caractéristiques posés sur le fond, tels que des lisses ou des briques qui se seraient détachées des murs. En réalisant 3 passages avec cette même configuration, nous pouvons observer une certaine répétabilité dans les images SONAR résultantes nous permettant donc d avoir une analyse plus aisée de ces dernières en différenciant les échos provenant d objets réels et ceux induits par toutes perturbations affectant le signal. Orientation à 45 : Cette configuration à été employée dans le but de visualiser plus d éléments sur les infrastructures immergées du côté droit de l embarcation. En effet, dans ce cas le faisceau de droite couvre uniquement le mur et sur une surface plus importante que dans la première configuration. Cependant, dans ce cas précis, le principe de visée rasante n est pas vraiment respecté, et nous n avions aucune idée de la qualité et de la facilité d interprétation des résultats que nous allions obtenir, d autant plus que des distorsions liées au roulis du poisson (voir Effet de Roulis) vont venir déformer l image. Au total 2 passages ont été effectués dans cette disposition dans le tunnel de Niderviller. Orientation à 75 : Dans le cas où l orientation à 45 du SONAR ne fournirait pas des résultats probants, nous avons réalisé 3 passages (2 dans le tunnel de Niderviller et 1 dans le tunnel d Arzviller) en inclinant de 75 le SONAR afin de conserver le principe de visée rasante propre au SONAR latéral. Dans ce cas, seul le faisceau de gauche du SONAR sera employé pour imager le piédroit du mur immergé et une partie du fond. L inconvénient de cette configuration est qu il est difficile de bien interpréter les images en temps réel, car il faut imaginer une symétrie verticale. En effet le transducteur de gauche ne procède plus à l insonification de la partie gauche de la ligne de foi du SONAR, mais de la partie droite. La Figure 31 et la Figure 32 présentent respectivement une image avant traitement puis post traitée en sortie du tunnel de Niderviller du côté d Arzviller lors d un passage à dB 0dB Figure 31 Image SONAR non traitée. Le piédroit droit du mur observé apparait du côté gauche de l'image. La partie droite étant uniquement la duplication de l'image de gauche par le transducteur droit (effet de diaphonie). Figure 32 Image SONAR post-traitée. Le piédroit droit du mur observé par le transducteur gauche est redéfini sur la partie droite de l'image. On remarque sur la partie gauche une bande sombre correspondant à l écho du transducteur droit orienté vers la surface de l eau. (diffusion de surface) Page 37

44 Application à l embarcation «Gambsheim 1», quartier de la Petite France. Afin de procéder à une expérimentation dans un environnement différent de celui du tunnel de Niderviller. Un second site expérimental à été mis en place durant ce PFE sur les canaux de Strasbourg, zone dans laquelle nous serions susceptibles d observer de plus amples détériorations sur les murs ou éléments posés sur le fond. Lors de cette nouvelle expérimentation, le système d inspection subaquatique à été intégré au dispositif de prise de vue de la même manière que sur le «Val de Sarre» et n a été orienté cette fois-ci qu à l horizontal, disposition dans laquelle le SONAR fonctionne le mieux notamment en présence importante d algues. Cependant, le dispositif principal a quant à lui été modifié et réadapté au nouveau bateau et au nouvel SONAR environnement dans lequel il était amené à évoluer. Nous souhaitons cette fois-ci procéder à l inspection des digues latérales, Ainsi les caméras du système d inspection ont été orientées de part et d autre du bateau, comme illustré sur la Figure 33, afin d observer à la fois les digues droites et gauches lors de son avancement. Lors de cette expérimentation, les images SONAR acquise dans le bras mort Nord de l Ill sont difficiles à analyser à cause de la présence importante d algues interceptant les ondes acoustiques et ne permettant pas de voir la présence d objet sur le fond. L emploi d un système bifréquence peu cependant permettre d éviter ces problèmes. Pike Marlin Figure 33 Illustration schématique du dispositif de mesure sur le «Gambsheim 1» Page 38

45 CHAPITRE IV. INTERPRÉTATION DES IMAGES DU SONAR LATÉRAL 4.1. INTRODUCTION Les fonds marins contiennent une grande variété de structures, de débris ou d éléments naturels différents. Certains milieux sont recouverts par des kilomètres de boue, tandis que d autre sont constitués d une importante quantité d affleurements rocheux. Le SONAR à balayage latéral est donc un outil de mesure relativement idéal pour cartographier ces zones et observer la nature et les éléments constituant le fond. La structure du fond marin, d une rivière ou d un canal a une incidence sur le signal acoustique renvoyé. Le son, se propageant vers l extérieur à partir des transducteurs, peut être dévié dans plusieurs directions différentes. Cette onde peut rencontrer la surface inégale de l eau, des bulles d air, des poissons, des sédiments en suspension, etc. Selon la nature du fond, de l objet impacté par l onde sonore, le signal va être plus ou moins absorbé. En effet, un élément de faible densité, comme un fond vaseux, va partiellement absorber le signal, tandis que des objets plus durs, tel que des rochers ou des débris métalliques, auront une capacité de réflexion bien plus importants. D autre part, un certain nombre d effets bien caractéristiques, notablement présents dans un milieu clos tel que les tunnels-canaux, vont venir déformer les images du SONAR. Nous allons dans cette partie présenter chacun des éléments permettant d identifier la présence d objets et les distorsions compliquant l interprétation des images acoustiques LA LOCALISATION DES OBJETS La capacité à interpréter avec justesse des données SONAR vient essentiellement de l expérience. C est uniquement en ayant passé du temps à analyser ce type de données que notre vision et nos observations deviennent suffisamment perspicaces pour déterminer s il s agit d éléments ou objets réels présents sur le fond marin ou simplement d anomalies. Afin de palier à ce manque d expérience, réaliser plusieurs échosondage au même endroit et dans les mêmes conditions nous permet de faire une distinction entre objets réels et anomalies. Dans ce cas nous cherchons à observer une certaine répétabilité dans l imagerie SONAR nous permettant ainsi de savoir, en observant la présence d un écho particulier entre deux passages, s il s agit d un objet réel ou d une anomalie sonore. A l aide des systèmes de SONAR à balayage latéral, nous pouvons observer la présence d objets suivants trois informations fiables que le système peut nous procurer. Celles-ci sont les ombres portées, la taille des objets ainsi que la forme ou l apparence des objets. Page 39

46 L ombre portée Une ombre acoustique consiste en une zone, se trouvant à proximité d un objet et du côté opposé au SONAR immergé, où le signal sonore ne peut atteindre le sol car celui-ci est bloqué par l objet en question. L empreinte de cette ombre va dépendre à la fois de la taille de l objet, de la profondeur du SONAR et de l angle sous lequel le faisceau va venir entrer en contact avec l objet. Une ombre sonore fonctionne de la même manière qu une ombre entrainant une baisse d intensité lumineuse. Ces ombres sont particulièrement importantes dans la localisation d objets ainsi que dans leur analyse. Ainsi, une attention particulière doit être portée sur la position de l ombre, sa forme, sa taille et son intensité lors d une campagne de recherche. L emplacement de l ombre par rapport à l objet est une caractéristique importante nous permettant de savoir si l objet en question repose ou non sur le fond marin. On comprendra par là qu une ombre en contact avec l objet implique que celui-ci se trouve en contact avec le fond. D autre part, comme indiqué auparavant, une ombre qui se prolonge jusqu au bord de la fenêtre de visualisation implique que l objet a une hauteur qui est soit proche du SONAR, soit au dessus de l altitude du SONAR, constituant ainsi un danger pour un futur passage mitoyen La taille de l objet La taille de l objet est la deuxième caractéristique importante lors d une campagne de recherche. En effet si l on connaît la taille de l objet recherché, nous pouvons nous concentrer sur les objets dont la taille est semblable. Il faut garder à l esprit que, suivant la plage de d observation choisie, l objet recherché va apparaître plus ou moins gros et sera plus ou moins identifiable selon que l on souhaite couvrir une bande étroite ou large. La taille d un objet peut aussi être déterminée à l aide de la taille de l ombre portée et de l altitude du SONAR. Elle est exprimée par la formule suivante (voir Figure 34) : Avec : H, la hauteur de l objet L, la longueur de l ombre A, l altitude du SONAR R, la distance entre le SONAR et la fin de l ombre portée ( 4 ) SONAR Zone d ombre L H R A Figure 34 Schéma explicatif pour la détermination de la hauteur d'un objet. Page 40

47 Dans une campagne de recherche, cette caractéristique est importante et permet d identifier plus facilement les objets échosondés. Cependant, si le milieu dans lequel nous intervenons est encombré de débris ou si la nature du fond est composée par exemple d un amas de pierres ou gravier, il devient plus difficile d analyser la forme de l objet. Ainsi dans ces derniers cas, l analyse de l ombre portée et la taille de l objet sont des informations importantes dans le repérage d un objet EFFETS COMPLIQUANT L INTERPRÉTATION DES IMAGES SONAR Une onde sonore se propageant dans l eau peut subir un certain nombre d effets modifiant et influençant plus ou moins l imagerie SONAR enregistrée. Ces perturbations vont ainsi compliquer l analyse et l interprétation des images SONAR. Selon Marine Sonic Technology (Ltd, 2011), on peut compter sept effets compliquant l interprétation des données du SONAR : l image fantôme ou «ghosting», la diaphonie, la thermocline et l halocline, les distorsions lors d un changement de direction, la diffusion de surface, le souffle de l hélice et enfin le bruit. La quasi-totalité de ces distorsions sont visualisables sur les images du StarFish Le «ghosting» Les impulsions sortant des transducteurs ne s arrêtent pas ou ne sont pas dissipées à la fin de la zone balayée, mais continuent de se propager dans l environnement. Les images fantômes se produisent lorsque le signal sonore se déplace au-delà de la plage désignée et rebondit sur des surfaces éloignées voir même sous la surface de l eau. Le signal retour peut ainsi causer des anomalies de faible intensité à l affichage. Lorsque l on travaille en eau peu profonde ou dans des canaux, on peut rencontrer des images fantômes provoquées par les retours acoustiques des impulsions sonores précédentes continuant de rebondir entre les objets et le SONAR. Pour diminuer cet effet nous pouvons augmenter la taille de la zone observée, ralentissant ainsi la vitesse des impulsions et laissant le temps à ces échos de se dissiper avant d être remplacés par le nouvel écho. Cependant, en augmentant la largeur de fauchée on diminue la résolution. D autre part, lorsque nous procédons à cette manipulation, des problèmes de recouvrements et de discontinuités vont apparaître sur l image SONAR à cet instant. Nous pouvons aussi observer des distorsions sur des cibles éloignées, causées par des phénomènes de multi-trajets où le son prend un chemin plus long en rebondissant sous la surface de l eau lors de sa propagation dans l eau avant de revenir au niveau du transducteur. La Figure 35 présente cet effet lors de la campagne de mesure effectuée le 18 mars 2014 dans un des tunnels-canaux allant de Niderviller à Arzviller. Page 41

48 Figure 35 Illustration de l'effet "ghosting" sur un échosondage entre Niderviller et Arzviller. Sortie de tunnel côté Arzviller La diaphonie La diaphonie survient lorsqu une cible renvoie un écho fort tel que celui-ci traverse le corps du SONAR pour arriver jusqu au transducteur du côté opposé en le faisant vibrer. L image résultante dans ce cas présente un axe de symétrie suivant l axe du SONAR, c'est-àdire que l on va retrouver le même objet de chaque côté du SONAR sur l image (effet miroir), cependant la fausse image résultant de cette diaphonie est de moins grande intensité. Sur la Figure 36 suivante on peut voir le résultat d une diaphonie sur la partie gauche de l image (écho sur un mur). Diaphonie Figure 36 Illustration de la diaphonie lors de l'échosondage du premier tunnel-canal entre Nierdeviller et Arzviller. A droite, l écho vrai du mur, à gauche l effet de diaphonie. Cet effet est d autant plus important lorsque le SONAR est incliné à 45. Il est possible de d éviter ce type de distorsion en utilisant alternativement les transducteurs de droites et de gauches, mais dans ce cas la distance séparant chaque impulsion d un même transducteur augmente La thermocline et l halocline La thermocline est une cause fréquente dans la distorsion des images SONAR. Elle survient lorsqu il y a une transition thermique rapide entre deux niveaux d eau (généralement Page 42

49 entre les eaux superficielles et les eaux profondes). Cet effet est d autant plus marqué lorsque la salinité de l eau est importante. Ce changement brut de température entraine ainsi des distorsions dans l image SONAR, distorsion visible sur la Figure 37. L halocline peut se manifester lorsque des eaux fraiches et des eaux de mers se mélangent, entrainant ainsi un changement brutal de salinité entre deux niveaux dans la colonne d eau. Ces distorsions vont entrainer le problème suivant : des échos provenant de différents endroits du fond marin vont être captés au même instant par le transducteur du SONAR. Cet écho complexe, provenant de différents endroits, peut corrompre l image du SONAR et masquer certains objets. Cet effet peut être atténué en abaissant la profondeur à laquelle le SONAR est tracté ou en modifiant la fréquence des transducteurs. Figure 37 Thermocline affectant une image SONAR. Source : Sur cette image, le SONAR passe à travers la thermocline où la vitesse du son change d'environ 1445m/s à 1455m/s. Cette modification entraîne une déformation et déviation du faisceau Distorsion dans un virage Lorsque l embarcation effectue un virage pendant que le SONAR latéral procède à l échosondage du fond, il en résulte une distorsion sur les images résultantes. Pendant un virage, les transducteurs ne balayent pas le fond suivant une ligne droite cohérente. Les impulsions sonores émises par le transducteur se trouvant à l intérieur du virage vont couvrir une zone plus petite que le transducteur opposé. Ainsi, l image va subir un étirement sur la partie intérieure du virage et une compression et déformation sur la partie extérieure du virage. D autre part, selon l ouverture horizontale du SONAR, la vitesse du bateau et l importance du virage, il y aura, à l intérieur du virage, un chevauchement plus ou moins important entre les différents échos entrainant l élongation des objets balayés par le faisceau. La Figure 38 illustre cet effet sur lequel on voit clairement les distorsions entrainées de chaque côté de l image. Page 43

50 Objet étiré du fait du demi-tour effectué par le bateau. Figure 38 Distorsion causée par un changement de direction (virage) lors d une expérimentation dans les canaux de Strasbourg La diffusion de surface Cet effet survient lorsque l onde sonore rebondit sous la surface de l eau de la même manière qu elle rebondit sur le fond. Plus l eau est peu profonde, plus la probabilité d avoir une diffusion de surface est importante car l onde peut subir, dans ce cas, de multiples réverbérations sur de nombreuses surfaces avant de revenir au niveau du transducteur. Ces surfaces peuvent être le fond de la mer, la surface de l eau (surtout si celle-ci est turbulente), des débris, des variations thermiques, des bancs de poissons, etc. Les moutons 1 générés par le vent sont également de très bons réflecteurs acoustiques, tant et si bien que le signal retour peut considérablement affecter les données SONAR. Ces conditions de turbulences surfaciques entrainent donc une déviation du signal en sortie du transducteur avant son retour à celui-ci, déformant ainsi l image finale comme présentée en Figure 39. Figure 39 Diffusion de surface observée dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller après inclinaison du SONAR à 45 degrés. 1 Des moutons sont de petites vagues frangées d écume apparaissant par vent léger Page 44

51 Le souffle de l hélice Dans le cas où le SONAR est trainé à l arrière d un bateau, le souffle provoqué par l hélice de ce dernier va produire des bulles dans la colonne d eau et donc la présence de gaz dans le sillage du bateau. Ces bulles ont un fort pouvoir réfléchissant vis-à-vis des ondes sonores émises par le SONAR, au point même de masquer une cible. Cet effet est particulièrement présent et problématique dans les cours d eau où il y a beaucoup de remous et où de nombreuses embarcations motorisées traversent la zone d étude pendant que l on effectue la campagne d acquisition. En général, le sillage provoqué par le souffle de l hélice ne déforme pas l image SONAR du fait que les transducteurs de celui-ci sont dirigés vers le bas. Cependant, lorsque l on navigue dans les zones d eau peu profonde, cette turbulence de surface peut apparaître dans l image résultante, comme présentée en Figure 40. Afin de réduire cet effet, il faut réduire la vitesse de l embarcation, diminuant ainsi la présence de bulles causées par le souffle de l hélice. Figure 40 Déformations provoquées par le soufle de l'hélice du bateau. Expérimentation du 11 juin 2014 sur les canaux de Strasbourg Le bruit sonore Le bruit est une interférence sonore indésirable présent dans la colonne d eau et affectant l imagerie SONAR. Ce bruit provient soit de la nature environnante soit du matériel électronique au voisinage. Ces bruits apparaissent sous forme de taches lumineuses, de stries ou encore de bandes. Si le bruit provient d une source électronique, il faudra vérifier ou changer les générateurs électriques, les câbles ou encore resécuriser la masse du système. C est ce type de bruit qui est le plus souvent représenté sur les images, cependant le bruit peut aussi parvenir de l environnement sous marins, provenant généralement d êtres vivants tels que les dauphins, serpentines, crevettes, etc. Dans les milieux clos tel que les tunnels-canaux, les ondes sonores restent prisonnières et peuvent particulièrement affecter l image SONAR. La Figure 41 expose un exemple de bruit sonore capté durant l intervention du 18 mars Page 45

52 Figure 41 Exemples de bruits sonores affectant une image SONAR dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller DISTORSIONS GÉOMÉTRIQUES Au même titre qu un radar satellite déployé pour de la télédétection, un SONAR latéral mesure le temps écoulé entre l émission et la réception d un signal oblique, entrainant ainsi des déformations géométriques. Ces déformations sont fonction de la durée d impulsion et de la portée du SONAR. Ainsi, l image obtenue (dont la position des objets captés est ramenée à un plan transversal) ne représente pas exactement la réalité géométrique des objets. Ces distorsions, se comptent au nombre de trois et peuvent se nommer de la façon suivante selon (Roupioz, et al., 2014) : le raccourci, le repliement et l ombre portée Le raccourci Cet effet est dû à l angle formé par la direction du front de l onde sonore émise par le SONAR avec l inclinaison du fond marin. Dans ce cas, il y a une réduction de la distance réelle entre 2 objets proches se trouvant sur le fond (voir les points 1 et 2 de la Figure 42). Dans le cas où la pente du fond est importante (soit pour les points 3 et 4 de la Figure 42), l effet de raccourci est maximal, c'est-à-dire que ces points seront confondus sur l image résultante. Cette distorsion entraine non seulement la non restitution du fond entre ces deux points sur l image finale, mais a aussi pour conséquence de générer des points brillants (superposition des échos provenant de ces 2 points augmentant ainsi le niveau du signal capté durant la réception) sur l image nous laissant croire qu un objet particulier se trouve à cet endroit. Page 46

53 Figure 42 Illustrations des effets de raccourci sur une image SONAR Le repliement Dépassé une certaine inclinaison du fond, soit lorsque la pente de celui-ci est supérieure à l angle de rasance du SONAR, un phénomène d inversion de la restitution des échos se produit (voir les points 1 et 2 sur la Figure 43). Le point 2, étant illuminé avant le point 1 qui se trouve plus bas, va, lors de la restitution de l image, se situer avant le point 1. Par conséquent, les positions des échos du sommet et de la base de la pente sont inversées par rapport à l ordre géométrique réel. Cette distorsion n affecte quasiment jamais les images SONAR lors d une campagne de mesures des fonds marins, à part dans le cas où ce dernier concerne des récifs coralliens ou tout autre milieu avec un relief abrupt. Cependant, lors de campagne de mesure dans un tunnel-canal, où l on retrouve des structures verticales immergées tel que les murs latéraux gauche et droit, cette distorsion va entrainer une inversion entre le pied de celui-ci et la partie supérieure que le SONAR aura échosondée. La Figure 44 présente concrètement cet effet lors de l expérimentation sur le canal de la marne au Rhin entre Niderviller et Arzviller réalisée en mars Figure 43 Illustrations de l'effet de repliement. Page 47

54 Figure 44 Effet de repliement sur les murs immergés du tunnel-canal de Niderviller lors d un passage du SONAR à plat (flèche blanche). On remarque de chaque côté de l image 2 bandes de fortes intensités (apparaissant comme 2 lignes de couleurs sombres de part et d autre de la flèche). Une des bandes (celle se trouvant sur l extérieur) représente une partie du pied de mur renvoyant un écho de forte intensité lié à la configuration du fond à cet endroit ; l écho renvoyé est une accumulation de l onde rétrodiffusée dans l angle entre le sol et le mur et des échos multiples réfléchis de part et d autre de ce point sur une zone d environ 10cm (voir Figure 45). L autre bande (celle se trouvant vers l intérieur de l image) correspond à l onde envoyée perpendiculairement au mur, soit celle définissant la limite supérieure du mur insonifié, et où l onde sonore est fortement rétrodiffusée, par rapport à une onde percutant une surface avec un angle d incidence comme illustré sur la Figure 46. Ainsi le pan de mur observé est inversé. Diffusion Zone insonifiée Diffusion Echos-multiples Zone insonifiée Figure 45 Illustration de l'interaction de l'onde sonore en fonction de l'angle d'incidence. L'onde rouge, ayant un angle d'incidence de 0, est fortement rétrodiffusée par rapport à l'onde en bleu. Ainsi on aura une ligne de forte intensité au niveau de l onde sonore rouge. 10 cm 10 cm Figure 46 Illustration des ondes formant l'écho du pied de mur. En rouge l'onde rétrodiffusée, en orange et bleu des ondes ayant subi de multiples réflexions avant d'être assimilées comme étant l'écho du pied de mur. On aura ainsi un signal retour de forte intensité à ce niveau. En réalité, en considérant que le SONAR réalise une image du fond vue de dessus, nous ne devrions théoriquement pas voir sur les images résultantes la face du mur insonifiée, mais une ligne de forte intensité suivant les variations horizontales de celui-ci. Cependant, nous avons vu que, le SONAR n ayant aucune capacité discriminante angulairement, procède à l imagerie Page 48

55 du fond en fonction de l ordre de réception des échos. Ainsi, si le SONAR se trouve proche d une structure verticale comme présenté en Figure 47, le pan verticale sera projeté (avec une inversion) dans le plan horizontal et devenant donc visible sur l image résultante. Figure 47 Illustration de la projection sur le plan horizontal de la structure verticale observée. Plus on s'éloigne du mur, moins le côté insonifié de celui-ci est visualisable sur l'image résultante. On remarque que les éléments présents entre 2-4 et 3-4 sont superposés L ombre portée Comme présenté en L ombre portée, le SONAR, insonifie le fond marin en incidence rasante, entrainant des zones d ombres dépendant de la taille de l objet et de la hauteur du SONAR par rapport au fond ou à l objet. La Figure 48 nous montre les zones d ombres induites par les murs latéraux du tunnel-canal, permettant de restreindre notre attention uniquement aux échos restitués entre ces 2 murs. Figure 48 Ombres portées des murs recouvrant 75% de l'image SONAR. L'analyse est donc portée uniquement sur la partie centrale de l'image, entre les 2 zones délimitées par les murs immergés. Page 49

56 4.5. DÉFORMATION LIÉE À L ATTITUDE DU SONAR Les distorsions observées jusque là sont essentiellement liées aux caractéristiques et à la configuration du milieu dans lequel les ondes acoustiques se propagent. Cependant les images SONAR peuvent être sujettes à d autres déformations, qui sont cette fois-ci en lien direct avec l attitude du poisson Effet de Roulis Le roulis correspond à la rotation du SONAR autour de son axe longitudinal. Comme présenté en Figure 49, lors d un tel effet, un des transducteurs du SONAR va pointer plus haut que normalement tandis que l autre procèdera à l insonification d une partie plus proche du Nadir. Cette configuration va entrainer des distorsions d intensités de la zone couverte par le SONAR. Le transducteur surélevé va imager le fond sur une plus grande distance, mais cette partie va être compressée afin d être en accord avec la largeur de fauchée prédéfinie. Inversement, le transducteur orienté plus proche de la verticale va imager une plus petite surface, ainsi les objets observés sur le fond vont se retrouver étirés afin d ajuster l image à la largeur de la bande insonifiée. De ce fait, un objet positionné sur le fond et détecté par le transducteur surélevé va être positionné plus proche du SONAR, tandis qu un objet repéré par le transducteur abaissé va apparaître comme étant plus loin que ce qu il est en réalité. Dans le cas de tunnel canaux, et avec la configuration à 45 utilisée pour nos expérimentations, cet effet va à la fois entrainer un étirement et une compression de l image perpendiculairement à l avancement du SONAR, mais va aussi augmenter la surface du mur vertical insonifié affectée d un effet de repliement (voir 4.4.2) et d étirement Effet de Cap Figure 49 Illustration de l'effet de roulis d'un SONAR incliné d un angle ϴ Cet effet correspond aux mouvements latéraux du SONAR autour de l axe vertical comme présenté en Figure 50. La fauchée va ainsi tourner autour de l axe central du SONAR, entrainant des distorsions parallèlement et perpendiculairement à l avancement du poisson. Le transducteur se trouvant à l intérieur du «virage» va imager des éléments déjà observés mais sous un angle de vue différent. En ce qui concerne celui se trouvant à l extérieur du virage, celui-ci va imager des objets se trouvant plus loin que prévu. Ainsi, un élément posé sur le fond va respectivement se retrouver soit étiré soit compressé parallèlement à l avancement du SONAR. La dimension des objets observés n est donc plus en accord avec la réalité. Page 50

57 Dans notre cas où le SONAR est fixe par rapport à la structure du bateau, cet effet est directement en lien avec le changement de cap de celui-ci et peut donc être plus facilement calculable. Cependant, une attention particulière doit être portée sur la fixation du SONAR au bateau, car si l axe du SONAR n est pas parfaitement parallèle à l axe du bateau, alors nous aurons à faire à un effet de cap permanent dans une même direction. Figure 50 Illustration de l'effet de cap d un SONAR dérivant d un angle ϴ Effet de tangage Le tangage correspond à l orientation du SONAR dans un plan horizontal. Quand le poisson s incline vers le haut (ϴ>0 ) comme illustré en Figure 51, celui-ci va procéder à l imagerie des éléments se trouvant plus loin que prévu, entrainant une ré-insonification de ces mêmes objets plus tard. A l inverse, si celui-ci s incline vers le bas, le système va reproduire une fauchée qu il a déjà réalisée. Un changement brutal de l orientation du SONAR va entrainer une cassure dans l imagerie du fond sur toute la largeur de la fauchée. En général ces variations son liées au changement d altitude du SONAR et à la vitesse du bateau, mais dans le cas ou celui-ci est fixé au bateau, alors ce changement d attitude est en lien direct avec les perturbations de surfaces (vagues, houle, vents) ayant une influence sur les mouvements du bateau et avec les changements de vitesse de ce dernier. Figure 51 Illustration de l'effet de tangage d'un SONAR incliné d'un angle ϴ Variations de vitesse La vitesse de l embarcation n est jamais constante alors que le cycle d émission d une impulsion et la durée entre chaque impulsion est toujours identique. Par conséquent, la distance parcourue entre chaque impulsion n est pas la même et l image résultante doit faire l objet d une rectification. En effet, si aucune correction n est apportée, l image sera distordue dans le sens d avancement du SONAR. Page 51

58 Si la vitesse du porteur augmente, chaque fauchée (ping) s en trouvera plus éloignée les unes des autres. Dans ce cas, les éléments observés seront étirés parallèlement au sens d avancement. A l inverse, si la vitesse du bateau diminue, les fauchées seront plus proches les unes des autres, et l image résultante s en trouvera compressée dans la direction suivie par le SONAR. La Figure 52 illustre ce type de distorsion. Nous avons vu que l effet de tangage est en lien avec la vitesse du mobile. En effet, que le poisson soit fixé ou bien tracté, celui-ci sera incliné vers le haut (lors d une accélération) ou vers le bas (lors d un ralentissement). (A) (B) Figure 52 Distorsions induites par les variations de vitesse du SONAR sur une portion d image du transducteur tribord lors d une expérimentation dans les canaux de l Ill. En (A) compression de l image lors d un ralentissement, en (B) image correctement rectifiée, en (C) étirement de l image lors d une accélération CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Les distorsions et déformations ainsi observées sur les images du SONAR à balayage latéral sont nombreuses et ne permettent pas une étude et des mesures précises des éléments observés si celles-ci ne sont pas rectifiées. Bien que les effets compliquant l interprétation des images SONAR (présentés en 4.3) puissent être évités en paramétrant correctement le système, les distorsions géométriques et les déformations liées à l attitude du SONAR sont nécessairement présentent. Il est cependant possible de supprimer les effets induits par les changements d attitudes de l appareil en apportant des informations sur le cap, roulis et tangage de celui-ci mesuré par une centrale inertielle. A contrario, les distorsions géométriques sont propres à la technologie du SONAR et ne peuvent être évitées. Dans la mesure où nous souhaitons prochainement (soit durant la futur Thèse) procéder à la modélisation 3D de la partie immergées des canaux urbains et tunnels canaux par l emploi d un échosondeur multifaisceaux, seul les distorsions inférées par les changements de cap, roulis et tangage de l appareil seront à rectifier. De ce fait il semblera nécessaire d utiliser une centrale inertielle au plus proche du système multifaisceaux afin de définir l orientation de chacune des impulsions émises par ce dernier. D autre part il saura aussi important de renseigner la position XYZ du système à chaque instant ; trajectographie déterminée par différentes méthodes dont les analyses font l objet du chapitre V suivant. (C) Page 52

59 CHAPITRE V. ANALYSES DES CALCULS DE TRAJECTOGRA- PHIE Dans ce chapitre nous verrons succinctement les méthodes de repérages du système d acquisition faisant l objet des précédentes études menées par (Chavant, 2013)(Guittet, 2012)(Tisserand, 2011). Nous verrons plus en détail certains points sur lesquels ma participation et les analyses effectuées durant ces 6 mois de stage ont permis de mettre en évidence des incohérences dans l horodatage des mesures tachéométriques, les limites de l odométrie visuelle simplifiée et d établir une première mise en correspondance entre donnée photogrammétrique et hydrographique. Ces observations ont été réalisées en comparant les données issues du SONAR, de la tachéométrie, de l odométrie visuelle simplifiée (OVS), de la photogrammétrie ainsi que celles issues des mesures lasergrammétriques réalisées en 2010 et OPÉRATIONS ET TRAITEMENTS TACHÉOMÉTRIQUES Afin de procéder au géoréférencement de l embarcation par tachéométrie, nous avons réalisé un suivi tachéométrique à l aide d un Trimble S8. L enregistrement des données est contrôlé à l aide d un ordinateur afin que chacune des mesures enregistrées soit affectée d une valeur d horodatage. Comme réalisé en octobre 2013, un prisme 360 actif Trimble à été utilisé afin d assurer le bon suivi de la barge tout au long du tunnel. Ce type de mesure a été réalisé pour les expérimentations du mois de Mars menées dans le tunnel Niderviller et celles de Juin effectuées sur les bras mort de l Ill dans le quartier de la petite France. Les résultats obtenues ont ensuite été analysés afin d évaluer la qualité de l horodatage des données tachéométriques, point essentiel pour la synchronisation des données provenant des différents appareils. La trajectoire déterminée à l aide de cette technique servira en plus de référence pour l étude de la trajectoire par odométrie visuelle dont les analyses seront présentées en Acquisition des données Expérimentation dans le tunnel de Niderviller (18 mars) Le tachéomètre a été positionné sur un point connu en coordonnées (Tunnel N.1) à l entrée du tunnel du côté de Niderviller et à été orienté sur plusieurs références. L ensemble de ces points a été déterminé lors de cheminements polygonaux et de nivellements réalisés par (Tisserand, 2011). Au total 8 séries de mesures ont été effectuées (expérimentation 1 à 8) en utilisant une fréquence d acquisition de 2,5Hz. Pour l expérimentation et 8, nous avons enregistré l avancement du bateau dans le sens Niderviller-Arzviller évoluant en marche avant à une vitesse régulière d environ 1m.s -1. Concernant l expérimentation 3, le tachéomètre suivait l embarcation se déplaçant en marche arrière en longeant la lisse dans le sens Arzviller-Niderviller. Pour chaque passage, environ 1300 points géoréférencés ont été enregistrés Page 53

60 permettant d étudier la trajectoire suivie par le bateau dans chaque cas, trajectoire qui servira de référence pour les données de l odométrie visuelle simplifiée. Expérimentation sur l Ill dans le quartier de la Petite France (11 juin) Dans un premier temps un réseau de points topographiques a été implanté au GPS à l aide du réseau Teria. Un ensemble de 5 points (présentés sur les fiches signalétique en Annexe K) a ainsi été matérialisé en temps réel avec une précision centimétrique. Le tachéomètre a ensuite été stationné sur le point 3000 et orienté sur le point 1000 afin de procéder au suivi du système lors de son avancement sur le bras mort Nord de l Ill. L embarcation a ainsi fait l objet d un suivi tachéométrique lors de 3 passages aller-retour en employant une fréquence d acquisition de 10Hz. D autre part, un levé topographique (10 points présentés sur les fiches signalétiques de l Annexe L) de la zone a été réalisé afin d avoir des points de contrôles qui permettront de rectifier le modèle photogrammétrique Traitements et analyse des données Comme présenté dans le Projet de Recherche Technologique de (Marchand, 2013), le traitement des données tachéométriques fait l objet de plusieurs étapes avant d arriver à des résultats exploitables pour quelconques analyses. Dans un premier temps, afin de pouvoir procéder à la lecture des carnets de mesures du tachéomètre à l aide du logiciel Covadis, il est nécessaire de passer par un formatage de ces carnets afin que le logiciel puisse identifier chacune de ces lignes de mesures. Pour cela, j ai réalisé un premier traitement en employant un code VBA permettant de remplacer les lignes «> 0» par «5 = X» (avec X identifiant du point commençant à 1 et incrémenté jusqu au n ième point), ligne posant problème lors de l import du carnet de terrain sous Covadis. Une fois le formatage effectué, nous pouvons procéder au calcul automatique des coordonnées des points rayonnés par la station pour chaque passage du bateau, nous permettant ainsi d obtenir la trajectoire de celui-ci (plus particulièrement celle du prisme) à l intérieur du tunnel. Comme observé lors des travaux de (Marchand, 2013), l horodatage des mesures enregistrées par le tachéomètre n est pas cohérent. En effet, si celui-ci enregistrait un point toutes les 400ms, nous devrions avoir une différence de temps entre chaque mesure successive de 400ms, or nous constatons une différence de temps non constante entre 2 mesures tachéométriques comme illustrée sur la Figure 53. Figure 53 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l expérimentation n 2 du 18 mars En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. L écart moyen quadratique (emq) étant de 42ms. Page 54

61 Ce laps de temps varie essentiellement entre 0.35s et 0.45s. Par conséquent, pour l ensemble des expérimentations du 18/03, nous obtenons un emq sur l horodatage d environ 46ms. Afin de savoir si ce problème est propre au Trimble S8 utilisé pour les tests du 18 mars 2014, nous avons procédé aux mêmes analyses sur les données tachéométriques provenant d un Trimble S8 et d un Trimble VX utilisé lors des expérimentations en Octobre Pour le Trimble S8 nous retrouvons les mêmes problèmes sur les 5 séries de mesures comme présenté en Figure 55. Cependant, en ce qui concerne le Trimble VX, les résultats obtenus semblent Figure 54 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l expérimentation n 3 d Octobre 2014 avec le Trimble VX. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. Figure 55 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l expérimentation n 4 d Octobre 2014 avec le Trimble S8. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. légèrement plus cohérents pour 2 séries de mesures (différence de temps variant de ±50ms autour d une unique valeur de 400ms), mais pour les analyses portées sur la 3 e série de mesures, visibles sur la Figure 54, nous obtenons des résultats imprécis avec une durée entre chaque mesure successive variant de ±200ms. Ces non constances dans ces différences de temps peuvent provenir soit d un défaut mécanique en lien direct avec les instruments de mesures, soit d un défaut informatique lors de l association de l heure à chaque mesure lors de leur enregistrement. Afin de déterminer quelle est la raison de ce problème récurant, nous avons calculé la vitesse de l embarcation en prenant 2 bases de temps différentes : - Une correspondant à la différence de temps entre chaque valeur d horodatage. Les résultats obtenus dans ce cas sont visibles en Figure 56. Figure 56 Vitesse du bateau lors du passage n 2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la différence de temps entre chaque enregistrement. Page 55

62 - L autre correspondant à la valeur médiane calculée pour chaque passage, soit entre 0,40 et 0,41 seconde. La Figure 57 illustre les résultats issus de ces calculs. Retard Pt1019 Pt1018 Avance Pt1020 Figure 57 Vitesse du bateau lors du passage n 2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la valeur médiane du temps écoulé entre chaque mesure. Ainsi, on remarque que l on obtient une meilleure détermination de la vitesse du mobile lorsque celle-ci est calculée à partir d une valeur médiane de l intervalle de temps entre chaque mesure (soit dt = 0.41s dans le cas présenté sur la Figure 57). Cette constatation nous permet de dire que le problème provient essentiellement d une erreur dans l horodatage des données du tachéomètre et non pas d une inconstance dans la fréquence d acquisition de l appareil lors du suivi tachéométrique. Cependant, nous pouvons remarquer de manière régulière sur la Figure 57, que la vitesse ainsi calculée est soit surestimée ( 1.9m.s -1 ), soit sous-estimée ( 0.6 m.s -1 ). Sachant que la base de temps de ce calcul est constante (0.410s), ces erreurs (comme celles entourées en rouge sur la Figure 57 et qui font l objet des résultats suivants) semblent être dues à une augmentation de la fréquence d acquisition (2x plus vite), puis d un ralentissement (2x plus lent), et de nouveau d une augmentation (2x plus vite). En effet, en calculant l interdistance entre les points à l origine de ces variations, nous avons respectivement une distance environ 2 fois plus faible (di = m), puis 2 fois plus grande (di = m) et à nouveau 2 fois plus faible (di = m) lors de l enregistrement des points par le tachéomètre. Ces variations seraient donc liées à un défaut mécanique de l appareil automatiquement réajusté. Nous observons effectivement que lorsque l appareil enregistre deux points successifs avec un intervalle de temps plus court que ce qui à été paramétré, celui-ci va ajuster sa fréquence d acquisition sur les 2 prochaines mesures afin de revenir sur la même base de temps et éviter un décalage dans les mesures comme illustré sur la Figure 58. Fréquence d acquisition sans décalage Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt Fréquence d acquisition affectée du décalage (avance / retard). Δt Δt 2xΔt Δt Δt Δt Δt Pt1018 Pt1019 Pt1020 Figure 58 Illustrations du défaut mécanique compensé de l'appareil lors de l'enregistrement des mesures à 2.5Hz Lors d une seconde expérimentation réalisée sur les canaux de Strasbourg, nous avons pu augmenter la «fréquence d acquisition» du tachéomètre à 10Hz. Après analyses des Page 56

63 fichiers de points horodatés générés par l appareil, nous retrouvons à nouveau un fichier d horodatage bruité, bien qu il semble plus cohérent qu à 2.5Hz. Dans ce cas présent, l écart moyen quadratique de l horodatage des mesures est d environ 28ms pour l ensemble des 3 passages. Nous avons décidé, comme pour les données à 2.5Hz, de procéder aux calculs de vitesses du bateau en utilisant les 2 bases de temps différentes (Valeur médiane de 100ms et différence de temps issu du fichier d horodatage). Cette fois-ci, nous remarquons par intermittence sur le 2 e graphique de la Figure 59, une valeur de vitesse 2 fois supérieure à la valeur vraie lors des calculs basés sur la valeur médiane. Cette valeur aberrante est la conséquence d un «saut» dans les mesures tachéométriques, c'est-à-dire qu à ces instants le laps de temps entre 2 mesures successives n est plus de 100ms mais de 200ms. Figure 59 Calcul de vitesse en fonction du temps issu de l'horodatage (graphique du haut) et en fonction du temps médian (graphique du bas). Les valeurs en rouge représentent des 'outliers' au minimum de ±5% de la valeur médiane sur une fenêtre de 11 valeurs à chaque instant. Expérimentation n 1, passage aller, Petite France. En ce qui concerne la détermination de la vitesse en fonction du temps issu du fichier d horodatage (visible sur le 1 er graphique), celle-ci est toujours aussi imprécise avec un emq de 232mm.s -1. Nous avons, dans le but d améliorer les résultats obtenus en fonction des fichiers d horodatages directement issus du levé tachéométrique, procédé à un filtrage de ces données. Pour cela, nous avons identifié dans le diagramme de vitesse l ensemble des mesures ayant une valeur de vitesse de plus ou moins 5% de la valeur médiane centrée sur 11 mesures (comme représenté en rouge sur la Figure 59). Une fois ces mesures identifiées nous les supprimons à la fois dans le listing d horodatage et dans le listing de coordonnées, puis nous procédons de nouveau au calcul de la vitesse du mobile en utilisant comme base de temps le nouveau fichier d horodatage filtré et les coordonnées XYZ des points correspondants. Sur la Figure 60 nous pouvons donc observer une nette amélioration des résultats par rapport à ceux obtenus avant filtrage sur la Figure 61. Cependant, après calculs de précision et de statistique (dont les résultats sont présentés sur le Tableau 5) ceux-là restent moins bons que le profil de vitesse déterminé à partir du temps médian. Page 57

64 Figure 61 Profil de vitesse déterminé à partir des temps issus du fichier d horodatage non filtré. Expérimentation n 1, passage aller, Petite France. Figure 60 Profil de vitesse déterminé à partir des temps issus du fichier d horodatage filtré. Expérimentation n 1, passage aller, Petite France. emq (mm/s) MAD (mm/s) Graphique Figure 61, Résultats avant filtrage du fichier d horodatage Graphique Figure 60, Résultats après filtrage du fichier d horodatage Graphique du bas Figure 59, Résultats en fonction de la médiane 9 6 Tableau 5 Précision et écart médian absolu sur la détermination de la vitesse du bateau calculée à partir des données horodatées non filtrées, filtrées et à partir du temps médian. Les résultats obtenus pour l ensemble des passages de chacune des expérimentations sont présentés en Annexe F. Remarque : Les écarts moyens quadratiques sont calculés à partir des écarts apparents (v i ) de la vitesse (Vx i ) par rapport à une moyenne glissante de 11 valeurs centrée en «i». Soit : avec : écarts apparents en m. s -1 On a donc : : vitesse en m. s -1 Les écarts médians absolus (MAD) sont calculés à partir des écarts apparents (v i ) de la vitesse (Vx i ) par rapport à une médiane glissante de 11 valeurs centrée en «i». ( 5 ) ( 6 ) Soit : ( 7 ) Avec : : vitesse en m. s -1 Conclusion et perspectives Ainsi, afin d obtenir les meilleurs résultats pour l horodatage des données issues du suivi tachéométrique, il faudra employer une fréquence d acquisition de 10 Hz puis procéder à une correction de l horodatage des mesures. Cette rectification consistera à incrémenter, à partir de la première mesure horodatée, un laps de temps constant de 100ms tout en tenant compte des sauts, auquel cas il faudra affecter 2 fois ce laps de temps soit 200ms. Page 58

65 Dans le but d évaluer plus justement la précision du suivi tachéométrique, il serait notamment intéressant de vérifier l interdistance entre chaque mesure lors du suivi d un objet se déplacant en ligne droite et à vitesse constante. En effet, la durée d enregistrement d une mesure par le Trimble S8 en mode suivi définit par le constructeur est de 0.4s soit plus que la fréquence d acquisition paramétrée à 10Hz! Ainsi ce paramètre pourrait être à l origine des erreurs observées. Le bon horodatage des mesures est primordiale si nous souhaitons par la suite quantifier la précision de la trajectoire par odométrie visuelle et surtout procéder à la rectification des données bathymétriques OPÉRATIONS ET TRAITEMENT DE L OVS L Odométrie Visuelle Simplifiée est une technique permettant de déterminer les positions successives des centres de perspectives du système d inspection, à partir des images du piédroit prise à intervalle de temps régulier par la paire stéréoscopique de caméra Marlin. D autre part, un recalage périodique sur des plaquettes décamétriques permet d éviter toutes dérives de cette technique de positionnement. Dans ce cas présent l orientation relative des caméras est directement connues à l issue du calibrage et il n est donc pas nécessaire de saisir des points de jonctions entre les images contrairement à Photomodeler Scanner. Ainsi l odométrie visuelle simplifiée vient remplacer la méthode de géoréférencement basée sur des images prises par une unique caméra à des instants différents et dont les calculs d orientation relatives et la recherche de points homologues sont trop lourd. Toutes les considérations afférentes à l odométrie visuelle simplifiée et à la trajectographie sont présentées dans (Albert, et al., 2013). Les études menées durant ce PFE ont permis pour la première fois de mettre en corrélation la trajectoire du système déterminée par tachéométrie (servant de référence) et celle déterminée à l aide de cette technique. Une analyse des fichiers d horodatages des images de chaque expérimentation à notamment été réalisée Acquisition des données Calibrage du système Pour chaque expérimentation il a été nécessaire de procéder pour chaque couple stéréoscopique à l orientation interne, au calibrage stéréoscopique et la rectification épipolaire. Ce calibrage en 3 étapes, effectué durant ce PFE et explicité dans les travaux de (Guittet, 2012), permet de corriger les images de chaque couple stéréoscopique et d assurer le bon fonctionnement des algorithmes implémentés pour les calculs d odométrie visuelle simplifiée automatique énoncés en Annexe N et expliqué par (Chavant, 2013). Avant chaque expérimentation, il a fallu procéder à la correction de la balance des blancs de chacune des caméras et définir un temps d exposition ainsi qu un gain adéquate afin d obtenir des images avec une bonne exposition et colorisation. Ces réglages sont importants, car même s il est possible de procéder à des traitements en aval, ils permettent d avoir une image plus fidèle à la réalité avec une homogénéité d éclairage et de colorimétrie entre chaque image, et de réduire les procédures de traitements pouvant affecter la qualité des images. Page 59

66 En ce qui concerne la synchronisation des prises de vue, elle est gérée par un nouveau générateur de basses fréquences produisant une impulsion toutes les 200ms (5Hz) ayant fait l objet de plusieurs tests et vérification durant mon PFE. Un contrôle de cette synchronisation a été réalisé lors de ce PFE suivant la même procédure qu employée par (Guittet, 2012) afin de s assurer du bon fonctionnement de l ensemble du dispositif d acquisition Traitements et analyse des données Fichiers d horodatages Pour l analyse des fichiers d horodatages (écrits au format.me0), nous avons calculé la différence de temps entre 2 images successives de chacune des caméras et la différence de temps entre les images prises à un même instant par une paire de caméra. Nous observons ainsi des erreurs semblables à celles rencontrées lors des travaux de (Guittet, 2012). C'est-àdire qu au lieu d obtenir un unique intervalle de temps de 200ms (pour une fréquence d acquisition à 5Hz) entre chaque photo prise par une caméra, nous avons un laps de temps soit de 203ms, soit de 187ms comme présenté sur la Figure 63. Ces erreurs entrainent donc un décalage dans l horodatage des images entre 2 caméras Marlin ou Pike comme illustré sur la Figure 62. D autre part, on remarque en rouge sur la Figure 63 des différences de temps soit bien supérieur soit bien inférieur à 200ms, traduisant une erreur dans l horodatage des images. Cependant, ces erreurs sont uniquement liées à l écriture du temps affecté à chaque image. En effet, bien que le fichier d horodatage semble annoncer des laps de temps différents entre deux images successives, les images ont en réalité bien été acquises avec un écart de 200ms. Figure 63 Différence de temps entre 2 mesures successives. Marlin droite, passage 1 dans tunnel de Niderviler. Figure 62 Différence de temps entre les images de 2 caméras Marlin. Passage 1 dans tunnel de Niderviler. En rouge sont les valeurs différentes de 0s traduisant une différence dans le temps affecté à une image prise par 2 caméras au même instant. Ainsi, le fichier d horodatages doit donc faire l objet d une rectification afin que les images de l ensemble des 4 caméras soit correctement horodatées, éléments importants si nous Page 60

67 souhaitons plus tard associer un temps à chaque variation angulaire (Omega, Phi, Kappa) des caméras entre chaque prise de vue. Trajectoire par Odométrie Visuelle Simplifiée (OVS). Les images prises par le couple de caméras Marlin permettent de déterminer la trajectoire (en planimétrie) du mobile en estimant le déplacement des caméras par rapport au piédroit du tunnel, soit leur avancement selon une abscisse curviligne et leur profondeur par rapport au mur. Dans le but d analyser la qualité des résultats de la trajectographie obtenus par odométrie visuelle simplifiée, nous avons pu durant ce PFE les comparer avec les résultats obtenus par tachéométrie. Ainsi en comparant les variations planimétriques du bateau déterminées à l aide de ces deux techniques, nous pouvons observer sur la Figure 65 une bonne corrélation malgré une légère différence sur l amplitude des variations planimétriques (plus faible dans le cas de l OVS). Cependant, lorsque l on confronte les calculs de vitesse du bateau à partir de ces 2 techniques, nous observons un léger systématisme (surestimation) d environ 2.5cm.s -1 (visible sur la Figure 64) ainsi qu une variation d amplitude bien plus importante pour les mesures de l OVS (environ 10 cm.s -1 au lieu de 1.5cm.s -1 en réalité) comme nous pouvons le voir sur la Figure 64. Figure 65 Variations planimétriques du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En bleu les résultats de l odométrie, en vert les résultats du suivi tachéométrique. Figure 64 Profil de vitesse du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En rouge la vitesse calculée par OVS, en bleu la vitesse calculé par tachéométrie. Ces écarts sont difficiles à quantifier mais nous pouvons faire l hypothèse qu ils sont liés à une sous estimation de la disparité-stéréo liée au changement de cap du mobile et/ou aux variations planimétriques du piédroit. En effet, en ce qui concerne les changements de cap du bateau, nous pouvons faire l approche suivante à partir des résultats obtenus : Page 61

68 L odométrie visuelle simplifiée fait l hypothèse que la trajectoire suivie par les caméras est parallèle au piédroit du tunnel, soit que la profondeur Z de chaque caméra par rapport au mur est constante entre chaque image. Cependant, le bateau ne suit jamais une trajectoire rectiligne, et les changements de cap peuvent être la source des erreurs rencontrées dans la détermination de la trajectoire et de la vitesse du bateau. Ainsi, à un même instant «t», si le bateau tourne à gauche, les éléments du mur (ex : Point A sur la Figure 66) sont vus en avance, ce qui entraine une surestimation de la vitesse du bateau. Dans Figure 66 Zone visualisée par les caméras lors de changements de cap du bateau affectant les résultats de l'odométrie visuelle. le cas contraire, lors d un virage à droite, le dispositif continue de visualiser des éléments déjà observés (ex : Point C sur la Figure 66) entrainant ainsi une sous-estimation de la vitesse. Dans le but d éviter ces changements de cap, et donc ces erreurs dans la détermination de la vitesse et des variations planimétriques du bateau, un passage a été réalisé en longeant la lisse du tunnel. Cette fois-ci, les résultats présentés en Annexe G (Expérimentation 3) nous montrent une meilleure détermination de la vitesse (toujours avec un systématisme de 2.5cm.s -1 ) mais une mauvaise corrélation en ce qui concerne la détermination des variations planimétriques du bateau. Sachant que les variations planimétriques du mobile déterminées par OVS dépendent de la forme du mur, une étude portée sur les variations planimétriques du piédroit a été réalisée afin de savoir si les importantes variations observées sur les résultats de l OVS sont bien liées à la forme du piédroit. Pour cela, nous avons réalisé deux coupes du tunnel dans le nuage de points lasergrammétrique acquis lors des travaux de (Tisserand, 2011). Une à hauteur des catadioptres (soit Z= m) et une à hauteur des plaquettes (Z= m) comme présenté sur la Figure. Ces coupes ont été réalisées sous le logiciel Trimble Realworks avec l outil «Inspection Map Analyzer» de la manière suivante : - Ajustement de 2 plans sur le nuage de points à hauteur des catadioptres et à hauteur des plaquettes avec un écart-type de 1cm. - Création de 2 coupes d une largeur de 5cm et perpendiculaires aux 2 plans précédemment créés. - Export au format ASCII des coupes sous la forme d une polyligne 3D. Après comparaison des variations planimétriques du mur et les données de l odométrie visuelle visible en Figure et en Annexe H, nous remarquons que les faibles variations planimétriques du piédroit ne sont pas à l origine des importantes variations dans la détermination de la trajectoire du bateau par OVS. En effet, nous observons des variations planimétriques de quelques centimètres sur le piédroit (de ±5cm par rapport à l axe du mur) contre une vingtaine de centimètre sur la trajectoire du bateau. Nous pouvons cependant remarquer une sensible corrélation entre la courbure du piédroit et la position du système en entrée de tunnel du côté de Niderviller (représenté en pointillé sur la Figure ). De plus, nous remarquons un pic au milieu de la trajectoire du bateau (décalage d environ 45cm) ; pic induit Figure 67 Coupes dans le nuage de points laser sous Trimble Realworks Page 62

69 Corniche Figure 68 Comparaison des variations planimétriques du piédroit (en Bleu) et des variations planimétriques du dispositif déterminée par OVS (en Vert). Les données lasergrammétriques ne se trouvent qu aux extrémités du tunnel. par la présence d une corniche (Figure ) au sein du tunnel et visible sur l ensemble des passages présentés en Annexe H. Ainsi, les variations planimétriques importantes observées sur la trajectoire du bateau par odométrie visuelle sont essentiellement dues à des changements de cap, bien que la forme du piédroit observé puisse entrainer des erreurs sur les calculs de l OVS. Figure 69 Corniche au centre du tunnel Conclusion et perspectives Les analyses portées sur les résultats de l odométrie visuelle simplifiée ont ainsi mis en évidence certaines limites du système. Bien que cette technique soit performante dans le cas où le mobile se déplace suivant une ligne droite et que les objets observés par le dispositif d inspection soient dans un même plan parallèle à la trajectoire du mobile, à partir du moment où ces conditions ne sont plus respectées, les résultats s en trouvent plus ou moins affectés. Le paramètre entrainant le plus d erreurs sur l estimation de la disparité-stéréo, et donc sur la détermination de la position planimétrique du système par rapport à l objet observé, serait donc le cap suivi par le bateau à chaque instant. De ce fait, si nous souhaitons obtenir de meilleurs résultats avec cette technique, il serait nécessaire de procéder aux mesures ou aux calculs des variations de cap du bateau et de les prendre en compte dans les calculs de l OVS. Cependant cette tâche ne sera pas simple à implémenter, d autant plus que nous souhaitons conserver le caractère automatique des algorithmes de traitements qui se présente comme l atout principal de cette technique. Dans la mesure où, actuellement, il n est pas possible de déterminer les variations de cap de l embarcation, il semblerait intéressant d analyser les résultats de l OVS automatisée dans le cas où les murs observés ne seraient ni plans, ni parallèles à la trajectoire du mobile qui serait quant à elle rectiligne. Ce test permettrait d observer l influence de la forme et position des structures observées sur la détermination de la trajectoire du système à l aide de cette technique. Page 63

70 5.3. OPÉRATIONS ET TRAITEMENTS PHOTOGRAMMÉTRIQUES Pour procéder à la modélisation tridimensionnelle des parties émergées des canaux urbains et tunnels canaux, le système s appuie sur les principes de la photogrammétrie afin de s allouer de toutes informations de trajectoires et d attitudes difficiles à obtenir dans les milieux sans couverture de signal GPS. Cette technique peut notamment permettre d obtenir la trajectoire du centre de perspectives de l ensemble des dispositifs de vue, cependant nous verrons que les procédures de traitements sont assez lourdes. D autre part, il n est pas simple d établir un lien entre les données photogrammétriques et les données actuelles du SONAR Acquisition des données Photographie du système Lors de chaque expérimentation le système d inspection a été photographié sous différents angles sur 360 afin de procéder à la création d un modèle tridimensionnel à l échelle du dispositif. Il est important de connaître certaines distances sur le dispositif afin de mettre à l échelle le modèle et pour déterminer les biais XYZ entre différents instruments. Photographie des canaux et tunnels-canaux En ce qui concerne les prises de vue des structures à inspecter, celles-ci sont, depuis les travaux de (Tisserand, 2011), réalisées à l aide de 2 paires de caméras Pike et Marlin de la technologie Allied Vision. Dans le cas de tunnels-canaux, ces caméras sont orientées selon 3 configurations différentes présentées en Structure initiale du système. Lors d expérimentations réalisées sur les canaux de Strasbourg, le dispositif a dû être modifié et réadapté sur une nouvelle embarcation, le «Gambsheim 1». Cette fois-ci les caméras ont été orientées de part et d autre du système afin de visualiser les digues bâbord et tribord en un seul passage lors de l avancement du bateau dans un milieu ou le signal GPS est de très mauvaise qualité. L acquisition et la synchronisation des images ont été gérées à l aide du nouveau générateur de basses fréquences. Ainsi, et comme observé lors de précédents travaux, cette fréquence d acquisition assure un bon compromis entre le recouvrement entre les images de chaque paire de caméras et la quantité d images générées Traitements et analyse des données Modélisation du système. Cette modélisation a pour but de déterminer la position de chacun des centres de prises de vue, les uns par rapport aux autres. De plus, le modèle étant mis à l échelle, il est possible de mesurer les biais XYZ entre différents appareils de mesure. La mise à l échelle du modèle étant réalisée après avoir renseigné certaines distances entre plusieurs cibles codées 8bits. Ces cibles, reconnaissables par le logiciel de traitements Photomodeler Scanner, ont pour but d automatiser l orientation des photos. Afin de déterminer la position du centre de prise de vue de chaque caméra, les quatre coins de ces dernières sont mesurés sur le modèle Photomodeler comme présenté sur la Figure 70 Partie du modèle 3D du système d'inspection du 11 Juin Le barycentre de ces quatre points donnant ainsi le centre de prise de vue. Page 64

71 Lors de ce traitement, le même problème que celui rencontré lors des travaux de Marchand est survenu. En effet, la reconnaissance automatique des cibles codées ne se faisant pas correctement, il a été nécessaire de procéder à l orientation manuelle des photos. Pour chacun des modèles, correspondant aux différentes configurations du système, nous avons obtenons un résultat final avec une erreur moyenne d environ 3 pixels. La mise à l échelle du modèle permet ensuite d avoir les dimensions du système et surtout de déterminer les biais XYZ entre les différents appareils de mesures ; informations importantes si nous souhaitons par la suite corriger les effets de cap, roulis et tangage d un échosondeur multifaisceaux à partir des informations provenant d une centrale inertielle ou des caméras. Figure 70 Partie du modèle 3D du système d'inspection du 11 Juin Modélisation de la voûte du tunnel-canal et des abords de canal. Avant de procéder à la réalisation du modèle tridimensionnel des éléments observés sous Photomodeler Scanner, il est nécessaire de rectifier et coloriser les images provenant des caméras Marlin et Pike après calibrage dont la procédure a été expliquée par (Tisserand, 2011). Ces premiers traitements, réalisés durant ce PFE à l aide du software Presto développé en interne, nous permettent de transformer les images brutes (.raw) en images visualisables (.jpeg), colorisées et corrigées de toutes distorsions radiales et tangentielles. Dans un deuxièmes temps il a été nécessaire de contrôler ces rectifications en vérifiant la correspondance des droites épipolaires et des points homologues entre les images de chaque paire de caméras pour chacune des expérimentations. Une fois ces corrections et contrôles réalisés, nous pouvons procéder à la création d un modèle 3D sous Photomodeler. Les différentes phases de traitements étant assez lourde (calcul des orientations relatives et recherches de points homologues), il est nécessaire de construire ce modèle en plusieurs étapes, par l intégration d une quantité raisonnable de photos à chaque calcul. D autre part, il est important de renseigner et de fixer dans le projet Photomodeler un certain nombre de points d appuis géoréférencés afin d obtenir un modèle tridimensionnel exact et d éviter les effets de courbures. Les points d appuis du site test de Niderviller et ceux de la Petite France qui ont été levés durant ce Projet de Fin d Études sont exposés en Annexe L et en Annexe M. Bien que Photomodeler soit un outil puissant pour procéder à la création de modèles photogrammétriques géoréférencés, ce logiciel est régulièrement sujet à un échec de traitements lorsqu il s agit de procéder à la création d un modèle 3D de grande envergure de la totalité de la voûte du tunnel. Ces échecs peuvent être la conséquence de plusieurs éléments : - Les photos proviennent de différentes caméras (Marlin, Pike, Canon) ayant des modèles de distorsion bien différents les unes des autres. - Le recouvrement entre les images Pike et Marlin est trop faible. - Les contraintes imposées par les points d appuis pour l ajustement du modèle ne s appliquent que sur un côté du tunnel. - Les calculs d orientations relatives et de correspondance entre les images étant à la fois longs et complexes, ils nécessitent un ordinateur ayant une unité centrale de traitement de grande capacité ainsi qu une mémoire vive et virtuelle importante. Page 65

72 Correspondance entre modèle Photogrammétrique et Image Sonar Bien qu il soit possible de procéder au géoréférencement du modèle 3D photogrammétrique par l apport de points d appuis connus en coordonnées, l image SONAR n est quant à elle pas géolocalisée ce qui rend difficile voir impossible la mise en correspondance entre les données du SONAR et celles des caméras. Cependant, des éléments bien particuliers comme des échelles d accès ou des corniches, permettent d établir un lien entre l image sonar et le modèle tridimensionnel des structures hors d eau. Ainsi, à l heure actuelle, il est possible de connaître approximativement la position des objets observés sur une image SONAR par rapport aux données photogrammétriques et d analyser la nature de ces objets comme sur la Figure ou encore en Annexe I. Échelle d accès Sousbassement Objet Poteaux Figure 71 Représentation 3D simplifiée du lien entre imagerie acoustique du sonar et photographies lors d une expérimentation menée dans le quartier de la Petite France. Conclusion et Perspectives Les éléments particuliers qui sont donc à la fois visibles sur le modèle 3D généré par photogrammétrie et sur le futur modèle généré par bathymétrie pourront servir de contrôle ou de points d appuis pour recaler ces 2 nuages de points. En effet, par l emploi de primitives géométriques (cylindre, plan, droite, etc.) sur les deux modèles et mise en correspondance de ces objets, il serait possible de consolider l ensemble des nuages de points provenant des deux systèmes d acquisitions et donc de géoréférencer les données bathymétriques à partir des données photogrammétriques. Page 66

73 CHAPITRE VI. CONCLUSION ET PERSPECTIVES L objectif principal de ce Projet de Fin d Études était de faire l étude de l ensemble des techniques d acquisitions bathymétriques existantes, de déterminer l appareil le plus adéquat pour l inspection tridimensionnelle des parties immergées de canaux urbains et tunnels-canaux et d évaluer les capacités du système d inspection actuel à accueillir un tel instrument de mesures. Les diverses études réalisées durant ces 6 mois de recherches ont permis d une part de répondre à ces problématiques, et d autre part de procéder à de multiples analyses sur la synchronisation des données et sur les calculs de trajectographies du système par tachéométrie ou odométrie visuelle simplifiée. L État de l Art a, dans un premier temps, permis de faire l inventaire de l ensemble des techniques d acquisitions subaquatiques plus ou moins précises possibles à ce jour. Par la suite, une étude plus approfondie sur la technologie employée pour chacun de ces instruments et sur leur fonctionnement nous a permis de déterminer les avantages et inconvénients de chacun d entre eux et de définir l appareil de mesure le plus adéquat pour ce projet de développement, soit l échosondeur multifaisceaux (SMF). Étant donné que ce type d instrument est extrêmement couteux, et qu il n est pour le moment pas possible pour le Laboratoire de Recherche de procéder à l acquisition d un tel système, une première liste de contacts avec lesquels il sera possible, soit de procéder à une prestation de service, soit à un prêt de matériels, a été établie. D autre part, de nombreuses sociétés s attèlent à ce même problème de positionnement dans des milieux ou le signal GPS n est pas présent et semble être intéressées par le développement d un tel projet. Leur contribution, notamment dans le domaine bathymétrique, pourrait être un atout de valeur si une convention de partenariat était signée. Suite à ces premières recherches, l emploi d un SONAR à balayage latéral mis à disposition par les Voies Navigables de France nous a permis d étudier les capacités du système d inspection existant à pouvoir accueillir un instrument de mesure subaquatique. Bien qu il soit possible d intégrer un tel instrument au dispositif actuel, l analyse des données acquises par ce type d appareil s avère être difficile pour deux raisons principales : la complexité de la propagation des ondes acoustiques dans un environnement confiné tel que les canaux urbains et tunnels-canaux et les mouvements du mobile sur lequel est fixé le système. En effet, les images SONAR présentent un grand nombre de déformations géométriques liées aux déplacements et à l orientation de l embarcation mais aussi des distorsions liées à la propagation des ondes dans un milieu confiné et à l incapacité du système à discriminer angulairement la provenance des échos. Dans la mesure où les distorsions entrainées par la propagation et la provenance des échos puissent être évitées avec un échosondeur multifaisceaux, les déformations induites par les changements d attitudes de l embarcation doivent nécessairement faire l objet d une correction suite aux mesures des valeurs de cap, roulis et tangage du système à chaque instant. Ainsi, lors de prochains tests avec un SMF, l utilisation d une centrale inertielle parfaitement hybridée avec l échosondeur sera indispensable afin d obtenir un nuage de points subaquatique précis. Page 67

74 Étant donné que la trajectoire du mobile ne peut être mesurée par GPS, celle-ci doit être déterminée à l aide d autres techniques : la tachéométrie, la photogrammétrie ou l odométrie visuelle. Les études réalisées durant ce projet de recherche ont, dans un premier temps, permis de constater et d analyser l origine des erreurs dans les fichiers d horodatages des mesures tachéométriques qui peuvent maintenant faire l objet d une rectification. Rappelons que l horodatage des données est un point extrêmement important dans le cas de mesures (photos et bathymétrie) acquises en dynamique. En effet la bonne synchronisation des mesures est un point indispensable si nous souhaitons par la suite rectifier justement chacune des impulsions acoustiques du SMF à partir des données de l odométrie visuelle simplifiée et/ou des données tachéométriques. Dans un second temps, les analyses portées sur les résultats de l odométrie visuelle simplifiée ont montré que cette technique, bien qu elle soit prometteuse de par sa simplicité et son automatisme de traitements, présente des limites dans la détermination de la trajectoire et de la vitesse du système inférée par les changements de cap du mobile affectant les calculs de disparité-stéréoscopique. La limitation de ces erreurs pourrait être envisageable en renseignant des informations sur les variations de cap du bateau, cependant les algorithmes implémentés jusque là s en trouveront grandement complexifiés au risque peut être de perdre le caractère automatique de cette technique. Ainsi, bien que la création d un modèle tridimensionnel photogrammétrique puisse s affranchir d un certains nombres de paramètres tel que la synchronisation des données et les calculs de trajectoire, il n en est pas du même ressort en ce qui concerne la création d un modèle 3D subaquatique bathymétrique. Il sera donc nécessaire, dans un premier temps, de coupler les informations provenant d une centrale inertielle et d un tachéomètre afin d obtenir des données bathymétriques rectifiées. Une attention particulière sera portée sur la synchronisation et l horodatage des mesures bathymétriques, tachéométriques et inertielles. D autre part, il sera aussi important de définir et déterminer précisément les biais XYZ entre les différents instruments de mesures du dispositif d inspection ainsi que leur orientation (notamment l inclinaison du sondeur multifaisceaux) afin d éviter tout systématisme. Dans le but d étudier la précision des futures mesures bathymétriques, il pourra être intéressant de mettre en place un modèle tridimensionnel subaquatique de référence. Pour cela, on pourra procéder au lever des parties immergées du tunnel-canal de Niderviller à l aide d un scanner SONAR bathymétrique (tel que le Teledyne BV5000 dont les données peuvent être traitées sous Leica-Cyclone) dont le fonctionnement en statique permettra de générer un nuage de points de référence pour les futures expérimentations en dynamique qui se baseront sur la trajectoire soit tachéométrique, soit photogrammétrique, soit odométrique. Par ailleurs, il peut s avérer être intéressant d étudier une possible corrélation entre les variations angulaires (oméga, phi, kappa) des caméras lors des calculs d orientations relatives et les variations d attitudes (cap, roulis, tangage) d une centrale inertielle afin de savoir s il est possible de s affranchir de cette dernière. Prochainement, une thèse aura pour objectif de mettre au point ce système d inspection des tunnels canaux permettant une reconstruction 3D texturée et géoréférencée de l intégralité des tunnels dont la localisation précise se fera à partir des informations visuelles issues des caméras. De plus, ces futures études permettront de mettre au point une méthode de fusion automatique des données issues des deux systèmes d'acquisition 3D. Le futur doctorant pourra s appuyer sur les travaux de recherches réalisés durant ce PFE afin de procéder aux premières mesures tridimensionnelles des parties immergées des tunnels canaux et canaux urbains. Page 68

75 VII. TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure 1 Principe de fonctionnement d'un sondeur monofaisceau (source web: OzCoasts.gov) 7 Figure 2 Faisceaux d émissions et de réceptions croisés (source : SHOM,2005) 9 Figure 3 Modèle 3D obtenu à l'aide d'un sondeur multifaisceaux sur le port de Marseille source : (Fraleu, et al., 2006). 10 Figure 4 Combinaison de mesures LiDAR et Sondeur multifaisceaux (source : CIDCO & Mosaic3D) 10 Figure 5 : Signal d'un émetteur CHIRP (a) et signal d'un émetteur classique (b) source : INTECHMER (2007) 13 Figure 6 Représentation 3D du fond de la New River en Floride sondé avec le SONAR EdgeTech 4600, source : Nick LAWRENCE, Directeur, Développement des affaires internationales EdgeTech. 14 Figure 7 Visualisation en temps réel des données acquises par le SONAR EdgeTech 4600, source : Philippe GOARANT, Responsable Hydrographique MacArtney France. 14 Figure 8 AquaPix INSAS2 intégré au robot Alister 18 de chez ECA Robotics. Source : Kraken SONAR System Inc. 15 Figure 9 Caméra acoustique Echoscope montée sur une pelle de manutention pour la pose d'enrochement (à gauche), visuel tridimensionnel en temps réel (à droite) Source : Coda Octopus ( 17 Figure 10 Teledyne Blue View BV5000 sur trépied avec tête panoramique et d'inclinaison. source : Documentation BlueView 19 Figure 11 Inspection d'une sortie de groupe de restitution, source : Présentation générale 2014 de la société Sub-C Marine. 19 Figure 12 Schéma de principe d un LiDAR bathymétrique. A gauche le faisceau laser topographique (Infrarouge), à droite le faisceau laser bathymétrique (Bleu-Vert). Pour chaque faisceau est représenté le train d onde retour. Source : (Mandlburger, et al., 2013) 21 Figure 13 : Scanner laser 3D sous-marin produit par Teledyne CDL INSCAN et mis au point par la société Américaine 3D at depth. Source : brochure Teledyne. 23 Figure 14 Résultats d'une campagne LiDAR sub-aquatique menée à 7000 pieds de profondeur à l'aide du scanner laser sous-marin SL1 (INSCAN) par 3D at Depth. Source : 23 Figure 15 Orientation des caméras Pike (en rouge) et Marlin (en bleu) du système d'inspection. L'angle indiqué correspond à l'orientation des caméras Pike. (inspiration [Tisserant,2011]). 26 Figure 16 Configuration du système d'inspection en date du 18 mars Figure 17 SONAR latéral STARFISH 452F, source : Doc. technique Tritech 27 Figure 18 Distinction de 2 objets rapprochés par l'emploi d'un signal modulé en fréquence. Source : Guide programmeur StarfishSDK 28 Figure 19 Spectre fréquentiel de la tension excitant les antennes du Starfish 452F. 29 Figure 20 Tension excitant les transducteurs bâbord et tribord du Starfish 452F. On remarque que l effet CHIRP et la mise en phase des signaux bâbords et tribords se fait correctement. 29 Figure 21 Courbe représentative de la Loi de TVG du Starfish 452F. On remarque que l amplification de l écho capté par le SONAR commence à partir de 6m. 30 Figure 22 Illustration de l'amélioration de la résolution transversale du système SONAR en fonction de la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan vertical, en bas l'image SONAR résultante. 31 Figure 23 Illustration de la détérioration de la résolution azimutale du système SONAR en fonction de la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan horizontal, en bas l'image SONAR résultante.. 32 Figure 24 Illustration de la cellule de résolution du SONAR et son évolution en fonction de l'éloignement et l'angle d'incidence. 33 Figure 25 Illustrations des 4 zones spécifiques sur une image SONAR acquise sur les canaux de Strasbourg le 11 Juin Figure 26 Rotule pour l'orientation du SONAR. 36 Figure 27 Fixation du SONAR sur la structure principale du système. 36 Figure 28 Orientation du SONAR à 45. Test pour l'inspection des structures verticales. 36 Figure 29 Orientation du SONAR à l'horizontale permettant principalement d'imager le fond du canal. 36 Page 69

76 Figure 30 Orientation du SONAR à 75. Test pour l'inspection des structures verticales avec visée rasante.. 36 Figure 31 Image SONAR post-traitée. Le piédroit droit du mur observé par le transducteur gauche est redéfini sur la partie droite de l'image. On remarque sur la partie gauche une bande sombre correspondant à l écho du transducteur droit orienté vers la surface de l eau. (diffusion de surface) 37 Figure 32 Image SONAR non traitée. Le piédroit droit du mur observé apparait du côté gauche de l'image. La partie droite étant uniquement la duplication de l'image de gauche par le transducteur droit (effet de diaphonie). 37 Figure 33 Illustration schématique du dispositif de mesure sur le «Gambsheim 1» 38 Figure 34 Schéma explicatif pour la détermination de la hauteur d'un objet. 40 Figure 35 Illustration de l'effet "ghosting" sur un échosondage entre Niderviller et Arzviller. Sortie de tunnel côté Arzviller 42 Figure 36 Illustration de la diaphonie lors de l'échosondage du premier tunnel-canal entre Nierdeviller et Arzviller. A droite, l écho vrai du mur, à gauche l effet de diaphonie. 42 Figure 37 Thermocline affectant une image SONAR. Source : 43 Figure 38 Distorsion causée par un changement de direction (virage) lors d une expérimentation dans les canaux de Strasbourg. 44 Figure 39 Diffusion de surface observée dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller après inclinaison du SONAR à 45 degrés. 44 Figure 40 Déformations provoquées par le soufle de l'hélice du bateau. Expérimentation du 11 juin 2014 sur les canaux de Strasbourg 45 Figure 41 Exemples de bruits sonores affectant une image SONAR dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller. 46 Figure 42 Illustrations des effets de raccourci sur une image SONAR. 47 Figure 43 Illustrations de l'effet de repliement. 47 Figure 44 Effet de repliement sur les murs immergés du tunnel-canal de Niderviller lors d un passage du SONAR à plat (flèche blanche). 48 Figure 45 Illustration de l'interaction de l'onde sonore en fonction de l'angle d'incidence. L'onde rouge, ayant un angle d'incidence de 0, est fortement rétrodiffusée par rapport à l'onde en bleu. Ainsi on aura une ligne de forte intensité au niveau de l onde sonore rouge. 48 Figure 46 Illustration des ondes formant l'écho du pied de mur. En rouge l'onde rétrodiffusée, en orange et bleu des ondes ayant subi de multiples réflexions avant d'être assimilées comme étant l'écho du pied de mur. On aura ainsi un signal retour de forte intensité à ce niveau. 48 Figure 47 Illustration de la projection sur le plan horizontal de la structure verticale observée. Plus on s'éloigne du mur, moins le côté insonifié de celui-ci est visualisable sur l'image résultante. On remarque que les éléments présents entre 2-4 et 3-4 sont superposés. 49 Figure 48 Ombres portées des murs recouvrant 75% de l'image SONAR. L'analyse est donc portée uniquement sur la partie centrale de l'image, entre les 2 zones délimitées par les murs immergés. 49 Figure 49 Illustration de l'effet de roulis d'un SONAR incliné d un angle ϴ 50 Figure 50 Illustration de l'effet de cap d un SONAR dérivant d un angle ϴ 51 Figure 51 Illustration de l'effet de tangage d'un SONAR incliné d'un angle ϴ 51 Figure 52 Distorsions induites par les variations de vitesse du SONAR sur une portion d image du transducteur tribord lors d une expérimentation dans les canaux de l Ill. En (A) compression de l image lors d un ralentissement, en (B) image correctement rectifiée, en (C) étirement de l image lors d une accélération. 52 Figure 53 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l expérimentation n 2 du 18 mars En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. L écart moyen quadratique (emq) étant de 42ms. 54 Figure 54 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l expérimentation n 3 d Octobre 2014 avec le Trimble VX. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. 55 Figure 55 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l expérimentation n 4 d Octobre 2014 avec le Trimble S8. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. 55 Figure 56 Vitesse du bateau lors du passage n 2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la différence de temps entre chaque enregistrement. 55 Figure 57 Vitesse du bateau lors du passage n 2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la valeur médiane du temps écoulé entre chaque mesure. 56 Figure 58 Illustrations du défaut mécanique compensé de l'appareil lors de l'enregistrement des mesures à 2.5Hz 56 Page 70

77 Figure 59 Calcul de vitesse en fonction du temps issu de l'horodatage (graphique du haut) et en fonction du temps médian (graphique du bas). Les valeurs en rouge représentent des 'outliers' au minimum de ±5% de la valeur médiane sur une fenêtre de 11 valeurs à chaque instant. Expérimentation n 1, passage aller, Petite France. 57 Figure 60 Profil de vitesse déterminé à partir des temps issus du fichier d horodatage filtré. Expérimentation n 1, passage aller, Petite France. 58 Figure 61 Profil de vitesse déterminé à partir des temps issus du fichier d horodatage non filtré. Expérimentation n 1, passage aller, Petite France. 58 Figure 62 Différence de temps entre 2 mesures successives. Marlin droite, passage 1 dans tunnel de Niderviler. 60 Figure 63 Différence de temps entre les images de 2 caméras Marlin. Passage 1 dans tunnel de Niderviler. En rouge sont les valeurs différentes de 0s traduisant une différence dans le temps affecté à une image prise par 2 caméras au même instant. 60 Figure 64 Variations planimétriques du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En bleu les résultats de l odométrie, en vert les résultats du suivi tachéométrique. 61 Figure 65 Profil de vitesse du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En rouge la vitesse calculée par OVS, en bleu la vitesse calculé par tachéométrie. 61 Figure 66 Zone visualisée par les caméras lors de changements de cap du bateau affectant les résultats de l'odométrie visuelle. 62 Figure 67 Coupes dans le nuage de points laser sous Trimble Realworks 62 Figure 68 Comparaison des variations planimétriques du piédroit (en Bleu) et des variations planimétriques du dispositif déterminée par OVS (en Vert). Les données lasergrammétriques ne se trouvent qu aux extrémités du tunnel. 63 Figure 69 Corniche au centre du tunnel 63 Figure 70 Partie du modèle 3D du système d'inspection du 11 Juin Figure 71 Représentation 3D simplifiée du lien entre imagerie acoustique du sonar et photographies lors d une expérimentation menée dans le quartier de la Petite France. 66 Page 71

78 VIII. BIBLIOGRAPHIE Albert, J-L, et al. [2013]. Devising a visual inspection system for canal tunnels: preliminary studies. XXIV International CIPA Symposium. 2-6 Septembre 2013, Vol. XL-5/W2, pp Amate, A., Hétet, A. et Legris, M. [2007]. Le Sonar à antenne synthétique, application à la guerre des mines. [éd.] CIDB. Acoustique & Techniques. 2007, 48, pp Beyer, R. [1998]. Sounds of our times - Two hundred years of acoustics. Springer-Verlag New York, Inc., ISBN Billon, D. et Fohanno, F. [2002]. Two improved ping-to-ping cross-correlation methods for synthetic aperture sonar: theory and sea results. OCEANS '02 MTS/IEEE. 2002, Vol. IV, pp Bisquay, H. [2010]. Cours sur la Bathymétrie. [éd.] GENAVIR. [Support de cours] Bisquay, H. [1999]. Cours sur les sondeur acoustiques. [éd.] Service Hydrographique et Océanographique de la Marine. Support de cours. Brest, Brahim, N. et al. [2014]. Reconstruction tridimensionnelle de scènes sous-marines à partir de séquences d'images acquises par des caméras acoustiques. Département Image et Traitement Information, Département des sciences géomatiques, Télécom Bretagne et Université Laval. Brest, Mémoire de Thèse. Chavant, P. [2013]. Evaluation absolue de méthodes de localisation et de reconstruction panoramique et photogrammétrique d'un tunnel à partir d'un nuage de points de référence. INSA. Strasbourg, p. 135, Mémoire de soutenance de diplôme d'ingénieur INSA. Delachienne, LV. [2009]. Systèmes sonars latéraux déployés au SHOM. Navigation. 2009, Vol. 57, 227, pp Dezhang, C. et C. Hufnagle, L. [2006]. Time varying gain measurement of a mutlibeam echo sounder for applications to quantitative acoustics. IEEE, p. 6., E-ISBN: Dong, Y. [2007]. Phased Array Radar Data Processing Using Adaptive Displaced Phase Centre Antenna Principle. Department of defense, Australian government. Defence Science and Technology Organisation, p. 54, Rapport de recherche. DSTO-RR Embry, C., Hardy, M. et Nickerson, B. [2012]. High Resolution 3D Laser Imaging for Inspection, Maintenance, Repair and Operations. 3D at Depth, RPSEA, Rapport Final de phase Fraleu, B., Vincenot, Y. et Denivet, F. [2006]. Modélisation 3D au service de l'inspection d'ouvrages portuaires immergés. XYZ. 2006, Vol. 4e Trimestre, 109. Page 72

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82 IX. ANNEXES A. Les différents types de détection du fond B. Propagation des ondes acoustiques dans l eau et caractéristiques physiques C. Instrumentations complémentaires D. Contenu du fichier CSV du SONAR E. Analyse des fichier de synchronisation ME0 des caméras F. Analyse des données tachéométriques G. Analyse des résultats de l OVS H. Analyse coupe du tunnel I. Mise en relation entre données SONAR et données photogrammétriques J. Liste de contacts K. Points topographiques Petite France L. Points de détails Petite France M. Points de détails Tunnel de Niderviller N. Principe de l OVS automatique Page 76

83 A. LES DIFFÉRENTS TYPES DE DÉTECTION DU FOND Une fois les faisceaux formés pour chacune des directions considérées, la détection du fond suit un processus d analyse afin de déterminer le temps de vol et l amplitude du signal acoustique émis. La mauvaise détection du fond marin peut être, entre autres facteurs, liée à une mauvaise performance des algorithmes employés pour cette détermination. Ces algorithmes sont de deux types : La détection de fond par amplitude : Un ensemble de transducteurs va émettre en direction du fond marin une impulsion acoustique puis démarre la période dite «d écoute». Durant cette phase, le signal retour est échantillonné dans le temps pour chaque angle de faisceau. Le temps de vol du signal, correspondant au fond détecté, est ainsi défini par l analyse de l amplitude du signal retour (Lurton, 1998). Dans ce cas plusieurs méthodes, présentées dans le manuel de l hydrographie (IHO, 2005), sont employées par les échosondeurs sondeurs multifaisceaux pour détecter le fond : - Le Front montant du signal réfléchi. Cette méthode est généralement utilisée lorsque l angle d incidence des signaux acoustiques sur le fond marin est approximativement de zéro degré (faisceau suivant un axe zénithal). L instant de détection du fond est ainsi assimilé au premier retour de signal à l intérieur du faisceau. Cependant, avec l augmentation de l angle d incidence, le signal retour perd sa forme bien caractéristique en pointe (pic d intensité d une très courte durée), et cette méthode ne devient plus exploitable. Ainsi trois autres méthodes, prenant en compte la variation de l intensité des échantillons dans l empreinte du faisceau, ont été déployées afin de palier à ce problème. - L Instant d Amplitude Maximale (IAM). Dans ce cas, la détection du fond est l instant correspondant au maximum du signal temporel reçu dans un faisceau sonore. Cette méthode fonctionne bien si la forme de l enveloppe de l impulsion étalée est suffisamment régulière, il faut donc que la structure du fond n influe pas sur la forme d enveloppe du signal reçu, donc que le fond ou l objet soit plat et régulier à l échelle de l empreinte du faisceau considéré. La Figure 68 présente un exemple de détection par amplitude suivant 3 directions différentes. - La Direction d Amplitude Maximal (DAM). L estimation de l angle correspond au maximum d énergie parmi un éventail de voies fermées à un instant donné comme illustrée sur la Figure 67. A(t 0 ) t 0 ϴ 0 ϴ 0 ϴ Figure 67 Mesure DAM. A un instant t 0 est détecté le niveau d'énergie maximal donnant la direction d'arrivée ϴ 0. - Centre de gravité du signal réfléchi. Cette méthode consiste à déterminer l instant correspondant au centre de gravité du signal d amplitude, soit le barycentre de l enveloppe du signal. N.B. : L énergie reçue définit la qualité de la détection du fond et l exactitude de cette détermination est meilleure dans le cas où le signal est fort et bref. Page 77

84 Figure 68 : Exemple de détection par amplitude sur des faisceaux dépointés d'un angle ϴ. Source : (Vincent, 2013) La détection par différence de phase (Interférométrie): Dans le cas où le faisceau a un angle d incidence élevé avec la surface de réflexion, l écho renvoyé n est plus fort ni bref, tout comme dans le cas où la surface du fond n est pas plate. L enveloppe du signal s étale et la méthode de détection par amplitude n est plus appropriée. Par conséquent, le procédé de détection par différence de phase est plus adapté. Selon (Lurton, 2001), les systèmes de mesures bathymétriques peuvent employer 2 types de détection basée sur la phase du signal reçu : - La Direction de Différence de Phase (DDP). Cette méthode, largement employée par les SONAR par interférométrie, consiste à mesurer la différence de phase entre deux transducteurs, à un instant t donné, afin de déterminer la direction angulaire du point de sonde. Cependant, bien que cette méthode ait un avantage certain dans le cas de grand fond plat et sur une large fauché, dans le cas de structures verticales elle fait l objet d une ambigüité de mesure sur la différence de phase ne permettant donc pas de déterminer l angle du trajet considéré par rapport à l axe de l interféromètre. De plus, il est impossible de réaliser des mesures à la verticale, ou plus particulièrement lorsque le signal émis est perpendiculaire à la surface du fond. - L Instant de Déphasage Nul (IDN). Souvent employé par les sondeurs multifaisceaux de grands fonds, cette technique consiste à diviser l antenne de réception en deux sous-antennes. Ainsi, chacune d entre elle forme une voie dans une direction prédéfinie permettant de mesurer la différence de phase entre les deux sorties de voies. L instant de déphasage nul sur la rampe de phase correspond donc au centre le l empreinte du faisceau comme présentée sur la Figure 69. Page 78

85 Figure 69 : Exemple de détection par instant de déphasage nul. Source : (Vincent, 2013) Ainsi, afin de déterminer le fond de manière la plus juste possible, une combinaison des deux techniques (amplitude et phase) de mesures est nécessaire. Près du nadir, la détection par amplitude doit être utilisée en raison du fait que les faisceaux sont de trop courtes durées pour permettre la détection du passage à zéro de la rampe de phase. Lorsque les rayons sont dépointés de la verticale, la détection de phase est plus appropriée ; cependant la détection par amplitude peut être utilisée lorsqu un plus fort retour de signal est causé par les différences de propriétés de réflectivité d une cible. Des explications plus approfondies des méthodes de détections des positions des points de sonde sont développées par (Lurton, 2001) Page 79

86 B. PROPAGATION DES ONDES ACOUSTIQUES DANS L EAU ET CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES Les ondes acoustiques, qu elles soient sonores ou ultrasonores, possèdent une très bonne pénétration et propagation dans tous milieux élastiques ayant la capacité de vibrer lorsqu ils sont soumis à des variations de pressions. Ainsi la majorité des émetteurs et capteurs utilisés pour la détermination de fond marin utilise des ondes acoustiques. Cette partie consiste donc, en s appuyant sur le Manuel de l Hydrographie, à présenter les caractéristiques physiques d une onde acoustique et les éléments ayant une influence sur la propagation de celle-ci. Le champ acoustique Les ondes acoustiques consistent en une variation du champ de pression dans l eau. Les particules d eau se déplacent longitudinalement, d avant en arrière, dans la direction de propagation de l onde acoustique, produisant des zones de compressions et d expansions adjacentes. L intensité «I» d une onde acoustique correspond à la quantité d énergie transportée par unité de surface perpendiculairement à la trajectoire de l onde, à chaque seconde. Elle s exprime de la manière suivante : Avec p la pression acoustique (Pa) ρ la masse volumique de l eau c la vitesse du son dans l eau Cette intensité est calculée à partir d une pression acoustique moyenne plutôt que des valeurs instantanées. Du fait de leur large champ de variation, la pression acoustique et l intensité sont exprimées suivant un modèle logarithmique basé sur le niveau de pression et d intensité, soit un niveau d intensité acoustique exprimé en décibels définit par la relation suivante : ( 8 ) ( 9 ) avec I, l intensité acoustique de la source I ref, l intensité acoustique de référence (10-12 W/m²) L équation du SONAR L équation du SONAR actif permet, selon (Guillé, 2008), d évaluer le niveau d émission (en db) en précisant les conditions dans lesquelles ont lieu les mesures et en définissant les réglages du SONAR ainsi que les caractéristiques de la cible (soit l index de cible, plus communément désigné par «Target Strenght» en db). Le bruit ambiant gêne à la bonne réception du signal réfléchi. Ainsi les traitements d antenne et les algorithmes de traitement du signal (filtrage fréquentiel et spatial de tous les bruits environnants) vont permettre de réduire l influence de ce bruit. Le SONAR actif va donc détecter une cible à partir du moment où l écho de celle-ci est supérieur à la somme des bruits de fond et du seuil de déclenchement de la détection (paramètre réglable en modifiant la sensibilité de l appareil). Afin de mesurer un indice de rétrodiffusion précis, l équation du SONAR actif, définit par (Nait- Chabane, 2013) et basée sur les modèles mathématiques caractérisant le phénomène de rétrodiffu- Page 80

87 sion des ondes acoustiques brillamment détaillé par (Le Chenadec, 2004), permet d établir un processus de correction du signal sonore. Son équation est la suivante : Avec : ER, Énergie du signal en fin de chaîne d acquisition, soit le niveau de l onde sonore émise par le SONAR pendant une courte durée, selon une bande de fréquences donnée, et en modulation de fréquence (FM) autour de la fréquence centrale de l émetteur. Celle-ci est exprimée en db NIS (Niveau Isotrope Spectral) 1. NE, Niveau émis par le système dans la colonne d eau. PT, Pertes par propagation. Elles représentent l affaiblissement du signal durant sa propagation dans le milieu sous-marin, du à la divergence géométrique (simplifiée en divergence sphérique en grands fonds) et à l absorption (atténuation volumique induite par la transformation d une partie du son en chaleur). BS, Indice de rétrodiffusion du fond correspondant brièvement au rapport de l énergie renvoyé sur l énergie incidente. AI, Aire insonifiée. SH, Sensibilité des antennes en réception, ou seuil de détection. Ce seuil dépend de la valeur choisie pour les probabilités de détection et de fausses alarmes du système. Intervient aussi pour la détermination de ce paramètre, la largeur de la bande de fréquences modulées émise et reçue, ainsi que le temps d intégration du récepteur. GT, Gain de traitement de l onde modulée en fréquence en fonction de sa durée d émission. Plus l impulsion émise est longue, plus l écho en retour durera, et plus le transducteur accumulera de signal utile permettant de faire la différence avec le bruit ambiant. FD, Fonction de directivité des antennes. En focalisant la réception du signal suivant une direction donnée, on peut diminuer le niveau du bruit sonore et donc améliorer la qualité de détection. Cette équation (10) met donc en évidence les différents paramètres du SONAR, permettant la formation d une image intelligible : Les paramètres intrinsèques au système, dont l intégration permet de corriger les paramètres internes du SONAR, soit sa fréquence d émission, sa durée d impulsion, son cycle d émission, le rendement de son antenne, etc. Ils sont définis dans l équation (10) par (NE, AI, SH, GT, FD). Les paramètres «extrinsèques» au système, dépendant du milieu de propagation et d interaction. Les termes (PT et BS) de l équation (11) sont dus aux caractéristiques de l environnement et des fonds marins. ( 10 ) 1 Le Niveau Isotrope Spectral représente la puissance de bruit observée sur un capteur omnidirectionnel dans une bande de fréquence de 1Hz. Source : (Technologie générique de l'intervention sous-marine, 1990) Page 81

88 La température Les variations de températures dans la colonne d eau ont une influence sur la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l eau. En effet une variation de 1 C entraine approximativement une diminution ou une augmentation de la vitesse de l onde de 4,5m.s -1. La température est le paramètre le plus influent pour la détermination de la vitesse du son entre la surface de l eau et la limite inférieur de la thermocline, après laquelle la pression devient le principal facteur. La salinité La salinité correspond à la quantité totale de sel et de minéraux dissoute dans l eau en partie par millier. En pratique, la salinité est déterminée en fonction de la quantité de chlore présent dans la colonne d eau, la conductivité électrique, l indice de réfraction et plusieurs autres éléments ayant une influence sur ce paramètre. Cependant, sa mesure a été simplifiée et peut être exprimée uniquement en fonction de la chlorinité de l eau par : A noter qu une variation de salinité de 1 entraine un changement de la vitesse de l onde acoustique d environ 1,3 m.s -1 La pression La vitesse du son est notamment fortement influencée par les variations de pression. La pression est fonction de la profondeur. On peut observer de manière approximative une variation de la vitesse du son de 1,6 m.s -1 pour un changement de pression de 10atm (ce qui correspondant à bars ou encore à une hauteur d eau de 100 mètres). La densité La densité de l eau est dépendante de l ensemble des paramètres énoncés précédemment. Cet élément varie peut et ne dépend que de la compressibilité de l eau en fonction de la profondeur. On estime que la densité de 50% des eaux de mers et océans est d environ 1027,8kg.m -3. La rétrodiffusion des ondes acoustiques La rétrodiffusion est la capacité du fond à renvoyer l énergie sonore dans la direction du système émetteur. Suivant (Lurton, 1994), la rétrodiffusion d une onde dépend de plusieurs éléments composant les fonds marins : - La réflexion spéculaire cohérente à la verticale. Cette composante a en réalité une faible importance du fait du faible rapport longueur d onde du signal sur hauteur de relief généralement rencontré. Cependant celle-ci est notable dans le cas inverse, soit dans notre situation actuelle où nous procédons à l inspection de tunnels canaux ayant une faible profondeur sous eau, et aussi lorsqu on utilise des signaux sondeurs de basses fréquences sur des sédiments à faible rugosité. - La rétrodiffusion par le micro-relief de l interface aux incidences proches de la verticale. Celle-ci diminue rapidement quand l angle d incidence du faisceau augmente, d autant que la variance des pentes du relief est faible. En figure 75 nous pouvons voir un exemple de réverbération de fond, réalisé par Gilles LE CHENADEC et Xavier LURTON, synthétisant le modèle de Brekhovskikh et Lysanov pour différents types de fonds. Page 82

89 - La rétrodiffusion par les inhomogénéités du sédiment traversé par l onde acoustique. Cette composante ne dépend que peu de l angle d incidence. Ainsi, de manière plus global, l indice de rétrodiffusion d une onde par le fond décroit très rapidement depuis de faibles angles d incidences avant de se stabiliser au-delà d environ 20. Ce comportement résulte à la fois de la dépendance angulaire de l indice de rétrodiffusion, et de l effet géométrique de la surface de fond localement insonifiée, aussi limité par l ouverture de l échosondeur utilisé, qu il soit monofaisceau ou multifaisceaux. Figure 70 Exemple d'indice de rétrodiffusion calculé par les modèles de Brekhovskikh et Lysanov. Source : (Le Chenadec, 2004) Pertes d énergie d une onde acoustique Une onde acoustique perd en énergie en fonction de son avancement dans le milieu dans lequel elle se propage. Dans un environnement aqueux, la perte d énergie d une onde acoustique est essentiellement due à deux principes énoncés par (Nait-Chabane, 2013) : la divergence sphérique et l absorption. Pertes par divergence sphérique : Une onde acoustique, depuis son émission en sorti de transducteur, se propage sur une surface de plus en plus large, entrainant ainsi une diminution de l intensité du signal proportionnelle à cette surface. Cette décroissance de l intensité du signal entre 2 points correspond à l inverse du rapport des surfaces des deux sphères en question: Avec R 1 et R 2 les rayons des sphères par rapport à l origine de l émission du faisceau. Pertes par absorption : L affaiblissement du niveau du signal est dans ce cas le résultat de réactions chimiques. Une partie de l énergie acoustique du signal se transforme en énergie thermique par dissipation, du fait des frottements de l eau de mer avec l onde acoustique. Cette perte peut être exprimée par : Avec : α w le coefficient d absorption (en db/km). Ce coefficient dépend de la température, de la salinité, de la pression et de la fréquence de l onde émise. R(t), la distance (en km) parcourue par l onde acoustique jusqu au point considéré. Plus de précision au sujet de ces pertes d énergie sont présentées dans (Lurton, 2010) Page 83 ( 11 ) ( 12 )

90 C. INSTRUMENTATIONS COMPLÉMENTAIRES Dans cette partie, et à partir des informations fournies par le manuel de l hydrographie (2005), sont présentés les appareillages nécessaires pour la détermination des propriétés physiques de l eau (généralement celles des mers et océans) ayant une influence certaine sur la propagation des ondes acoustiques ainsi que leur principe de fonctionnement. Le Célérimètre Le célérimètre est l instrument le plus utilisé pour établir le profil de la vitesse du son dans la colonne d eau à l instant de la mesure. Cet appareil possède un capteur de pression ainsi qu un transducteur et un réflecteur afin de mesurer une certaine profondeur. La vitesse du son est calculée à partir de son temps de vol, soit le temps mis pour réaliser le trajet aller-retour entre le capteur et le fond marin (mesure similaire à celle effectuée par un écho sondeur) Le Thermistance Il s agit d un capteur dont la résistance électrique varie en fonction de la température, soit de la quantité de rayonnement thermique, ou flux de chaleur provenant de l eau. Des chaînes de thermistances sont déployées pour mesurer la température de l eau à différentes profondeurs dans la colonne d eau. Ces chaînes consistent en un ensemble de capteurs régulièrement espacés le long du câble. Un enregistreur de données échantillonne chaque mesure de manière séquentielle et enregistre la température en fonction du temps. La sonde CTD (Conductivity, Temperature, Depth) Ce type de sonde mesure à la fois la profondeur, la température, la salinité et la turbidité de l eau. Cet instrument enregistre la salinité de l eau en mesurant directement sa conductivité électrique. La vitesse du son varie en fonction de l élasticité et la densité du milieu dans lequel il se trouve, paramètre dépendant de la salinité, de la température et de la pression. Ainsi l emploi d un tel système, va permettre d établir un profil des différentes propriétés physiques de l eau en fonction de la profondeur, et avec un pas d échantillonnage de quelques centimètres. Avec ces différentes informations, il devient donc possible, en utilisant l équation de Coppens 1, de déterminer la vitesse dans l eau à différente profondeur : ( 13 ) Où T : la température en degré Celsius ( C) S : la salinité en parties par millier Z : la profondeur en kilomètre φ : la latitude du point de sonde 1 Coppens, Simple equations for the speed of sound in Neptunian waters (1981) J. Acoust. Soc. Am. 69(3), pp Page 84

91 D. CONTENU DU FICHIER CSV DU SONAR Ce format de fichier exporte un type de données par ligne où le premier élément de la ligne correspond à l intitulé du type de données qui suit sur cette même ligne. On peut retrouver 6 types de données (messages) différentes selon la configuration effectuée lors de l export du fichier : - Depth Data : Correspond à la mesure approximative de la hauteur du SONAR par rapport au fond. - Heading Data : Définit le cap suivi par le SONAR. - Position Data : Donne des informations sur la position XYZ de l embarcation à partir d un récepteur GPS décodant les trames GLL, GSA, GSV, HDG, RMC et VTG d un message au format NMEA Sidescan Data : Correspond aux données du SONAR latéral captées par le transducteur tribord ou bâbord. - Velocity Data : Donne la vitesse de déplacement de l embarcation et donc du SONAR à partir des informations captées par l antenne GPS. - Waveform Data : Ces données sont utilisées pour procéder au débogage et à l analyse des données de forme d onde enregistrées par le SONAR. Pour décoder les informations relatives à ces messages, on peut utiliser le tableau suivant : Depth Data N de champ Description Informations 1 Chaîne de caractère «DPT» Caractère identifiant le type de données sur le reste de la ligne, ici la profondeur 2 Horodatage Heure et date à laquelle le message à été écrit dans le logfile. 3 Profondeur Profondeur sous SONAR approximative en mètre. Heading Data N de champ Description Informations 1 Chaîne de caractère «HDG» 2 Horodatage Caractère identifiant le type de données sur le reste de la ligne, ici le cap Heure et date à laquelle le message à été écrit dans le logfile. 3 Cap Cap vrai en degrés Position Data N de champ Description Informations 1 Chaîne de caractère «POS» 2 Horodatage 3 Latitude Caractère identifiant le type de données sur le reste de la ligne, ici la position Heure et date à laquelle le message à été écrit dans le logfile. Latitude en degré décimale. Une valeur positive représente le Nord Page 85

92 4 Longitude Longitude en degré décimale. Une valeur positive représente l Est 5 Zone Identifiant de la zone UTM 6 Nord La valeur UTM Nord en mètre 7 Est La valeur UTM Est en mètre 8 Altitude Altitude de la position en mètre Sidescan Data N de champ Description Informations 1 Chaîne de caractère «SSS» 2 Horodatage 3 Chaîne de caractère «P» 4 Contraste 5 Offset 6 Gain 7 Portée 8 Echantillons 9 Mesures 9 + (n+1) Chaîne de caractère «S» Page 86 Caractère identifiant le type de données sur le reste de la ligne, ici l imagerie SONAR Heure et date à laquelle le message à été écrit dans le logfile. Caractère renseignant que les données suivantes sur la ligne provienne du canal bâbord. La valeur de contraste enregistrée en décibels pour la ligne de scan correspondante La valeur de l offset en décibels enregistrée pour la ligne de scan correspondante La valeur de Gain enregistrée en décibels pour la ligne de scan correspondante La largeur de fauchée en mètre que représente la ligne de scan Nombre d échantillons dans la ligne de scan correspondante. La résolution en distance de chaque ensemble de données peut être calculée en divisant la portée (7) par le nombre d échantillon Une suite de valeur représentant la valeur en raw décibels de chacun des échantillons de la ligne de scan au niveau des récepteurs Caractère renseignant que les données suivantes sur la ligne provienne du canal tribord. La structure précédente (de 4 à 9) est à nouveau répétée pour ce canal. Velocity Data N de champ Description Informations 1 Chaîne de caractère «VEL» Caractère identifiant le type de

93 données sur le reste de la ligne, ici la vélocité 2 Horodatage Heure et date à laquelle le message à été écrit dans le logfile. 3 Vélocité La vitesse en km.h -1 Waveform Data N de champ Description Informations 1 Chaîne de caractère «CPL» Caractère identifiant le type de données sur le reste de la ligne, ici la profondeur 2 Horodatage Heure et date à laquelle le message à été écrit dans le logfile. 3 Couleur de la trace Couleur de la forme de l onde exprimer comme un entier ARGB 32bits. (0x<aa><rr><gg><bb>), <aa> est le composant alpha, et <rr> <gg> <bb> les composantes rouge, vert et bleu. 4 Période d échantillonnage Le timer en seconde de chaque échantillon 5 Y max La valeur maximum présentée sur l axe Y 6 Y min La valeur minimum présentée sur l axe Y 7 Titre Le titre de la forme d onde 8 Échantillons Le nombre d échantillons mesurés 9 Mesures Une série de mesures représentant l amplitude de chaque échantillon dans la forme d onde. Page 87

94 E. ANALYSE DES FICHIER DE SYNCHRONISATION ME0 DES CAMÉRAS Expérimentation 1, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 88

95 Expérimentation 2, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 89

96 Expérimentation 3, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 90

97 Expérimentation 4, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 91

98 Expérimentation 5, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 92

99 Expérimentation 6, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 93

100 Expérimentation 7, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 94

101 Expérimentation 8, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Les résultats de l expérimentation 9 ne seront pas présentés car un problème lors de l enregistrement des images était survenu. Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 95

102 Expérimentation 10, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 96

103 Expérimentation 11, Niderviller Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 97

104 Expérimentation 1, Petite France Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 98

105 Expérimentation 2, Petite France Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 99

106 Expérimentation 3, Petite France Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 100

107 Expérimentation 4, Petite France Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d une caméra et la différence sur l horodatage des mesures entre 2 caméras d une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante : Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d horodatages. Différence de temps entre 2 caméras Pike Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite Page 101

108 F. ANALYSE DES DONNÉES TACHÉOMÉTRIQUES Expérimentation 1, Niderviller On remarque que la différence de temps entre 2 mesures successives n est pas constante. Les données en bleues représentent un «dt» compris entre 0.35s et 0.45s soit inférieur à ±12.5% de la valeur paramétrée (0.4s) Zoom sur les 300 premières mesures Les calculs d emq et de MAD ne prennent en compte que les points en bleus sans les outliers en rouges. Ces outliers représentent des valeurs supérieures à ±10% de la vitesse médiane glissante sur 11points. On observe une meilleure détermination de la vitesse du mobile en prenant la médiane (410ms) comme base de temps pour le calcul. Les quelques valeurs aberrantes seraient liées à un défaut mécanique explicité en Page 102

109 Expérimentation 2, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 103

110 Expérimentation 3, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 104

111 Expérimentation 4, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 105

112 Expérimentation 5, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 106

113 Expérimentation 6, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 107

114 Expérimentation 7, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 108

115 Expérimentation 8, Niderviller Zoom sur les 300 premières mesures Page 109

116 Expérimentation 1, Passage Aller - Petite France On remarque que la différence de temps entre 2 mesures successives n est pas constante. Les données en bleues représentent un «dt» compris entre 0.08s et 0.12s soit inférieur à ±20% de la valeur paramétrée (0.100s) Zoom sur les 100 premières mesures Les calculs d emq et de MAD ne prennent en compte que les points en bleus sans les outliers en rouges. Ces outliers représentent des valeurs supérieures à ±5% de la vitesse médiane glissante sur 11points. On observe une meilleure détermination de la vitesse du mobile en prenant la médiane (100ms) comme base de temps pour le calcul. Les quelques valeurs aberrantes seraient liées à un défaut mécanique explicité en Page 110

117 Expérimentation 1, Passage Retour Petite France Zoom sur les 100 premières mesures Page 111

118 Expérimentation 2, Passage Aller Petite France Zoom sur les 100 premières mesures Page 112

119 Expérimentation 2, Passage Retour Petite France Zoom sur les 100 premières mesures Page 113

120 Expérimentation 3, Passage Aller Petite France Zoom sur les 100 premières mesures Page 114

121 Expérimentation 3, Passage Retour Petite France Zoom sur les 100 premières mesures Page 115

122 G. ANALYSE DES RÉSULTATS DE L OVS Expérimentation 2, Niderviller Nous observons une bonne corrélation entre la profondeur du système par rapport au piédroit déterminée par OVS et les variations planimétrique du bateau déterminées par tachéométrie. A noter que les faibles décalages observés entre les 2 trajectoires sont liés au fait que les caméras (définissant la trajectoire OVS) et le prisme (définissant la trajectoire tachéo) ne se trouvent pas au même endroit sur le bateau. Nous remarquons cependant une différence importante sur le profil de vitesse déterminé à partir des 2 techniques. Dans un premier temps on observe un systématisme d environ 2.5cm.s -1 sur les données de l odométrie, dans un second temps l amplitude des variations de vitesses sont beaucoup plus importantes par OVS que par tachéométrie. A noter que les caméras et le prisme sont approximativement décalés de 8 mètres sur le bateau, ainsi la vitesse déterminée par tachéométrie est décalé de +8m en abscisse curviligne afin de corréler avec la vitesse par odométrie. Page 116

123 Expérimentation 3, Niderviller Lors de cette expérimentation le bateau longeait la lisse en bois en marche arrière tout au long de son avancement dans le tunnel. Ce passage permet de stabiliser le bateau et surtout d éviter les effets liés aux changements de cap de celui-ci. Ainsi nous obtenons de meilleurs résultats sur la détermination de la vitesse par odométrie. Cependant les trajectoires déterminées à partir des 2 techniques corrèlent moins bien et pourraient être liées aux variations planimétriques du piédroit influençant les résultats de l odométrie. Cependant une coupe sur le nuage de points lasergrammétrique, dont les résultats sont présentés en Annexe H Analyse coupe du tunnel, nous montre que ces écarts sont essentiellement liés aux méthodes de calculs de l OVS, et serait plus particulièrement la conséquence d une sous-estimation de la disparité stéréoscopique liée aux changements de cap du mobile. Page 117

124 Expérimentation 4, Niderviller Page 118

125 Expérimentation 5, Niderviller Page 119

126 Expérimentation 6, Niderviller Page 120

127 Expérimentation 7, Niderviller Page 121

128 Expérimentation 8, Niderviller Page 122

129 H. ANALYSE COUPE DU TUNNEL Variations planimétriques du piédroit Afin de savoir si les variations planimétriques du piédroit on une influence sur les résultats de l OVS, une première coupe a été réalisé à hauteur des catadioptres (z= m) dans le tunnel de Niderviller. Le nuage de points lasergrammétrique ne présentant aucunes données au milieu du tunnel, nous ne pouvons avoir des informations sur les variations planimétriques du mur uniquement qu en entrée et sortie de tunnel. On remarque de faibles variations de ±5cm. médiane médiane Page 123

130 Une seconde coupe a été réalisé à hauteur des plaquettes (z= m) dans le tunnel de Niderviller. Le nuage de points lasergrammétrique ne présentant aucunes données au milieu du tunnel, nous ne pouvons avoir des informations sur les variations planimétriques du mur uniquement qu en entrée et sortie de tunnel. On remarque à nouveau de faibles variations de ±5cm quasiment identiques à la première coupe. médiane médiane Page 124

131 Comparaison des variations planimétriques du piédroit et du dispositif Nous avons ensuite mis en relation les variations planimétriques du mur et les trajectoires déterminées par odométrie visuelle simplifiée des expérimentations 2 à 8 afin d observer une possible corrélation entre l OVS et la forme du piédroit. Les faibles variations du mur ne justifient cependant pas les écarts observés dans les résultats de l OVS. Page 125

132 Effet d une corniche sur la trajectoire par odométrie Page 126

133 I. MISE EN RELATION ENTRE DONNÉES SONAR ET DONNÉES PHOTOGRAMMÉTRIQUES A ce niveau du développement il est difficile d établir un lien entre les informations obtenues à l aide du système de prise de vue et les mesures du SONAR à balayage latéral, rendant quasiment impossible le géoréférencement des images SONAR. Cependant, certains objets bien particuliers, visibles à la fois sur les photographies des paires de caméras et sur les images SONAR, permettent d avoir un premier élément d approche quant au positionnement des données du SONAR par rapport aux données photogrammétriques. Ainsi nous pouvons déjà connaître approximativement la position de certains objets visualisables sur les images SONAR comme illustré sur les exemples suivant. Nuage de points photogrammétrique Photographie panoramique Sous-bassement pile de pont Corniche Image SONAR du Bras mort de l Ill Page 127

134 J. LISTE DE CONTACTS Contacts particuliers Société Prénom, Nom Fonction Commentaire CADDEN Yves Tafforin Support technique Eurocéanique Philippe Goarant Reponsable hydrographique Contact particulier de la société Sub-C Marine Offre d achat Sonar interférométrique (imagerie + bathymétrie) Edge Tech 4600 à Acthyd / Geoaction Thomas Longchamp Ingénieur des ventes thomas.longchamp@geoaction.eu Représentant des instruments Teledyne (Odom) Acthyd (Technitrad) CIDCO Sub-C Marine Pierre-Arnaud Duclos Nicolas Seube Olivier Samat Dr en Géosciences Marines Directeur scientifique du CIDCO Développeur en technique d inspection sous marine pierre-arnaud.duclos@geoaction.eu nicolas.seube@cidco.ca os@subcmarine.com Triton Imaging Inc. Tony Ramirez Géophysicien / ventes techniques tramirez@tritonimaginginc.com CEREMA Anne Souquiere Chef de département DTecEMF anne.souquiere@cerema.fr CEREMA Erwan Bourban Responsable de l équipe Bathymétrie Erwan.Bourban@cerema.fr CNR Céline Khantache Représentante du pôle hydrographie du CNR C.KHANTACHE@cnr.tm.fr ENSTA Bretagne Contacts VNF Ahmed NAIT- CHABANE PhD, Ingénieur de recherche Lab-STICC UMR CNRS ahmed.nait_chabane@ensta-bretagne.fr Acthyd, distributeur de produits, et intégrateurs de solutions techniques en hydrographie et positionnement. Société spécialisée dans l inspection d infrastructures subaquatiques. Ils sont intéressés à travailler avec nous, leurs axes de développement étant similaire. Créateur et distributeur de logiciel d acquisition et de traitement de données bathymétriques. (USA) Ingénieur au sein de l équipe «Ocean Sensing and Mapping» A travaillé sur la segmentation invariante en rasance des images sonar latéral par une approche neuronal compétitive. Prénom - Nom Téléphone Statut Alexis Voulminot Laurent Reibel Denis Hirschfell Jean-Philippe Harlepp Pascal Froehlicher Bernard Catala-Cottini Hugues Delefortrie Port. pro. : Alexis.Voulminot@vnf.fr Laurent.Reibel@developpement-durable.gouv.fr Denis.Hirschfell@vnf.fr Port. : jean-philippe.harlepp@vnf.fr pascal.froehlicher@vnf.fr Bernard.Catala@vnf.fr Hugues.Delefortrie@vnf.fr Représentant Pôle Bathymétrie, plateforme de communication entre VNF et le LRPC Contact pour l embarcation «VNF Gambsheim 1» Adjoint à la subdivision Strasbourg - canaux Chef de circonscription du Wacken Contact pour l embarcation «Val de Sarre» Subdivision VNF de Frontignan, Pointe de caramus, BP 90071, Frontignan cedex. Subdivision VNF de Frontignan, Pointe de caramus, BP 90071, Frontignan cedex. Centre d exploitation VNF de Palavas Pôle bathymétrie avec système multifaisceaux sur le «bourgidou» Page 128

135 Listes de Prestataires pour intégration et acquisition de données bathymétrique, hydrographique. Société Coordonnées Matériel Statut Cadden Sub-C Marine MacArtney France INGEO Mesuris Adequatic Hydroconsult Hydro exploitation Subsea Tech 359, Route de sainte Luce Parc du petit Chatelier BP Nantes Cedex 3 Tél : +33 (0) rue Alfred NOBEL BP Feyzin Olivier SAMAT os@subcmarine.com Avenue Olivier PERROY Les Portes de Rousset - Bât. E F ROUSSET Tel: +33 (0) mac-fr@macartney.com Siège social à Saint-Omer 1, rue Cassini BP Blendecques SAINT-OMER Cedex Tél : contact@ingeo.fr Mesuris Rennes EDONIA B Rue des Iles Kerguelen St GREGOIRE - France Tel : Base technique Mesuris bathymétrie 37 rue de l Océan Multipole St Philibert - France Tel : rue de la Communauté P.A. de la forêt le Bignon rue de Bir Hakeim Saint Maur des Fossés Manager b.fraleu.hydroconsult@wanadoo.fr +33 (0) Survey Manager y.vincenot.hydroconsult@wanadoo.fr +33 (0) Rue des Creusets 41, CP 750 CH 1951 Sion (Suisse) +41.(0) Plage de l Estaque Marseille Caméra 3D : Echoscope SMF : R2Sonic 2024 Sonar bathy : Klein 5000V2 Caméra 2D : Didson diver, Aris Sentinel Scanner 3D : BV5000 Caméra 3D : Echoscope Sonar Scanner 2D : Kongbserg 1071, 1171 Sonar interférométrique (Edge Tech 4600) SMF : R2Sonic SMF : Teldyne Reson Monofaisceau et Multifaisceaux SMF : Simrad, Elac, Teledyne Reson Multifaisceaux Scanner 3D : BlueView Fournisseur de capteurs et systèmes pour le positionnement, l'orientation, l'océanographie et la navigation. Spécialisé dans l inspection subaquatique de barrages et ouvrages d art. Conception, fabrication, distribution et maintenance de systèmes et produits à destination des énergies renouvelables marines, de l offshore pétrolier, des opérateurs de survey, des scientifiques et de la Marine. Société d ingénierie et de géomètre expert. Réalise des prestations pour l acquisition de données bathymétrique. Prestation de service et intégration de système bathymétrique. Développement du GEOSUB3D disponible depuis 2013, système de cartographie sub-surface de très haute résolution. Prestations de services, bathymétrie, topographie. Services de prestations techniques. Aide au choix, à la mise en place et à l exploitation d un premier équipement de mesure bathymétrique. Prestations de services dans l aménagement hydroélectrique. Consultant en ingénierie sous marine Atlas 3D (Ecartip) Acthyd (Subtop) Prime GPS Iota Survey Veodis-3D CERES 60, rue de Palverne RN 83 - ZAC Rosarge Les Echets Miribel Tél. +33 (0) (0) contact@atlas3d.fr ZA les Belles Vues 3 rue des Prés Arpajon Contact particulier : Thomas Longchamp thomas.longchamp@geoaction.eu Marcel Tardivon marcel.tardivon@geoaction.eu 8 rue Gustave Eiffel Sainte-Luce-sur-Loire Contact particulier : patrick.sauvin@primegps.eu olivier.hamelin@primegps.eu 26 avenue de l'europe Clapiers France 33 (0) contact@iota-survey.fr 3 Place du Four Lieu dit Pruns Bussières et Pruns France 33 (0) contact@veodis-3d.com 29 La Madeleine Montfarville France contact@ceresm.com Multifaisceaux Software Hypack Système multifaisceaux low cost : Teledyne MB1 SMF Teledyne Reson Multibeam Teledyne RESON 7125 SMF SMF Société d ingénierie dans la lasergrammétrie, réalisant notamment des levés scanner laser et bathymétrique couplés. Expert en géophysique marine, distributeur de produits et intégrateur de solutions techniques. Distributeur et loueur de matériels hydrographiques et de positionnements. Inspection de structure portuaire et offshore. Acquisition de données 3D par lasergrammétrie et bathymétrie. Travaux sous-marins d inspection de digues, de coques et d'ouvrages d art. Page 129

136 K. POINTS TOPOGRAPHIQUES PETITE FRANCE Listing de coordonnées en Lambert RGF 93 CC49 N X Y Z Page 130

137 L. POINTS DE DÉTAILS PETITE FRANCE Levé le 11 Juin 2014 Par Mathieu KOEHL et Samuel GUILLEMIN (INSA Strasbourg) Traité par Bastien CHAMPIER Listing de coordonnées en Lambert RGF 93 CC49 N X Y Z Page 131

138 M. POINTS DE DÉTAILS TUNNEL DE NIDERVILLER L ensemble des points a été levé à partir de 2 stations : une sur le point Tunnel.N1 et la seconde sur le point Tunnel.A1 Les points P25 et P25.1 sont des points de contrôles mesurés à partir des 2 stations. Les mesures ont fait l objet de plusieurs contrôles et calculs de précision. En ce qui concerne les points levés sur les plaquettes, nous avons contrôlé la distance entre les deux points mesurés sur chaque plaquette. Les résultats présentent ainsi un écart moyen quadratique de 0.22cm avec un maximum de 5mm. Pour ce qui est des points levés sur les cibles photomodeler, nous avons contrôlé la distance entre les 2 cibles 8 bits opposées. Nous obtenons dans ce cas un écart moyen quadratique de 1.38cm avec un maximum de 2.1cm, écart plus important lié à l instabilité et la non-rigidité de ces cibles. Coordonnées (m) Coordonnées (m) Coordonnées (m) Coordonnées (m) Coordonnées (m) Coordonnées (m) Coordonnées (m) ID point Lambert 93 IGN69 ID point Lambert 93 IGN69 ID point Lambert 93 IGN69 ID point Lambert 93 IGN69 ID point Lambert 93 IGN69 ID point Lambert 93 IGN69 ID point Lambert 93 IGN69 X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z A , , ,685 CT , , ,152 CT , , ,162 P , , ,995 P30, , , ,99 C , , ,403 C14, , , ,777 REFN , , ,65 P , , ,977 C , , ,349 P24, , , ,995 CT , , ,137 C11, , , ,765 P , , ,988 N , , ,497 P10, , , ,976 C1, , , ,725 C , , ,454 P , , P , , ,013 P43, , , ,98 A , , ,482 CT , , ,158 P , , ,023 C5, , , ,821 P31, , , ,997 P37, , , ,013 CT , , ,166 REFA , , ,01 P , , ,982 P18, , , ,023 P , , ,959 C , , ,391 CT , , ,152 P , , , , , ,104 P11, , , ,982 CT , , ,14 P25, , , ,987 C8, , , ,762 P , ,04 268,996 P44, , , , , , ,675 CT , , ,162 C , ,79 269,356 CT , , ,162 P , , ,952 P38, , , ,997 CT , , ,154 CT , , ,118 P , , ,962 C2, , , , , , ,074 P32, , , ,952 CT , , ,172 C , , ,406 P , , ,988 P12, , , ,962 P , , , , , ,083 CT , ,02 268,161 C , ,94 269,405 C15, , , ,789 P1, , , ,991 CT , ,67 268,154 P19, , , ,987 P , , ,989 P , , ,006 C12, , , ,778 P , , ,972 CT , , ,171 P , , ,984 CT , , ,164 P25, , , ,986 P33, , , ,006 P , , ,005 P45, , , ,965 CT , , ,18 P13, , , ,978 CT , , ,155 P , , ,97 CT , , ,142 P39, , , CT , , ,155 P , , ,995 CT , , ,147 C , , ,366 P26, , , ,97 C , , ,405 CT , , ,166 C , , ,506 P3, , , ,995 P , , ,982 C3, , , ,741 CT , , ,136 C9, , , ,769 P , , ,987 C16, , , ,809 CT , , ,169 P14, , ,1 268,975 P , , ,991 C , , ,443 P , , ,984 P40, , , ,982 P , , ,091 CT , ,45 268,184 CT , , ,154 P21, , , ,994 C6, , , ,809 P34, , , ,981 CT , , ,16 P46, , , ,083 CT , ,58 268,152 P , , ,967 CT , , ,165 P , , ,992 CT , ,26 268,166 C , , ,379 CT , , ,18 CT , , ,158 P15, , , ,972 P , , ,98 P28, , , ,985 P , , ,987 C13, , , ,745 P , , ,986 P , , ,999 CT , , ,141 P22, , ,48 268,99 CT , , ,158 P35, , , ,979 P , , ,981 P47, , , ,981 P7, , , ,999 P , , ,149 CT , , ,177 P , ,59 268,988 CT , , ,168 P41, , , ,973 CT , , ,158 CT , , ,168 P16, , ,47 269,139 C , , ,365 P29, , ,69 268,988 C , , ,342 CT , ,42 268,151 CT , , ,186 CT , , ,153 CT , , ,169 C4, , , ,745 C , , ,411 C10, , , ,711 P , , ,029 P , , ,986 P , , ,993 P , , ,974 C7, , , ,778 P , , ,004 P42, , , ,019 P9, , , ,98 P17, , , ,99 P23, , , ,974 P , , ,99 P36, , ,8 269,004 C , , ,419 La numérotation des points se fait de la manière suivante : Page 132