Formation en Télédétection spatiale et SIG. CRTS, janvier 2016

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1 Formation en Télédétection spatiale et SIG CRTS CRTS, janvier 2016 Génération du Modèle Numérique de Terrain et des Produits Dérivés Laila Rasmy, CRTS,

2 PLAN DU COURS Définitions Principaux modèles numériques de terrain Comment sont-ils crées? Qualité du MNT L extraction des attributs de terrain

3 LES MODELES Définitions NUMÉRIQUE de termes DE TERRAIN Relief : Ensemble des inégalités de la surface terrestre Élévation ou altitude (dimension verticale d un lieu): Relative: élévation par rapport à une base de référence comme une plaine, un fond de vallée Absolue: élévation par rapport au niveau moyen de la mer. Topographie : Technique de représentation sur un plan de formes du terrain

4 LES MODELES Définitions NUMÉRIQUE de termes DE TERRAIN Modèle numérique de Terrain: Représentation numérique des variations continues du relief Ensemble ordonné de nombres qui représentent la distribution spatiale des élévations (généralement absolues) d une région

5 LES MODELES La modélisation NUMÉRIQUE numérique de terrainde TERRAIN La modélisation numérique de terrain englobe les tâches suivantes : La création d un MNT L analyse du MNT pour l extraction d attributs du terrain La visualisation du terrain (2D, perspective, 3D) La définition de nouveaux modèles (simulation du ruissellement, calcul de la quantité d eau de fonte, calcul d érosion, )

6 LES MODELES Les sources de NUMÉRIQUE données de Terrain DE TERRAIN Principales sources primaires Couples stéréoscopiques de photographies aériennes et d images de télédétection (SPOT) Mesures prises sur le terrain incluant les données GPS Principales sources secondaires Cartes topographiques (sur support papier ou en format numérique

7 LES Principaux MODELES Modèles NUMÉRIQUE Numériques de Terrain DE TERRAIN Modèle vectoriel : Courbes de niveau Modèle matriciel : GRIDs et LATTICEs, formats image Modèle triangulé, réseau de triangles : TIN

8 Courbes de niveau Modèle vectoriel Provient de la numérisation de cartes topographiques. La qualité du modèle peut être variable surtout à la jonction de plusieurs cartes. Généralement enregistré sous la forme d une série de paires de coordonnées (x,y) pour laquelle une élévation est donnée.

9 Avantages: Courbes de niveau Avantages et inconvénients Très utile en hydrologie parce que cettre structure est basée sur la façon dont l eau s écoule sur le terrain. Inconvénients: Modèle vectoriel Exige un important volume pour le stockage des données. Format de données peu pratique en termes de manipulation et de temps de calcul.

10 Représentation Modèle raster sous forme maillée Structure de MNT la plus utilisée Constituée d une grille régulière de cellules contenant des valeurs d élévation Chaque nœud est défini par une altitude Le pas de la grille est la distance entre deux nœuds Chaque nœuds est localisé par ses coordonnées en ligne colonne dans la grille Valeur d élévation

11 Création d une matrice d élévation Numérisation de cartes topographiques et interpolation des valeurs d élévation Photogrammétrie (photos aériennes et images satellitales)

12 Conversion d isolignes en matrice d élévation Création d une matrice d élévation à partir d une carte Digitaliser les données altimétriques : Courbes de niveau Points côtés, Lignes caractéristiques du relief: crêtes, talwegs, lacs, Calculer le MNT en utilisant un logiciel adapté. Vérifier le MNT: calculer et dessiner des courbes de niveau à partir du MNT, à une équidistance inférieure à celle des courbes initiales et vérifier la compatibilité entre les deux ensembles de courbes.

13 Conversion d isolignes en matrice d élévation Création d une matrice d élévation à partir d une carte Digitalisation des courbes de niveau A partir de carte scannées géoréférencement du raster Saisie manuelle Saisie semi automatique vectorisation proprement dite Données vectorielles Affectation de l altitude

14 Conversion d isolignes en matrice d élévation Création d une matrice d élévation à partir d une carte Digitalisation des courbes de niveau Données vectorielles Interpolation des plages de niveau Données RASTER Interpolation par triangulation TIN

15 Conversion d isolignes en matrice d élévation Création d une matrice d élévation à partir d une carte QUALITE DU MNT La qualité altimétrique du MNT final Précision altimétrique = 1/2 * Eq Eq = Equidistance des courbes de Niveau Le pas du MNT pas minimum réaliste = 4 * précision altimétrique

16 MNT PAR CORRECLATION AUTOMATIQUE 2 LE Vues PRINCIPE d un même objet le but : appareiller les points homologues sur les deux vues

17 MNT PAR CORRECLATION AUTOMATIQUE MNT PAR CORRECLATION AUTOMATIQUE 1 étape : Modélisation géométrique de la prise de vue Rééchantillonage selon les épipolaires L'homologue d'un point de l'image de gauche se trouve sur une droite connue dans l'image de droite.

18 MNT PAR CORRECLATION AUTOMATIQUE 2 étape : corrélation automatique Les images sont analysées ligne à ligne Pour chaque point de l image de référence on cherche le point homologue par le calcul d un indice corrélation sur le voisinage Création d une image de disparité Image des disparités

19 MNT PAR CORRECLATION AUTOMATIQUE 3 étape : La reconstruction 3-D de l espace objet Calcule des altitudes à partir des disparités MNT

20 MNT PAR Facteurs CORRECLATION influençant la qualité AUTOMATIQUE du MNT Effet du rapport B/H : La qualité de la modélisation en corrélation automatique Une mauvaise modélisation entraîne l apparition de parallaxes résiduelles

21 MNT PAR Facteurs CORRECLATION influençant la qualité AUTOMATIQUE du MNT La qualité radiométrique des images Différences radiométrique susceptibles de nuire au fusionnement ou à la corrélation: Dates d acquisition trop différentes Utilisation d un couple panchromatiquemultispectral Présence de voile atmosphérique, de nuages, d ombres ou de neige

22 MNT PAR CORRECLATION QUALITE DES MNT AUTOMATIQUE La qualité altimétrique du MNT final Précision altimétrique = Pas image brute * 0.4 / (B/H) SPOT Pan précision alti. = 5 m avec un B/H de 0.8 = 10 m avec un B/H de 0.4 SPOT XS précision alti. = 10 m avec un B/H de 0.8 = 20 m avec un B/H de 0.4 Le pas du MNT pas minimum réaliste = 4 * précision altimétrique

23 Réseaux de triangles irréguliers RESEAU DE TRIANGLES IRREGULIER (TIN) C est un modèle vectoriel topologique construit à partir de points d élévation irrégulièrement espacés Des points d élévation irrégulièrement espacés sont sélectionnés pour représenter le terrain avec un grand nombre de points dans les régions accidentées et un petit nombre de points dans les régions relativement planes (c est une représentation adaptée au terrain)

24 Réseaux de triangles irréguliers RESEAU DE TRIANGLES IRREGULIER (TIN) Les points d élévation sont reliés par des lignes pour former des triangles selon le principe de la triangulation de Delaunay À l intérieur de chaque triangle, la surface est supposée homogène et représenter un plan orienté dans l espace La représentation du terrain est continue, la surface de chaque triangle étant définie par les trois points qui le composent

25 Structure topologique d un TIN RESEAU DE TRIANGLES IRREGULIER (TIN) Les données sont enregistrées dans un ensemble de tables comprenant minimalement deux tables : La localisation des noeuds et l élévation des noeuds La composition et l adjacence de chaque triangle

26 Structure topologique d un TIN RESEAU DE TRIANGLES IRREGULIER (TIN) TIN Table des noeuds Table des triangles 9 8 G N E H C 6 F D 4 5 O I A 1 2 B 3 K J 7 Noeud Coordonnées X Y Z 1 x1 y1 z1 2 x2 y2 z2 3 x3 y3 z3 Triangle Noeuds Propriété 1 (triangles adjacents) A 1,2,5 B,H,O B 1,2,3 A,C,K C 1,3,9 B,H,N D 4,5,6 E,F,O Propriété 2 (couleur) 10 M L x12 y12 z12 E 5,6,8 D,G F 4,6,7 D,I O 2,4,5 A,D,I

27 Réseaux de triangles irréguliers RESEAU DE TRIANGLES IRREGULIER (TIN) Avantages et inconvénients Avantages S adapte à la variabilité du terrain La représentation de la topologie facilite certaines analyses À chaque triangle peut être associé un attribut du terrain Requiert moins d espace que la matrice d élévation Inconvénients Temps de calcul élevé lié à la structure vectorielle Problème des triangles plats

28 UTILISATION PRODUITS DERIVES DES MNT Orthorectification des images Courbes de niveau Pentes Exposition (orientation) Génération de vue en 3 dimensions

29 Courbes PENTEde niveau Suivant l échelle de sortie et la pente du terrain, les courbes seront plus ou moins espacés d où une lisibilité variable du plan. Un calcul a donc permis de définir un tableau fournissant l équidistance des courbes de niveau à fixer en fonction de la pente et de l échelle.

30 Pente PENTE La pente (slope) est l angle maximal que fait une facette de terrain avec l horizontale. Elle s exprime habituellement en pour-cent ou en degrés.

31 Exposition EXPOSITION L'orientation (ou exposition aspect) est la direction horizontale de la plus grande pente. Conventionnellement, elle est exprimée sous forme d un azimut, en degrées codés avec 0 au nord, et dans le sens horaire; et ainsi de suite (180 au sud...) jusqu au 360 qui est à nouveau au nord.

32 EXPOSITION En utilisant l altitude des huits points de la fenêtre 3x3. Pour calculer la pente et l exposition pour la cellule F on a besoin de l altitude des points suivants A, B, C, G, K, J, I, E A B C D E F G H I J K L M N O P

33 EXPOSITION A B C D E F G H I J K L M N O P 1. Calculer gradiant est-ouest : X = ((Z C + 2*Z G +Z K ) Z A +2*Z E +Z I ))/8*cell size 2. Calculer gradiant nord-sud : Y = ((Z A + 2*Z B +Z C ) Z I +2*Z J +Z K ))/8*cell size

34 EXPOSITION A(80) B(74) C(63) D(89) E(69) F(67) G(56) H(78) I(60) J(52) K(48) L(60) M(59) N(49) O(47) P(40)

35 Extraction du réseau d écoulement L extraction d un réseau d écoulement est fournie en utilisant un MNT corrigé des micro-dépressions : une nouvelle direction d écoulement est détectée ; puis, un calcul d «accumulation» et un seuillage permet d obtenir une image raster du réseau d écoulement.

36 MNT MONDIAL ASTER ASTER est un modèle numérique de terrain (MNT) disponible sur le monde entier (sauf pour des latitudes extrêmes) produit en collaboration entre la NASA et le METI (Japon). Il est disponible pour un pas (taille de pixel) de 30 m, et une précision planimétrique de 30 m et altimétrique de 20 m.

37 MNT MONDIAL SRTM SRTM est un modèle numérique de terrain (MNT) disponible sur le monde entier (sauf pour des latitudes extrêmes) produit par une mission de la NASA. Il est disponible pour un pas (taille de pixel) de 90 m, une précision altimétrique d'environ 16 m et planimétrique 60 m.

38 MNT MONDIAL SPOT DEM SPOT DEM est un modèle numérique d élévation réalisé par corrélation automatique de couples stéréoscopiques acquis par l instrument HRS (haute résolution stéréoscopique)de Spot 5. A la différence du MNT (modèle numérique de terrain) qui décrit le relief du sol nu, le MNE prend également en compte le sur-sol.