Géométrique C + Géoréférencement

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1 SYS866 Système d information géographique et télédétection Laboratoire 3. Orthorectification d un couple stéréoscopique de photographies aériennes et mosaïquage Mise en contexte : ÉTAPES SUCCESSIVES POUR L UTILISATION DE DONNÉES DE TÉLÉDÉTECTION DANS UN SIG Acquisition Corrections : Atmosphérique Radiométrique 1 Géométrique C + Géoréférencement 2 Intégration dans un SIG Analyse 3 4 Présentation des résultats pour mener à une prise de décision 1. L acquisition est effectuée à partir d une plate-forme aérienne (aéroportée, satellite, système embarqué sur un dirigeable ). Les données brutes possèdent toutes sortes de défauts et sont inexploitables telles quelles. 2. L étape des corrections des données est indispensable avant leur analyse. Des déformations géométriques sont introduites par la géométrie du capteur (imageur, radar, appareil photo analogique ) ainsi que par la topographie du terrain. Il faut les corriger et leur donner une référence géographique en vue de les intégrer dans SIG. Pour les capteurs numériques, les données enregistrées sont des valeurs de radiance et il faut par conséquent les «étalonner» pour obtenir des valeurs normalisées par l irradiance solaire. Cette étape de correction radiométrique est indispensable pour comparer entre elles des images acquises à des périodes différentes. Enfin, pour les images acquises par satellite, l atmosphère agit comme une couche absorbant une partie des ondes électromagnétiques à certaines longueurs d ondes. Il faut tenir compte du spectre d absorption du rayonnement solaire par l atmosphère pour corriger les valeurs de radiance reçues par le capteur. 3. Une fois les étapes de corrections adéquates effectuées, les données étant référencées géographiquement, elles peuvent être introduites dans une base de données géographique dans un SIG. 4. L analyse répond à un besoin ou à une demande et elle doit être menée dans un but précis. 5. Lorsque l analyse est terminée les résultats doivent être présentés de façon à mener à une prise de décision du demandeur. La présentation peut être faite de façon statique par cartographie, par des tableaux, des textes ou encore de façon dynamique par une animation (survol); cela dépend principalement du mandat, du type de résultats et de leur quantité. 5 1

2 Laboratoire 3. Orthorectification d un couple stéréoscopique de photographies aériennes Objectifs du laboratoire Les deux objectifs du laboratoire sont : 1. Corriger par orthorectification les déformations géométriques d un couple stéréoscopique de photographies aériennes du centreville de Montréal et leur donner une référence géographique. 2. Faire une mosaïque à partir des 2 photos aériennes corrigées. Pourquoi? Lorsqu une scène à étudier est étendue, il faut prendre plusieurs clichés séparés pour couvrir le terrain dans son intégralité. Il faut donc par la suite «assembler» ces clichés pour les rendre exploitables dans un SIG; c est ce qu on appelle faire du mosaïquage. Avant de faire cette mosaïque des clichés, il faut au préalable corriger les distorsions géométriques qui empêchent les raccords entre ces photos. Photo aérienne : Définitions Photographie d une scène acquise au moyen d un appareil photo analogique (argentique) embarqué à bord d une plate-forme aérienne. Mosaïque d images : (grand dictionnaire terminologique) Document résultant d'un montage d'images de scènes, ou de parties de scènes, connexes issues d'une même famille de capteurs et prétraitées pour être raccordables géométriquement et radiométriquement. Données et sources 1. un couple stéréoscopique de photos du centre-ville de Montréal en format.jpeg (numérisées, ou scannées, à partir de photos noir & blanc) 2. un fichier vectoriel géoréférencé (UTM, zone 18, NAD83) du réseau routier de Montréal. 3. un modèle numérique de terrain - MNT (UTM, zone 18, NAD83) de Montréal. Source : BDTQ pour les données vectorielles. Photocartothèque québécoise pour les photos aériennes. DEM généré à partie des courbes de niveau de la BDTQ. 2

3 Méthodologie Les pages suivantes vous présentent la procédure à suivre de façon détaillée. Il est important de comprendre ces actions pas seulement de les exécutées! I. Création d un nouveau projet dans Orthoengine 1- Démarrez le module Orthoengine 2- Créez un nouveau projet en allant dans FILE NEW Entrez le chemin pour sauvegarder votre projet, donnez un nom (qui s affiche dans le bandeau de la fenêtre principale) et une description de votre projet. 3

4 Pour le choix des diverses options, suivez le guide : Math Modelling Method Cochez «Aerial Photography». C est le plus rigoureux des modèles mathématiques pour la correction des données de télédétection. Ce modèle permet la correction des distorsions liées aux caractéristiques du capteur et à la topographie de la scène. o L option «Satellite Orbital Modelling» est destiné à la correction d images-satellites utilisant de modèles spécifiques (modèle de Toutin, modèle spécifique aux images ASAR/RADARSAT ou AVHRR). o Les 3 options suivantes (polynomial, thin plate spline et rational functions) sont 3 types de corrections géométriques utilisant des fonctions mathématiques du même nom pour représenter les déformations des images ou photos à corriger. o Enfin, l option «None» est utilisée dans le cas où l utilisateur désire simplement faire de la mosaïque avec des données déjà corrigées géométriquement. Options Sélectionnez «Standard Aerial» comme type de caméra, ce qui correspond à l utilisation de photos ou de négatifs de photos scannées. «Digital camera» se réfère à des données issues de capteurs aéroportés numériques. Sélectionnez «Compute From GCPs & Tie Points». L orientation externe sera définie par des points de contrôle au sol («Ground Control Points» GCPs) et des points de passages («tie points»). Cliquez «ACCEPT». Explications Pour «détordre» une photo, nous allons chercher à l intérieur de celle-ci des points (GCP) dont nous connaissons les coordonnées géographiques. Plus le nombre de GCPs est grand, meilleure est la correction géographique. Cette étape permet également de géoréférencer notre image corrigée. La collecte de ces GCPs sera faite ultérieurement. Lorsque les deux photos seront corrigées géométriquement, nous allons les mosaïquer pour ne produire qu un seul fichier. Pour ce faire, Orthoengine doit apparier des points sur les deux photos corrigées. Ceci est possible puisque les deux photos possèdent une zone de recouvrement. C est donc dans cette zone de chevauchement que se situent les «Tie points» (points de passage). La collecte des «Tie points» sera effectuée ultérieurement de façon automatique et elle sert aussi au calcul du modèle mathématique de correction géométrique. Pour plus de précisions, référez-vous à l aide d Orthoengine. 4

5 II. Détermination de la projection des photos corrigées en sortie. 1. Dans cette fenêtre, il faut définir la projection des photos corrigées en sortie. Choisissez la projection UTM, zone 18 (Montréal), Datum D-04 (NAD 83, Canada). 2. En sortie, fixez la résolution de l image à 2m x 2m; c est ce que nous permettent les photos scannées dont nous disposons. 3. Les points de contrôles (GCP) que nous utilisons sont issus de fichiers vectoriels dont la projection est UTM, zone 18 (Montréal), Datum D-04 (NAD 83, Canada); cliquez sur «Set GCP Projection based on Output Projection». Cliquez «ACCEPT» 5

6 III. Caractéristiques de l appareil de photo utilisé Pour corriger les distorsions, le modèle doit connaître les caractéristiques de l appareillage utilisé pour l acquisition des photos (défauts de la lentille), ainsi que l orientation interne (position du film par rapport à l objectif), caractérisé par les marques fiduciaires. Toutes ces données essentielles sont contenues dans le rapport de calibrage de l appareil photo analogique. General camera parameters Focal length : mm Principal point offset : ( ; 0.000) 6

7 Radial length distorsion Cliquez «Compute from table», et entrez les angles en degrés et les distorsions radiales en um. Angles (deg) Sym. Rad. Distorsion (um) Decentering distorsion parameters P1 ( E-07) P2 ( E-06) P3 (0.6819E-05) Fiducial Marks Others parameters Scale : 1 : éme a. Centre haut b. Centre droit c. Centre bas d. Centre gauche Cliquez «ACCEPT» et sauvegardez le projet. Une fois cette étape achevée, vous pouvez passer à l étape suivante en cliquant dans le menu déroulant du «Processing Step», qui est l ouverture des fichiers de données. 7

8 IV. Chargement des photos dans le projet et collecte des marques de fond de chambre 1. Chargement des photos à corriger Chargez les deux photos («Uncorrected photos») de Montréal en cliquant sur «New Photo» Les deux photos sont : q99802_151.jpg image de droite q99802_152.jpg image de gauche 2. Collecte des marques de fond de chambre (marques fiduciaires) Ouvrez l image q99802_151.jpg en cliquant sur «Open». L image s ouvre et une fenêtre apparaît en même temps. 8

9 Sur l image allez successivement pointer avec la souris sur le pixel central des 4 marques fiduciaires, situées au milieu des 4 côtés de l images; à chaque fois que vous voulez valider la position d une marque, pressez sur «Set» pour la marque correspondante. L arête de calibrage est l arête gauche. Cliquez «ACCEPT». Lorsque vous avez terminé avec l image de droite, faites la même opération avec l image de gauche q99802_152.jpg. Passez à l étape suivante du «Processing step» qui est l étape de collection des points de contrôle (GCPs). 9

10 V. Collecte des GCPs à partir d un fichier vectoriel La collecte des GCPs permet de donner des coordonnées géographiques à certains points de la photo brute. En ajoutant l information d élévation de ces points grâce à l ajout d un DEM dans le projet, il est possible d effectuer l orthorectification en corrigeant les distorsions induites par la topographie du terrain. Les sources de GCPs peuvent être multiples; dans ce laboratoire, les GCP sont extraits à partir d un fichier vectoriel géoréférencé du réseau routier de Montréal. 1. Ouvrir l image q99802_151.jpg et assurez-vous qu elle soit active («Working»). 2. Cliquez sur l icône pour choisir les GCPs à partir d un fichier vectoriel. 10

11 3. Chargement du DEM et du fichier vectoriel de référence. Cliquez «Load» en bas de la fenêtre et chargez le fichier vectoriel «route.tab». C est le fichier vectoriel du réseau routier de Montréal qui va nous fournir les GCPs. Cliquez «Select» en dessous et chargez le fichier vectoriel «DEM_contours.pix» qui est le DEM (Modèle Numérique de Terrain). C est ce fichier qui va fournir l altitude des GCPs pour corriger les déformations liées à la topographie. 11

12 4. REMARQUE ET CONSEILS POUR LE CHOIX DES GCPs : Le MNT ne comporte pas les élévations des buildings ni d aucune construction (ce serait alors un Modèle Numérique de Surface). Par conséquent, lors de la cueillette des GCPs, évitez les points situés au sommet des bâtiments et privilégiez les intersections de route. Évitez également les ponts pour la même raison. Choisir des points répartis sur toute l image pour éviter au modèle de faire une correction locale; la correction doit être faite sur la globalité de la photo. Choisir un nombre N de GCPs le plus grand possible (N 6 est recommandé). Plus N est grand, meilleure est la correction géométrique. Choisir plusieurs points sur le Mont-Royal puisque étant élevé, il est une source importante de déformations. Lorsque vous avez repéré un point sur le fichier vectoriel et son homologue sur la photo, cliquez «Use Point» sur les deux fenêtres (celle du fichier vectoriel et celle de la photo) Dans la fenêtre «GCPs collection», cliquez sur «Extract Elevation» en bas à droite pour recueillir l élévation du GCPs qui vient d être trouvée. 12

13 Cliquez «Accept» pour valider ce point et recommencez cette opération pour la collecte des GCPs suivants. En cochant la case «bundle update», vous obtenez l erreur de positionnement en X, en Y et en distance, pour chaque GCP par rapport au modèle calculé par Orthoengine. Cette erreur peut être obtenue dans l unité du terrain, en pixel ou en microns sur la photo originale. 3 points sont nécessaires pour déterminer tous les coefficients du modèle utilisé et donc une erreur apparaît dès l acquisition d un 4 ème GCP. En cochant «Auto locate», lorsque vous cliquez sur un GCP dans la fenêtre de contrôle, ce point est immédiatement localisé sur les fenêtres de visualisation. Lorsque vous en avez terminé avec la collecte des GCPs de la première photo q99802_151.jpg, recommencez l opération avec la photo q99802_152.jpg. Lorsque les GCPs ont été récoltés sur les 2 photos, le modèle utilisé prend également en considération les points homologues entre les différents clichés du projet. La connaissance de ces points homologues (Tie points) va permettre de déterminer la position (X,Y,Z) et l orientation (ω,φ,κ) exacte du capteur au moment de la prise de chacun des 2 clichés. Ces informations sont indispensables pour le calcul du modèle rigoureux qui est cherché. 13

14 VI. Collecte des «Tie points» (TP) Les «tie points» sont des points d appariement entre les deux photos qui ont 2 rôles : ils permettent de calculer un modèle mathématique rigoureux pour enlever les distorsions géométriques. Ils permettent de créer la mosaïque en repérant des points dans la zone de recouvrement des 2 photos. Il existe deux possibilités pour collecter les «Tie Points», qui sont la sélection manuelle et la sélection automatique. manuelle automatique La sélection automatique des TP fonctionne très bien et c est cette technique qui est recommandée. Cliquez sur l icône correspondante. 14

15 Pour trouver des points identiques sur les deux photos, un algorithme cherche autour d une coordonnée géographique dans un rayon de N pixels («Search Radius») la corrélation entre un pixel et son voisinage (3x3 généralement) de la photo de gauche et ceux de la photo de droite. Lorsque le coefficient de corrélation est supérieur ou égal au «Matching threshold», le point homologue est considéré comme bon et les deux points sont alors appariés. Sélectionnez le DEM, «DEM_contours.pix». Les valeurs indiquées sur la figure précédentes peuvent être conservées. Toutefois, si le nombre de points trouvé par l algorithme est trop faible (<10), répétez l opération en changeant les paramètres (baisser la valeur-seuil, augmentez le rayon de recherche, changez la distribution des TP ). Les nouveaux points ainsi trouvés viennent s ajouter aux anciens. Cliquez «Start Auto Tie Point Matching». Pour visualiser les TP, cliquez sur l icône. Vous pouvez alors voir la position relative des 2 photos, la position des TP et celle des GCPs. Remarque : Lors de la recherche automatique des TP, un fichier appelé «autotie.rpt» est créé (dans le dossier où vous avez sauvegardé votre projet). Ce fichier contient les informations concernant les TP collectés automatiquement, à savoir leur numéro d identification, leur coordonnées géographiques et leur score (coefficient de corrélation compris dans l intervalle [0 ; 1] entre l imagette de droite et celle de gauche pour le pixel considéré). Si un TP a un faible score et que l erreur entre ce TP et le modèle calculé est grande, vous pouvez le supprimer. Lorsque cette étape est finie, vous pouvez lancer le calcul du modèle final en cliquant sur «Model Calculations» dans le menu déroulant «Processing Step» de la fenêtre principale de votre projet. Cliquez alors sur l icône Pour vérifier les erreurs de positionnement entre les TP / GCP et le modèle calculé, il faut aller cliquer sur «Reports» à la toute fin du menu déroulant «Processing Step». Il est possible de créer le rapport des erreurs («Residual report») et le rapport général («Project report») pour chacune des photos. 15

16 VII. Création des orthophotos Dans le menu déroulant du «Processing step», cliquez sur «Ortho generation» puis sur l icône. Dans la zone «Available photos», les deux photos non-corrigées sont indiquées; sélectionnez-les et faites les passer dans la fenêtre «Photos to process». Mettez-les en sur-brillance l une après l autre dans cette fenêtre et choisissez le chemin où vous désirez sauvegarder l image finale orthorectifiée. 16

17 Le modèle utilisé a besoin de l information d élévation et vous devez charger «DEM_contours.pix» avec la touche «browse». L échelle d élévation est 1 et il n y a pas d «offset». Dans les options «Processing Options», vous pouvez définir la taille de la mémoire allouée pour la correction des photos. Le «Sampling Interval» correspond à la proportion de pixels traités; si vous choisissez 4, 1 pixel sur 4 sera calculé et tous les autres pixels seront interpolés entre les valeurs des pixels justes. Cette option vise à réduire le temps de calcul et le choix de cette valeur est effectué en fonction de la précision nécessaire. Dans ce cas, vous pouvez choisir la valeur 1 qui traite donc tous les pixels. La fonction «Auto clip edge» permet de supprimer un pourcentage de l image pour enlever la bande des photos aériennes (notre cas). Faites le calcul de ce qu il faut enlever pour se débarrasser des bords (marques fiduciaires, bande de calibrage). Cliquez «Generate Orthophotos» pour générer les deux orthophotos. Le premier objectif est atteint puisque les deux photos sont corrigées rigoureusement et possèdent une référence géographique. Pour s en convaincre, ouvrez les 2 orthophotos dans FOCUS et superposez le DEM ou encore le réseau routier. L étape suivante est le mosaïquage de ces deux orthophotos pour n en obtenir qu une seule. 17

18 VIII. Mosaïquage Dans le menu déroulant du «Processing step» de la fenêtre principale, cliquez sur «Mosaïc». La première étape consiste à créer un fichier vide qui va «accueillir» la mosaïque. Pour cela, il faut définir les dimensions de l image finale. Pour cela, cliquez sur l icône Dans le fenêtre qui s est ouverte, vous visualisez l aire totale couverte par les deux photos. Pour définir l aire désirée, cliquez sur «Define new mosaic area». Définissez les dimensions de votre mosaïque finale et cliquez sur «Create mosaic file». Vous avez alors le choix de créer automatiquement votre mosaïque ou bien de la faire manuellement. Choisissez l option automatique. Au moyen de l aide, fixez les différents paramètres et choisissez ceux qui donnent le meilleur rendu visuel, c est à dire une transition douce au niveau de la jonction («cutlines»), une homogénéité dans les tons de gris sur l ensemble de l image entre autres. Vous pouvez visualiser votre mosaïque dans FOCUS pour vérifier le rendu de vos différents tests. Documents à rendre 1. Fournir le fichier contenant la mosaïque finale (en.pix) avec le détail des choix de paramètres utilisés («normalization», 2. Fournir le fichier «autotie.rpt». 3. Fournir le rapport complet généré par Orthoengine. 4. Fournir le rapport des erreurs généré par Orthoengine. 18