Méthodes d extraction de MNT à partir de capteurs embarqués. Stéréoscopie (optique ou radar) Lidar (laser) Interférométrie radar

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Eugène Beaudet
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1 Méthodes d extraction de MNT à partir de capteurs embarqués Stéréoscopie (optique ou radar) Lidar (laser) Interférométrie radar

2 C est quoi un MNT? MNT Modèle Numérique de Terrain MNE Modèle Numérique d Elévation Seul le Lidar permet de s affranchir du sur-sol MNT/MNE sont des fichiers altimétriques constitués par un réseau maillé régulier d'altitudes

3 Notion de référentiel altitude H: définie par rapport au géoïde (surface équipotentielle de la pesanteur proche du niveau moyen des mers) systèmes spatiaux référencés dans des systèmes géocentriques (ellipsoïde WGS84 ) H = h - N h: hauteur / ellipsoïde N: hauteur du géoïde / ellipsoïde

4 Principe de la stéréoscopie Caméra ou appareil photographique embarqué (satellite, avion, drone, cerf-volant ) Système passif! ligne de base axe optique Plan focal Objectif projections côniques (cylindro-côniques) en photographie aérienne (satellitaire) Exemple de recouvrement entre 2 images aériennes (Ottawa)

5 Parallaxe fonction de l altitude La parallaxe augmente avec l altitude Parallaxe: déplacement angulaire apparent d'un corps observé à partir de 2 points différents La parallaxe est perçue entre 2 points homologues d un couple stéréoscopique. angle de convergence (parallactique)

6 Perturbations liées à l attitude du satellite Effets sur l acquisition de l image du Tangage Pitch (avant/arrière) Lacet Yaw (axe vertical) Roulis Roll (gauche/droite)

7 Parallaxe transversale parallaxe transversale causée par un changement d altitude parallaxe transversale causée par le tangage

8 Précision du MNE Facteur B/H La distance est inversement proportionnelle à la disparité (parallaxe) La disparité est proportionnelle à la ligne de base. B H = tg β g -tgβ d précision altimétrique du MNE δz = resolution_image B/H Typiquement: résolution ~1m, H ~ 2000m et B ~ 1000m. Soit dz~2m Quelques limitations: relief (zones d ombre) différence excessive des points de vue Attitude du satellite

9 Mise en œuvre pratique du calcul de MNT stéréoscopique 2 transformations: la projection perspective = relation point 3D / point image 2D la transformation repère caméra (mm) / repère image (pixel) Il faut déterminer la transformation qui permet de passer des paramètres d une caméra aux paramètres de l autre caméra. Paramètres intrinsèques: distance focale, centre optique, distortion de l image. Paramètres extrinsèques: définissent la position de la caméra dans l espace. Besoin de points d amers (GCP).

10 Principe de la triangulation 1 point 3D est l intersection des 2 rayons issus des centres optiques. Nécessité de bien calibrer les caméras Pb: mettre en correspondance les couples de points homologues!

11 Géométrie épipolaire Plan image caméra 1 P Plan image caméra 2 p p' l l' O e e' O' 5 points dans le même plan: P, p, p', O et O' les droites l et l' sont les droites épipolaires (conjuguées) les points e et e' sont respectivement les épipôles gauche et droit e est en fait O' vu dans l'image gauche e' est O vu dans l'image droite Source : gel.ulaval.ca

12 Etape de rectification Reprojection des images sur un plan commun parallèle à la ligne entre les centres optiques.

13 Exemple de rectification Idée : appliquer une transformation aux deux images pour que leurs droites épipolaires soient parallèles et alignées. Intérêt : la recherche du point correspondant sur les droites épipolaires est grandement simplifiée.

14 Appariement basé sur la corrélation Il faut des régions texturées des points de vue assez semblables Fonctionnement : On sélectionne une fenêtre définissant un voisinage dans l'image gauche. On cherche la fenêtre de voisinage correspondante le long de la droite épipolaire dans l'image de droite si on suppose le volume d'observation fini, la disparité est limitée on peut donc fixer un intervalle de recherche le long de la droite épipolaire en supposant une disparité initialement à 0.

15 Chaîne de traitement stéréoscopique image de référence image à rectifier calibration paramètres d acquisition capteur optique données orbitales image rectifiée rectification (rééchantillonnée) qqs points d amer (GCP) + ensemble de points homologues (MNT grossier) (décalage en colonnes prop. à la différence d altitude) mise en correspondance amélioration radiométrique des 2 images (étalement d histogramme augmentation du contraste) image des disparités estimation du MNT image des altitudes projection Ortho-MNT Ortho-images

16 Capteur HRV (Haute Résolution Visible) SPOT 1-4 Altitude moyenne 822 km Durée d un cycle 26 jours +/- 27 taille pixel 10 m bande panchro [ µm] Fauchée de 60 km imagerie «push-broom»

17 Capteur HRS (Haute Résolution Stéréoscopique) SPOT 5 stéréoscopie instantanée (90s) +/- 20 B/H ~ 0.8 taille pixel 10 m bande panchro [ µm] fauchée de 120 km Précision des MNT: supérieure à 10 m en relatif de 10 à 15 m en absolu

18 Autres capteurs civils très haute résolution Ikonos, QuickBird, Cartosat, EROS, ALOS, ASTER Ikonos Panchromatic: 0.82 m nm (Pan) Résolution horizontale du MNT ~2 m Précision verticale ~3 m

19 QuickBird à 60 cm de résolution Calcul de disparités après simulation des disparités dûes à la topographie

20 Bilan Stéréoscopie Résolution horizontale du MNT ~ 1 à 30 m Précision verticale ~ depend de B/H. De l ordre de qqs m. Limitations: zones à faible texture couverture nuageuse zones à fort relief Points forts: faible coût large couverture spatiale

21 Light Detection and Ranging (Lidar) Système actif utilisant un faisceau Laser (lumière visible, UV et IR) Laser: faible dispersion spatiale grande précision temporelle Principe: distance proportionnelle au délai aller/retour de l impulsion Exemple de mission: résolution au sol ~ 25 cm largeur du scan ~2-3 km longueur du scan ~ 30 km

22 Enregistrement des divers retours d impulsion (temps et amplitude) Pulse emission nanosec 0 meters % 100% 6 first return 0 50% 100% no return % 100% second return % 100% 24 third return % 100% 30 fourth return % 100% 42 Précision verticale de l ordre de quelques cm!

23 image des premiers retours

24 image des derniers retours

25 ...après filtrage de l image des derniers retours

28 Bilan Lidar Résolution horizontale du MNT ~ qqs 10aines de cm Précision verticale ~ qqs cm Limitations: Le coût (ex: mission bi-laser sur le cordon dunaire en Languedoc 30 km x 2-3 km, soit ~150 k ) Points forts: la précision verticale et la résolution horizontale la possibilité de s affranchir du sur-sol bathymétrie peu profonde

29 Interférométrie radar (InSAR) SeaSAT ERS-1/2 JERS-1 RADARSAT-1 ENVISAT ALOS RADARSAT-2 TerraSAR-X COSMO-SkyMed Système actif!

30 Interférométrie radar (InSAR) P Φ = 4π ( - B cosθ / λ + h/(2 ha) + e/λ + bruit ) Orbites Topographie Déformation (projetée sur l'axe de visée)

31 InSAR et Topographie Φ = 4π ( - B cosθ / λ + h/(2 h a ) + e/λ + bruit ) Orbites Topographie Deformation Avec une bonne estimation des orbites et pas de déformation: Φ = 2π ( h/h a + noise ) ( Φ / 2π). ha = h avec h a λ sin i R Altitude d ambiguïté 2 B

32 MNT SRTM Ea # 300 m amplitude interférométrique phase interférométrique ϕ [0;2π] Altitude (m)

33 Amplitude SRTM Contour 16m Ea # 16m Phase InSAR Phase DInSAR

34 Interférogramme differentiel Envisat ASAR Direction de visée 03/12/03-07/01/04 Ea=16m MNT SRTM 0 28mm Augmentation de la distance sol-satellite

35 Bilan InSAR Résolution horizontale du MNT ~ 30 m Précision verticale ~ depend de B (de l ordre de qqs m) Limitations: zones d ombre zones de repliement de phase pour les fortes pentes difficulté de déroulement de la phase Points forts: système tout temps faible coût large couverture spatiale

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