EG 11: Photogrammétrie

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1 EG 11: Photogrammétrie Définitions et principes Géométrie de la prise de vue Vision stéréoscopique Principes de projection Plan de vol + élaboration Caméras à film numérique Appareils de restitution Exercice : plan de vol Source: J. Vallet EG 11 - Objectifs Connaître les principes généraux Géométrie de l image Prise de vues et plan de vol Restitution Connaître les possibilités de la photogrammétrie pour des projets d aménagement, de génie civil et d environnement Maîtriser les relations principales Echelle photo/carte Précision de la restitution Paramètres pour l établissement d un plan de vol 1

2 Définitions et principe De l image à la carte L image a toujours servi à représenter le monde réel. C est une abstraction de la complexité d un objet réel. L image doit être transformée et synthétisée pour produire une carte. La photographie est une technique qui permet de fixer sur un support élémentaire une réalité complexe La carte de part sa définition géométrique et son contenu est un média qui permet d analyser et de mieux cerner le monde qui nous entoure 2

3 Carte topographique Dufour 1:100000, 1832 Carte topographique Swisstopo 1:100000, 1998 Le rayonnement électromagnétique (REM) Emission d une source de lumière Toute matière émet ou absorbe des REM Atmosphère: élément perturbant pour l observation de la Terre Le capteur photographique reçoit le REM des objets et de l atmosphère Définitions et principes 3

4 Définitions et principes Longueurs d onde Visible : 400 nm à 700 nm Proche/moyen infra rouge : 700 nm à 3000 nm La réflectance spectrale Rapport entre le flux lumineux émis et réfléchi Signature spectrale d un objet Définitions et principe La photogrammétrie est un procédé de mesure indirecte dont le support, par définition, est une photographie ou une image numérique. A partir de plusieurs photographies d un même objet prises depuis des lieux différents, on mesure sa dimension, sa surface, etc. La photogrammétrie établit les relations géométriques entre l espace défini par les images et la portion de territoire (ou objet) considérée 4

5 Définitions et principes Relation image terrain Une photographie est une vue plane et bidimensionnelle d un objet tridimensionnel Centre de projection Image L objet est projeté sur un plan via une projection centrale La projection centrale concentre les rayons en un point appelé centre de projection Définitions et principes Relation image - carte dist photo Déterminer l échelle photo dist carte e photo = dist réelle / dist photo dist réelle = dist carte. e carte 5

6 Définitions et principes Images stéréoscopiques Gauche Droite Perception du relief ou de la profondeur de champ A ΔH AB B Définitions et principe Restitution et produits La restitution est l opération de mesures dans un modèle constitué d images stéréoscopiques Les restituteurs photogrammétriques permettent d établir les relations géométriques entre les coordonnées mesurées dans les images et les coordonnées du terrain ou coordonnées nationales La restitution de points/lignes situés à la surface du terrain est une des tâches principales de la photogrammétrie Lever topographique Modèle numérique de Terrain (MNT) 6

7 Définitions et principe Définitions et principe 7

8 Géométrie de la prise de vue Projection orthogonale (carte) Plan de projection Projection centrale (photographie) Altitude moyenne du sol (plan de référence du sol) Géométrie de la prise de vue Empreinte sur la carte Vue aérienne Direction de prise de vue Vue verticale Vue inclinée Vue oblique Vue horizontale 8

9 La vision stéréoscopique Observation d un même objet depuis 2 points de vue différents vue en 3D y : distance observateur- objet b A : base stéréoscopique ou écartement des yeux γ : angle de convergence La relation entre γ et y est (γ petit): b = γ. y A y 2 dy = dγ b A La vision stéréoscopique Relation entre vision stéréo et profondeur de champ y [m] dy (γ± 30cc) 0.05 mm 0.7 mm 7 cm 7 m 720 m dy (γ± 50cc) 0.08 mm 1.2 mm 12 cm 12 m 1200 m Remarque: quand dy = y (env. 1000m), on atteint le rayon d action du champ stéréoscopique de la vue humaine (b~6-7cm) 9

10 La vision stéréoscopique Image gauche Image droite + Principe de projection Echelle de prise de vue L échelle moyenne d une prise de vue est définie par le rapport : e = c/h c: distance principale h : hauteur sur sol Echelles types Aérien: 1: : Terrestre: 1:100-1:

11 Détermination de hauteur A partir de l image d un objet, il est possible d en déterminer sa hauteur relative La hauteur d un objet est fonction de sa position radiale et de sa projection dans l image δh objet δr image Principe de projection δh Objet δr r H h r δr Image r δr r δr = δh h r' δr' = δh h Principe de projection Appareil: Stéréoscope à miroir avec barre micrométrique pour la mesure de parallaxes 11

12 Principe de projection Orientation des photographies aériennes sous un stéréoscope: les points principaux (centre des images) respectifs sont sur une même droite Conditions pour la vision stéréoscopique: 2 images de même échelle Rapport base/hauteur compris entre 1/5 et 1/25 Ex. distance de lecture : 30 cm; base : 6 cm Principe de projection PX B PX A Parallaxe ΔP = PX B PX A ΔH AB = f (ΔP) A ΔH AB B 12

13 Principe de projection Principe de la mesure des parallaxes P 0 P i Δp = px i px0 h Δp Δh = b + Δp b: base h: hauteur de vol p: parallaxe Plan de vol Constitution de lignes de vol Ligne de vol 1 Ligne de vol 2 13

14 Plan de vol Le plan de vol permet de déterminer les trajectoires à suivre par l aéronef pour couvrir de manière optimale la zone souhaitée Elément déterminant dans le processus cartographique Il conditionne la qualité initiale des images qui serviront à la restitution Respect de la géométrie des lignes Conditions atmosphériques Exemple de plan de vol SITN - Neuchâtel Plan de vol Dans un plan de vol chaque ligne est décrite par les paramètres suivants: Altitude de vol [ft/m] Début et fin de ligne (Y,X) reporté sur carte Vitesse de vol [Knot] (1kt=0.5m/s=1.8km/h) Azimuth des lignes [ /N] Eventuel hauteur sur sol obliquité de l appareil pour les lignes obliques 14

15 Exemple: Plan de vol classique Terrain ~plat Image Plan de vol Image sur Film Rapport le plus fréquemment utilisé entre l échelle de l image 1/m b et l échelle de la carte 1/m k Image numérique Carte 15

16 Plan de vol La Précision en photogrammétrie Approche empirique pour fixer les paramètres de vol Mesures de parallaxe au stéréoscope ex : mesure de hauteur d objets photo 1: > hauteur +/- 1.5 m Image stéréo planimétrie : +/ mm sur l image altimétrie : +/ % hauteur de vol Bloc d aérotriangulation planimétrie : +/ mm sur l image altimétrie : +/ % hauteur de vol Elaboration du plan de vol Donnée Précision du modèle topographique Planimétrie: exemple σ XY ~ 10 cm Altimétrie: exemple σ H ~ 15 cm ou échelle du plan ou carte Exemple: Choix des paramètres de base pour le vol Echelle d image Hauteur de vol Focale de la caméra 16

17 Elaboration du plan de vol Calculs des paramètres de base pour le vol Echelle d image σ XY ~ 10 cm correspondant à 0.02 mm sur l image > échelle image: 100mm/0.02mm = 5000 Choix échelle: 1: 4500 (sécurité) Hauteur de vol (hg) Hauteur max: 15 cm(σ H ) / 0.02% = 750m (Hg max ) Focale de la caméra (c) On choisit c = 150 mm Calcul : hg = c. mb = = 675 m Vérification : hg < hg max Elaboration du plan de vol Paramètres d images Dimension du film : m Emprunte au sol (s) s = m b = = 1035 m Recouvrement longitudinal: exemple 80% Base: distance entre deux prises de vues b = (1-80%). s = = 207 m Longueur de la ligne (Lp) Nombre d image dans la ligne (np) np = Lp/b

18 Elaboration du plan de vol Lignes de vol parallèles Lorsque le périmètre ne peut pas être couvert par une seule ligne, on place des lignes en parallèle avec un recouvrement latéral Recouvrement latéral Urbain (>50%) Campagne (plat) (25-40%) Montagne: fonction de la pente Vol parallèle à la pente Prévoir une marge en bord de périmètre (30%) Suivant la pente, prévoir des lignes en escalier terrain Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 Caméras à Film Une caméra de photogrammétrie (ou chambre photogrammétrique) est un appareil de photo dont l optique est calibrée. Une caméra aérienne ou terrestre a une longueur focale fixe Focales les plus courantes: 88, 152, 300 mm 3 types de formats: Aérien: 23x23cm, le plus répandu Format moyen: 13x18, 12x12 ou 9x12 camera portable Petit format: 6x6 ou 6x4.5cm (Hasselbald) peu utilisé 18

19 Caméras à Film 23 cm V Magasin E Vacuum Plan focal Corps Lentille Marque repère Fiducial mark Caméras à Film 19

20 Caméras à Film Compensation de filé FMC: Forward Motion Compensation Déplacement du plan focal Rotation de la camera/miroir Caméras numériques Frame camera Capture l image en un seul coup (idem film) Basé sur un capteur rectangulaire CCD ou CMOS Multi-frame camera Assemblage de plusieurs cameras «frame» pour construire une image de plus grande taille Pushbroom camera Capture l image en continu par déplacement de l aéronef Basé sur un capteur CCD linéaire Principe identique à un scanner à plat 20

21 Caméras numériques Frame Camera Optique et corps identique au caméra à film Remplacement du Film par CCD (ou CMOS) Formats actuels (CCD): 4080x4080k 16 Mpix 4080x Mpix 5440x Mpix Corps Dos numérique CCD Lentille Caméras numériques Quelques caméras de type frame Hasselblad H2D 22 Mpix Hasselblad Biogon-Proback 16 Mpix Rollei Metric 22 Mpix 21

22 Caméras numériques Multi Frame Camera Zeiss DMC 4 canaux NB 7000x canaux multispectraux 7000x4000 image résultante: 12000x8000 focale 120mm angle de vue: 74 Caméras numériques Pushbroom Camera Camera Leica ADS40 3 canaux NB: 2x12000 pixels décalés ½ pixel 4 canaux multispectraux de 1x12000 pixels Pixel: 7.5um Dynamique: 12 bit Fréquence d aqcuisition: 800Hz Angle de vue: 74 Focale: 62mm Angle vue arriere/avant: 16, 26, 46 22

23 Pushbroom camera ADS40: répartition des bandes de pixels Les appareils de photogrammétrie le stéréoscope observation en stéréo d un couple d images photointerprétation le restituteur photogrammétrique reconstruction des faisceaux de prise de vues appareils analogiques ou analytiques production de cartes et de données numériques Les stations de photogrammétrie digitale imagerie numérique orthophoto 23

24 EG 11: Exercice 7 Plan de vol Contexte Lever topographique pour correction de route et cours d eau Précision: 20 cm Orthophoto: pixel 15 cm Démarche Choisir l échelle de cliché et la focale Tracer le plan de vol Calculer les paramètres de vol EG 11 - Documentation Polycopié: EG - Topographie 1 Chapitre 5: Imagerie Remerciements: une partie des diapos sont tirées du cours de lever aérien donné par Julien Vallet, chargé de cours EPFL 24