RESUME du MEMOIRE. Soutenu le 05 Juillet 2017 par Steven HUMBERT
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- Noël Duquette
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1 RESUME du MEMOIRE Modèle Numérique de Terrain par drone photogrammétrique sur le littoral de l'ile d'oléron Soutenu le 05 Juillet 2017 par Steven HUMBERT Plan I Contexte : suivi de l évolution topographique du littoral sud-ouest de l Île d Oléron... 1 II Acquisition de données sur le terrain par drone... 2 III Traitements photogrammétriques sous Agisoft PhotoScan et MicMac... 2 IV Analyse comparative des logiciels... 3 V Analyse des changements temporels à partir de données 3D... 4
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3 L érosion côtière est un problème planétaire qui risque de s aggraver. Les littoraux de Charente- Maritime sont particulièrement concernés : le sud-ouest de l Ile d Oléron recule d une dizaine de mètres en moyenne par an. Dans le cadre du projet «EVènements EXtrêmes et érosion du trait de côte : mesure, modélisation numérique et impacts sociétaux» (EVEX), le laboratoire LIttoral ENvironnement et Sociétés (LIENSs) de La Rochelle a développé une méthode de suivi par drone de l évolution morphologique du littoral à très haute résolution spatiale et temporelle. La première partie de ce TFE présentera le contexte dans lequel se fait le suivi du littoral sur la zone étudiée, la deuxième décrira l acquisition des données sur le terrain, la troisième décrira les traitements photogrammétriques envisageables sous PhotoScan et sous MicMac. Puis, dans les deux dernières parties, seront présentées l analyse comparative des deux logiciels et finalement l analyse des changements temporels entre deux données 3D. I Contexte : suivi de l évolution topographique du littoral sud-ouest de l Île d Oléron Le projet EVEX vise à mieux comprendre les processus physiques qui contrôlent l érosion des littoraux pendant les évènements extrêmes (tempêtes, houles exceptionnelles, ondes infragravitaires), afin d améliorer la prédiction de l érosion côtière et d en évaluer les impacts sociétaux. Pour suivre l évolution des sédiments, plusieurs séries de mesures photogrammétriques et bathymétriques sont nécessaires. La zone d étude (zones 1 et 2 figure 2) est composée de deux zones de côtes sableuses séparées par une embouchure tidale (système permettant la communication entre l océan et une zone abritée). L intensité de la houle et de la marée entraîne de fortes variations dans ce type de lieu. De plus, les côtes à plages et dunes sont naturellement mobiles. La plage et les dunes sont interdépendantes : sous l action du vent, le sable sec de la plage alimente la dune, et à l inverse la dune est une réserve de sable pour la plage et vient amortir l érosion marine. Les récentes évolutions technologiques ont révolutionné les possibilités d usage de la photogrammétrie et de nouvelles techniques d acquisitions ont vu le jour. Le LIENSs a acheté le drone photogrammétrique ebee de Sensefly pour suivre les évolutions morphologiques de la zone d étude. Figure 1: Localisation de la Charente-Maritime en France Figure 2: Localisation de la zone d'étude: 1 2 1
4 II Acquisition de données sur le terrain par drone L acquisition par drone photogrammétrique permet de s affranchir des contraintes liées aux images satellites (résolution spatiale, période de revisite, coût) ainsi qu une meilleure réactivité face à la survenue d un évènement extrême. Le drone ebee commercialisé par Sensefly (Figure 3) est un drone autopiloté équipé d une intelligence de bord artificielle lui permettant d optimiser les paramètres de vol en temps réel. Il est équipé d un récepteur GNSS embarqué à mesure sur code, ce qui ne permet pas une précision suffisante pour le suivi souhaité. Des cibles, disposées sur l ensemble de la zone d étude, sont alors mesurées avec des récepteurs GNSS à observation de phase sur le terrain. Figure 3: Drone ebee commercialisé par Sensefly. Différents tests réalisés par le LIENSs ont permis d établir les paramètres d acquisition nécessaires pour le suivi souhaité : une hauteur de vol de 150 m, un recouvrement latéral de 60% et longitudinal de 75% et deux lignes de cibles parallèles au trait de côte, avec un espacement de 500 m entre les cibles (Figure 4). L acquisition des données est à la fois contrainte par la marée et par la météorologie. En effet, l acquisition n est intéressante que si l on peut observer une zone suffisamment découverte par les eaux, d où l importance de la marée qui ne permet de disposer que d une fenêtre de 2h 2h30 de vol. De plus le drone ne peut voler avec des rafales supérieures à 12 m/s et sous la pluie. Figure 4: Configuration retenue pour le positionnement des points d'appui. III Traitements photogrammétriques sous Agisoft PhotoScan et MicMac Agisoft PhotoScan est une solution logicielle commerciale qui permet de réaliser un processus photogrammétrique à partir d images pour construire des modélisations 3D. Le processus d alignement des images est totalement automatisé, tout comme la reconstruction du modèle 3D. MicMac, quant à lui, est une suite logicielle de photogrammétrie open-source, utilisable librement avec une obligation de citation, y compris en cas d usage commercial. Il est composé d un ensemble de programmes qui vont être appelés successivement, chacun réalisant une opération précise, qui permettent de générer des modèles 3D ainsi que des orthoimages. Contrairement aux solutions commerciales, MicMac se veut contrôlable par l utilisateur à tous les niveaux. Ainsi, de nombreuses fonctions sont utilisables et finement paramétrables. 2
5 IV Analyse comparative des logiciels Les comparaisons peuvent se distinguer en deux axes : la comparaison des différents paramétrages au sein d un logiciel et la comparaison des deux logiciels. Dans les deux cas, les éléments de comparaisons permettant de conclure sur la qualité des résultats seront les mêmes : les paramètres estimés, la qualité visuelle des résultats, les produits intermédiaires, les points de contrôle et les produits. Pour MicMac, différentes séries de tests ont permis de choisir les meilleurs paramétrages pour la détection de points homologues ainsi que pour l estimation des paramètres de l objectif et pour l orientation relative. La qualité de l orientation absolue et de la compensation a été contrôlée avec des points de contrôle. Les différents paramétrages de fonction de corrélation dense automatique ont été comparés. Le logiciel a éprouvé des difficultés pour détecter des points homologues sur les zones sableuses lisses et uniformes. Ces mêmes zones ont également posé des problèmes lors de la reconstruction 3D. Le résultat n est malheureusement pas totalement convainquant car la reconstruction n est pas complète et les écarts aux points de contrôle sur le bas de plage restent élevés. En ce qui concerne PhotoScan, le paramétrage actuel se base sur une série de tests qui ont été réalisés précédemment dans le cadre d un stage. Dans ce logiciel, les paramètres à choisir en fonction du type de relevé et du résultat final souhaité s avèrent bien souvent «intuitifs» car ils sont plus qualitatifs que quantitatifs. MicMac PhotoScan La comparaison des deux logiciels a été effectuée à plusieurs niveaux. Les paramètres estimés sont globalement cohérents. Les nuages de points peu denses sont proches, mais l avantage est donné à MicMac qui permettrait de détecter un nombre de points homologues supérieur. En ce qui concerne les nuages de points denses, la reconstruction est clairement plus complète avec PhotoScan (Figure 5). Le calcul des écarts altimétriques entre les modèles et les points de contrôle donnent là aussi l avantage à PhotoScan pour lequel les erreurs restent plus faibles, notamment sur le bas de plage. Les écarts planimétriques confirment une moins bonne modélisation sous MicMac sur la partie basse de la plage. Nord Nord Figure 5: Nuages denses calculés sous MicMac (à gauche) et sous PhotoScan (à droite) 3
6 V Analyse des changements temporels à partir de données 3D Deux principales méthodes de comparaison de changement entre deux données 3D, retenues dans la littérature, ont été testées : 1) La différence altimétrique entre deux MNS raster (distance verticale) 2) La distance Euclidienne entre deux nuages de points denses (distance normale aux surfaces) Actuellement, la méthode utilisée dans le cadre du projet EVEX pour suivre l évolution du littoral entre deux dates est celle des différences altimétriques entre 2 MNS. Sur le littoral, elle permet de constater une éventuelle érosion ou une accrétion et ainsi d estimer les déplacements de sédiments. La seconde méthode a été testée, avec différents paramètres, et les résultats sont proches de la première méthode. Ainsi, elle permettrait également de suivre les évolutions morphologiques du littoral et les résultats semblent montrer un calcul plus robuste que la différence de MNS raster. Concernant l évolution du littoral, l hiver n a pas été très violent sur le littoral Charentais. Mais le trait de côte a tout de même reculé jusqu à 20 m environ sur la zone la plus impactée (Figure 6). Le recul du trait de côte est bien souvent synonyme d une destruction plus ou moins importante de la dune active et donc d une diminution du stock sédimentaire. De plus, on peut observer une migration des sédiments vers le sud (accrétion en rouge Figure 7). Figure 6: Illustration du recul de la dune durant l'hiver (nuages de points denses). Hauteur ellipsoïdale Est Nord Figure 7: Différence altimétrique entre le 23/09/2016 et le 16/03/
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