Construction d un Modèle Numérique de Terrain par stéréoscopie aérienne ou satellitaire

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1 Construction d un Modèle Numérique de Terrain par stéréoscopie aérienne ou satellitaire UMR TETIS Cemagref-CIRAD-ENGREF PLAN 1. IMAGES AERIENNES ET SATELLLITALES a) Images sources pour les MNT b) Modes d acquisition 2. Photogrammétrie a) Présentation b) Stéréoscopie c) Perception du relief d) Equations fondamentales 3. Construction du MNT a) Acquisition des images b) Géométrie c) Restitution du relief 4. Leica Photogrammetric Suite a) Présentation b) Processus photogrammétriques U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 2/ 36

2 MNT - DEFINITIONS Représentation directe ou dérivée de la variable altitude DEM : Digital Elevation Model (modèle numérique de surfaceou MNS) DTM : Digital Terrain Model (sol - MNT) Dimension 2 (ne représente pas les volumes) Altitude : mesure de la distance d'un point de la surface par rapport au géoïde selon la verticale locale Géoïde : surface équipotentielle de gravité Géoïde : altitude Ellipsoïde : hauteur U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 3/ 36 UTILISATION DES MNT Produits cartographiques courbes de niveau, d'isopente, lignes d'écoulement, éclairements, bassins versants, visibilités Produits techniques profils, plans d'aménagement, Produits de communication (paysages, études d impact, jeux) blocs diagrammes, simulation de vol (VRML) reconstruction 3D (archéologie), vision stéréo Produits numériques (simulation et analyse) hydrologie, météorologie télédétection (calcul d ortho-images, corrections radiométriques), intervisibilité (propagation d ondes) U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 4/ 36

3 Produits cartographiques Courbes de niveau Cartes d ensoleillement Source : U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 5/ 36 Produit technique Cote de l eau des casiers de la plaine inondée N 5m 100m Casier immergé Sol U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 6/ 36

4 Produits de communication Bloc diagramme Drapage d images U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 7/ 36 Produits numériques Orthorectification Intervisibilité U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 8/ 36

5 Format des MNT Dans les SIG deux principaux formats sont utilisés: image vs «tracé» raster vs vecteur MNT : Courbes TIN Mailles U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 9/ 36 FORMAT CLASSIQUE D'UN MNT N (orientation) étendue en Y ou lignes dx Taille de la maille (résolution) dy Altitude de la maille Structure de type «raster» étendue en X ou colonnes Origine (X,Y) U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 10/ 36

6 VISUALISATION DU MNT MAILLE ECHELLE DE GRIS CLASSES DE COULEUR U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 11/ 36 Exemple MNT Classes d'altitude exprimées en mètre Echelle 2 km N U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 12/ 36

7 PENTES Classes de pente exprimées en degrés Echelle 2 km N U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 13/ 36 DIRECTIONS DE PENTES (AZIMUT) N Echelle 2 km CHARTE DES COULEURS D'AZIMUT U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 14/ 36

8 1. Images sources pour les MNT Images optiques Images radar Images lidar Aéroporté, satellitaire Photogrammétrie Clinométrie Radargrammétrie Interférométrie Radarclinométrie Altimétrie U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 15/ IMAGES Modes d acquisition Différence entre capteur matriciel & capteur à défilement Capteur matriciel un point focal par image acquisition instantanée de l image trace Capteur «pushbroom» succession de perspectives planes acquisition ligne à ligne de l image U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 16/ 36

9 2. Photogrammétrie : Présentation Technique qui permet l'étude et la définition précise des formes, dimensions et orientation dans l'espace d'un objet, en utilisant les mesures sur une ou plusieurs photos de l'objet. Sources photos aériennes images satellitaires Orthorectification stéréoscopie Restitution MNT orthophoto U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 17/ Photogrammétrie Stéréoscopie Vision stéréoscopique : 2 perspectives de 2 points de vue différents stéréoscope : 1 œil pour 1 photo anaglyphe : 1 image sur 2 canaux + lunettes numérique : succession images sur ordinateur + lunettes Source : Vision et mesures stéréoscopiques Otto Kölbl Analogique Numérique U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 18/ 36

10 2. Photogrammétrie Stéréoscopie Cas photos aériennes : recouvrement Direction de vol 30% 60% Zone commune à 3 clichés Zone commune à 6 clichés U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 19/ Photogrammétrie : Stéréoscopie Cas du satellite : Stéréoscopie avant/arrière Stéréoscopie latérale multi passe Quasi-simultanéité d acquisition (exemple SPOT 5) Flexibilité par réglage angles de visée MAIS images diachroniques (changements conditions atmosphériques + terrain) U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 20/ 36

11 2. Photogrammétrie : Stéréoscopie Stéréoscopie aérienne Stéréoscopie latérale type SPOT B Passage au jour J+4 Passage au jour J f S 1 S 2 H Sens du déplacement h H : altitude de prise de vue f : focale de l appareil élévation parallaxe Surface de référence pour la mesure des parallaxes U.M.R. TETIS B : base de prise de vue Constitution de MNT par stéréoscopie 21/ Photogrammétrie : Stéréoscopie Cas de SPOT 1 à 4 : orbite polaire, circulaire (830 km), cycle de 26 jours, dépointage latéral de -27 à +27 Passages au jour J+10 J+5 J J-5 Trace au sol U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 22/ 36

12 2. Photogrammétrie : Stéréoscopie Stéréoscopie avant-arrière / longitudinale (SPOT 5) Quasi-simultanéité d acquisition 2 techniques : même instrument de visée qui pivote (délai car temps de stabilisation) plusieurs appareils pointant à des angles différents U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 23/ Photogrammétrie : Perception du relief S1 S2 Axe de vol B A C Cliché 2 a2 b2 b1 c1 Cliché 1 c2 a1 Couple stéréoscopique Points homologues U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 24/ 36

13 2. Photogrammétrie : Perception du relief S1 S2 Axe de vol B A C Orthophoto a2 b2 c1 b1 Cliché 2 c2 a1 Cliché 1 U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 25/ 36 a b c Définitions cliché S sommet de prise de vue Verticale Axe optique (oblique) Photo verticale Focale f S échelle = f / H Hauteur de vol H Nadir O S 1 S 2 B terrain Axe de vol N = O I N 1 N 2 N 3 N 4 Base de prise de vues Interbase de prise de vues U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 26/ 36

14 2. Photogrammétrie : Perception du relief Perception du relief dépend de la différence d angle d incidence Caractérisation configuration stéréoscopique : B/H = tan(α g ) + tan(α d ) H hauteur du capteur, B base de prise de vue B/H donne la parallaxe pour une hauteur de 1m : B/H augmente ampleur du relief perçu augmente B H Choix B/H en fonction du terrain B H B/H optimum pour restitution stéréoscopique : B/H = 1 Spot (choix angles prises de vues) : 0 < B/H < 1,2 Aérien : B/H ~ 0,6 U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 27/ Photogrammétrie : Equations fondamentales Condition de colinéarité : au moment de la prise de vue, le point M et son image m sont situés sur une droite passant par S sommet de prise de vue. S Sm = k. SM y Relation entre coordonnées terrain et coordonnées cliché m cliché x Z Y M Terrain X U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 28/ 36

15 2. Photogrammétrie : Equations fondamentales Condition de coplanéité : si m 1 est l image de M sur le cliché 1 et m 2 l image de M sur le cliché 2, les rayons S 1 m 1 et S 2 m 2 se coupent en M. S 1 S 2 m 1 m 2 cliché 1 cliché 2 Z M Y M Terrain X M M det ( S S, S m, S m ) = Relation entre coordonnées points homologues U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 29/ Construction du MNT Acquisition images Photos aériennes à numériser Images satellitaires numériques Géométrie Orientation interne ( chambre métrique ) Orientation externe ( par rapport au terrain ) Restitution relief Saisie manuelle ou Corrélation automatique MNT Orthophoto U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 30/ 36

16 3. Construction du MNT : Acquisition images Acquisition images Géométrie Photos aériennes à scanner Images satellitaires numériques Scannage : résolution ex : 300dpi = 84µm Limite de l émulsion : grain sur papier ~ 10µm Etalonnage scanner Choix prises de vues : B/H, météo, dates. Pixel image résolution minimale MNT ( ~ 2 pixels ) Restitution ex : photos au 1/17 000, relief pixel de 1.428m à 300dpi, résolution > 3m. U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 31/ Construction du MNT : Géométrie Acquisition images Positionnement de S par rapport au cliché Marques fiduciaires Orientation interne Géométrie Orientation externe Relative (rayons homologues se coupent) Points de liaison Coplanéité Absolue Points Restitution (mise à l échelle terrain relief et orientation) Colinéarité U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 32/ 36

17 Orientation externe x Image orientée par rapport au référentiel terrain 0 z Z Y Y0 Z0 X0 U.M.R. TETIS X Constitution de MNT par stéréoscopie 33/ Construction du MNT : Géométrie Stéréopréparation : opération de terrain fournissant données points terrain repérables sur les photographies Aérotriangulation : calcul de l orientation du capteur pour chaque image en X, Y, Z et en rotation (lambda, phi, kappa) Cette triangulation peut être calculée par «bloc» de plusieurs images point de contrôle connu en X,Y,Z point de liaison U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 34/ 36

18 3. Construction du MNT : Géométrie Sélection points de liaison (tie points) Sélection points de contrôle (GCP Ground Control Point) point de contrôle connu en X,Y,Z point de contrôle connu en Z point de contrôle connu en X,Y Primordial : identification, distribution & densité des points d amer U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 35/ Construction du MNT : Géométrie Triangulation : fondée sur conditions de colinéarité & coplanéité Meilleur ajustement points d amer par méthode des moindres carrés erreur résiduelle pour chaque point? Amélioration : redéfinition points d amer & précisions paramètres en entrée U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 36/ 36

19 3. Construction du MNT : Restitution du relief Acquisition images Géométrie Saisie manuelle Stéréorestituteur : opérateur suit les courbes de niveau avec un ballonnet Restitution relief Corrélation automatique : mise en correspondance points homologues Basée sur ressemblance radiométrique entre 2 images Rapidité processus : sur-échantillonnage images + travail en géométrie épipolaire U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 37/ Construction du MNT : c) Restitution du relief Géométrie épipolaire S1 S 2 Tout point d'un rayon perpespectif m 1 M a son homologue sur l'image de ce rayon sur l'autre vue, p 2 m 2 q 2 cliché 1 m 1 p 2 m 2 q 2 cliché 2 P (z max) Pour clichés aériens, lignes épipolaires = droites. U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie Q (z min) 38/ 36 M

20 Corrélation automatique le long de la ligne épipolaire : Fenêtre 2 2 processus possibles Fenêtre 1 Image 1 ou Image 2 Rectification Image 2 épipolaire Fenêtre 2 U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 39/ 36 Image 1 Image 2 épipolaire Points homologues Maximum de corrélation appariement pixels Fonction de corrélation traduit ressemblance radiométrique entre les 2 fenêtres Comparaison des radiométries fenêtres : OK? nécessite variabilité radiométrique U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 40/ 36

21 4. LPS : Présentation Acquisition images Photos aériennes scannées importées Processus photogrammétriques Géométrie : système de référence chambre de prise de vue points d amer Triangulation Corrélation automatique Restitution visualisation MNT Orthophoto U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 41/ LPS : Orientation interne Système géodésique & représentation cartographique : ellipsoïde & représentation plane associée Chambre de prise de vues : focale, loi de distorsion radiale lentille ( K0, K1 et K2 ), coordonnées Point Principal de Symétrie ( X0 et Y0 ), coordonnées repères de fond de chambre PPS Coordonnées image : marques fiduciaires, points de contrôle & points de liaison Précision < 0.5 pixel U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 42/ 36

22 4. LPS : orientation externe Coordonnées points de contrôle & points de liaison Image 1 Image 2 Zoom image 1 Zoom image 2 Point de contrôle Coordonnées terrain Coordonnées image U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 43/ LPS : Corrélation automatique Corrélation automatique : processus itératif 1 différents niveaux de résolution géométrie épipolaire 2 3 Restitution MNT puis orthophoto Création orthophoto nécessite connaissance de : orientation chambre de prise de vues (mise en place géométrique ) relief zone photographiée (MNT) U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 44/ 36

23 4. LPS : ORTHORECTIFICATION U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 45/ MNT + Orthoimage : vue en 3D U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 46/ 36

24 Résultats Qualité MNT dépend de : terrain et images : pixel, B/H (pente), dates acquisition, nuages, ombres, neige... points d amer : précision coordonnées terrain & coordonnées image GPS : 10m digitalisation carte 1/ : 5m GPS Différentiel : 1m à 1cm mesures topométriques : quelques cm Corrélation automatique : appariement perturbée par réalité terrain changeante (dates prises de vues différentes ) & météo absence de variabilité radiométrique (surfaces d eau, ombres portées, neige) prise en compte sursol, faces verticales : couvert végétal, infrastructures MNT avec pics et trous locaux à améliorer avec des données terrain U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 47/ 36 Conclusion Essor télédétection nombreux MNT construits à partir de couples stéréoscopiques Intérêt : automatique mais problèmes de qualité Agilité d un satellite multi-instruments Amélioration par intervention de l'opérateur : AVANT : choix images, données terrain & précision paramètres adaptés aux objectifs APRES : définition caractères morphologiques, choix résolution & méthode d'échantillonnage optimales pour utilisation ultérieure du MNT U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 48/ 36

25 CALCUL DE RÉSEAU HYDROGRAPHIQUE ET BASSIN VERSANT U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 49/ 36 CALCULS HYDROLOGIQUES Définition d une fonction simplifiée pente et azimut Première étape : élimination des «trous» Calcul de surfaces de directions et d accumulation U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 50/ 36

26 Algorithme «Bouche trous» - itératif Principe U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 51/ CALCUL DES SURFACES DRAINEES MNT (Altitudes) 2. Directions d'écoulement Codes d'écoulement Surfaces cumulées 17 Exemple de réseau : tout pixel dont la surface drainée >5 U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 52/

27 Extraction du réseau hydrologique U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 53/ 36 Du MNT au réseau hydrographique potentiel U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 54/ 36