Produire un modèle numérique d élévation à l'aide du DEM Extraction Module d'envi

Produire un modèle numérique d élévation à l'aide du DEM Extraction Module d'envi Note : ce petit guide s'inspire en partie de l'aide fournie avec ENVI. La figure 1 provient du site http://www.ai.sri.com/~luong/research/meta3dviewer/epipolargeo.html) Ce document a pour but de guider l'utilisateur le long du processus permettant d'extraire un modèle numérique d'élévation avec le logiciel ENVI. Les paramètres qui ont une influence sur la qualité du résultat étant nombreux, il n'est pas facile d'obtenir un modèle probant dès la première utilisation. Afin de vous aider à faire les bons choix, les différentes étapes qui constituent ce processus ont été détaillées dans la seconde partie. Avant d'en venir à la pratique, voici quelques notions qui vous permettront de mieux comprendre les différents traitements que vous serez amenés à effectuer par la suite. 1. Quelques notions Un modèle numérique d élévation (MNE) est une grille raster dont les valeurs indiquent l élévation du terrain. Le module d extraction de MNE d ENVI permet de générer un modèle numérique d élévation à partir d un couple stéréographique d images satellites ou aériennes. Ce modèle d élévation peut ensuite être utilisé pour orthorectifier des images (notamment celles du couple stéréo dont il est issu) ou encore pour visualiser des données en trois dimensions. Afin de générer un MNE, le logiciel a besoin d un couple d images stéréographiques ainsi que de leurs RPC (rational polynomial coefficients), généralement fournis dans les en-têtes des images. Les RPC sont utilisés pour générer des points de correspondance (tie points) et analyser la relation entre les deux images du couple. L extraction d un MNE se fait en plusieurs étapes qui peuvent être effectuées individuellement ou de façon encadrée en utilisant l assistant d extraction de MNE (DEM Extraction Wizard). L assistant comporte neuf étapes qui seront décrites par la suite. On distingue dans le processus d extraction d un MNE trois points capitaux pour obtenir un résultat satisfaisant : la création de l image épipolaire, de l image de parallaxe et le géocodage. Création des images épipolaires : (fig. 1) si m est la projection sur une image d un point M vu par un capteur en position C 1, le point qui lui correspond sur l autre image, lorsque le capteur est en position C 2, appartient forcément à la droite appelée ligne épipolaire. Le rapport entre m et cette droite est défini par la matrice fondamentale. Les lignes épipolaires sont les traces du plan épipolaire (C 1, C 2, M) sur chaque image. Lorsque le point M bouge, les points e 1 et e 2 restent fixes. Ce sont les épipôles. Le fait qu un point au sol et les deux centres optiques appartiennent au plan épipolaire implique que pour un point donné sur une image, le point qui lui correspond sur l autre image appartient à la ligne épipolaire, dont on connaît la position. L identification des points homologues est donc facilitée car l espace de recherche est restreint aux lignes épipolaires. version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 1

fig. 1 La géométrie épipolaire Création de l image de parallaxe : l image de parallaxe stocke la différence entre les coordonnées en x des points homologues le long des droites épipolaires. Cette différence est utilisée pour construire le MNE. La qualité de l image de parallaxe a donc une forte influence sur celle du MNE. Géocodage : à partir de la projection épipolaire, le MNE est re-projeté dans une projection et dans des unités définies par l utilisateur. Cette étape implique un rééchantillonnage à la taille de pixel spécifiée. Le MNE obtenu peut être relatif ou absolu. Un MNE absolu est calé avec les coordonnées géodésiques (référentiel horizontal) et avec le niveau moyen de la mer (référentiel vertical). Des points de contrôle au sol (ground control points ; GCP) sont nécessaires afin d obtenir un MNE absolu. La création d un MNE absolu ne sera pas abordée dans ce tutorial. Seules les étapes intervenant dans le processus d extraction d un MNE relatif seront décrites. 2. Description des différentes étapes de l assistant d extraction de MNE dans le cas d un MNE relatif Étape 1 : Selecting the Stereo Image Pair Cette première étape (fig. 2) consiste à sélectionner les deux images du couple stéréo. Si l une d elles a été acquise avec un angle de visée proche du nadir, il est recommandé de l utiliser en tant qu image de gauche (base image). En effet, l image de gauche est utilisée comme référence lors de l étape de création de l image de parallaxe. Les valeurs d altitudes minimums et maximums sont indiquées automatiquement grâce aux RPC. Vous pouvez remplacer ces valeurs par des valeurs plus précises si vous en possédez. Étape 2 : Selecting Ground Control Points Cette étape n est pas nécessaire si vous souhaitez extraire un modèle d élévation relatif. Sélectionnez alors "No GCPs" et cliquez sur "Next", ce qui vous amènera directement à l étape 4. Remarque : si vous désirez extraire un modèle absolu, vous devez sélectionner des points de contrôle soit de manière interactive, soit à partir d un fichier de GCP (Ground Control Points). Pour pouvoir définir des GCP de manière interactive, il faut connaître leur altitude. version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 2

Si vous choisissez la méthode interactive ou bien si vous sélectionnez un fichier de points en choisissant de pouvoir examiner et éditer ces points, ceci vous conduira à l étape 3. fig. 2 Étape 1 : Selecting the Stereo Image Pair Étape 3 : Viewing, Adding, Editing GCPs Cette étape ne sera pas décrite ici étant donné qu elle n intervient pas dans le processus d extraction d un MNE relatif. Étape 4 : Collecting Tie Points Le but de cette étape est de définir la relation entre les deux images en sélectionnant ou en générant des points de correspondance (tie points). Ces points seront ensuite utilisés pour créer les images épipolaires. Le programme propose trois façons de définir des tie points (fig. 3) : la génération automatique de points par ENVI, le choix de tie points par l utilisateur ou l importation à partir d un fichier. Si vous ne disposez pas de points à importer, vous pouvez par exemple opter pour la génération automatique de points puis les modifier "à la main". Les paramètres pour la génération automatique sont les suivants : Number of Tie Points : indique le nombre de points qui seront générés. L'aide d'envi recommande de choisir la valeur 25. Cependant, un nombre supérieur peut permettre d'améliorer la qualité du résultat final. De plus, la densité des points dépendant de la taille de la zone, il n'est pas forcément judicieux de se contenter de la valeur par défaut. Il ne faut donc pas hésiter à faire plusieurs tentatives en augmentant cette valeur si le résultat n'est pas satisfaisant. Il apparaît qu'au-delà d'un certain seuil, les améliorations ne sont plus significatives. Search Window Size : indique la taille de la fenêtre de recherche. Cette fenêtre version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 3

représente un extrait de l'image dans laquelle la fenêtre glissante (moving window), plus petite, cherche les corrélations de la topographie pour placer un tie point. La valeur en pixels doit être supérieure ou égale à 21 et doit être supérieure à celle de la moving window. Cette valeur dépend de l'exactitude des informations contenues dans les image, les RPC, etc. et dépend aussi de la rugosité de la surface. Une bonne façon de déterminer une valeur minimum pour ce paramètre est d'établir un lien géographique entre les deux images (geographic link, accessible depuis le menu Tools Link) puis de cliquer sur un point (A) de la base image (image de gauche). Le curseur de la warp image (image de droite) pointera alors sur un point (B), plus ou moins proche du point (C), qui correspond au point (A) de la base image. Mesurez la distance BC en pixels sur la warp image et utilisez la valeur 2*(BC+1) comme taille minimum pour la search window. La valeur de ce paramètre peut varier considérablement d'un couple d'images à un autre. Une valeur élevée donne plus de chances de trouver des tie points mais augmente la durée de traitement. Une valeur trop élevée peut donner des points erronés, des points similaires pouvant exister en plusieurs endroits de l'image. Par exemple, pour un couple donné, la valeur par défaut (81) ne donne pas un résultat probant et la valeur optimale se situe à environ 200. Ce paramètre a une grande influence sur la qualité du résultat final. Faite-le varier afin d'obtenir un jeu de tie points homogène. fig. 3 Étape 4 : Collecting Tie Points Moving Window Size : la fenêtre glissante cherche dans la zone définie par la search window des points similaires entre les deux images. Sa taille doit être un entier impair supérieure à 5. La valeur par défaut est 11. Une valeur élevée permet d'obtenir un placement plus précis des tie points mais augmente la durée de traitement. La taille de version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 4

la moving window dépend essentiellement de la résolution spatiale et du type de surface. Voici quelques indications : Pour une résolution spatiale de 10 m ou plus, choisir une taille de 9 à 15 pixels. Pour une résolution spatiale de 5 à 10 m, choisir une taille de 11 à 21 pixels. Pour une résolution spatiale de 1 à 5 m, choisir une taille de 15 à 41 pixels. Pour une résolution spatiale de 1 m ou moins, choisir une taille de 21 à 81 pixels. Pour des images à très haute résolution, la plupart des bâtiments se ressemblent. Aussi est-il conseillé de prendre une taille de fenêtre plus large afin de prendre en compte les zones environnantes. Region Elevation : la valeur indiquée est une valeur moyenne d'élévation basée sur l'élévation générale de l'image. Elle est estimée à partir des RPC. Vous pouvez remplacer cette valeur par une valeur plus précise si vous en possédez. Examine and Edit Tie Points : cette option permet de visualiser et modifier les tie points générés par ENVI, ce qui est recommandé. Si vous choisissez de ne pas les visualiser, vous accéderez directement à l'étape 6. Étape 5 : Viewing, Adding, Editing Tie Points À ce niveau vous aurez la possibilité d'éditer, ajouter ou supprimer des tie points. La valeur du Maximum Y Parallax permet de contrôler l'erreur globale induite par l'ensemble des tie points. Cette valeur, en pixels, n'est calculée que si il y a au moins neuf tie points. L'erreur maximum autorisée pour pouvoir passer à l'étape suivante est de 10 pixels. Évidemment, plus elle est proche de zéro, mieux c'est, mais une valeur de 1 ou 2 pixels reste acceptable. L'option "Show table..." (fig. 4) permet de d'accéder à une liste de l'ensemble des points et de les classer en fonction de leurs niveaux d'erreurs respectifs (fig. 5). Le rang 1 correspond au couple de points qui a le plus de chances d'être erroné. Ce classement est également accessible au moyen du bouton "Likely Error Ranking" (fig. 4), le premier couple de points étant celui dont l'erreur est la plus importante. Lorsque la position d'un point ne vous semble pas satisfaisante, déplacez le curseur sur le pixel voulu puis cliquez sur "Update". Il est important d'être précis sur la localisation des points ; vous pouvez pour cela utiliser la fenêtre de zoom afin d'ajuster la position au pixel près. Il est également possible de supprimer ou d'ajouter des tie points, le but étant d'obtenir une répartition relativement homogène sur la zone commune aux deux images. La figure 6 présente un exemple d'un couple de tie points généré par ENVI qui nécessite un ajustement. La valeur du Maximum Y Parallax devrait diminuer au fur et à mesure des ajustements. Cependant, il est possible qu'une modification n'améliore pas sensiblement la valeur, voire même que celle-ci augmente. Il est également possible que des couples de points dont l'erreur est apparemment forte soient pourtant bien placés. En effet, un couple avec une faible erreur peut être responsable de la quasi-totalité de l'erreur globale. La seule alternative est alors de vérifier l'ensemble des couples de points pour repérer le ou lesquels posent problème. version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 5

Remarque : cette étape d'ajustement peut s'avérer relativement fastidieuse. Sauvegarder le jeu de tie points lorsque celui-ci vous convient peut s'avérer utile pour pouvoir le réutiliser et éventuellement l'améliorer. Les options "Save..." et "Restore..." (fig. 4) permettent de sauvegarder et d'importer vos points. Étape 6 : Generating Epipolar Images fig. 4 Étape 5 : Viewing, Adding, Editing Tie Points Une fois les tie points définis, le logiciel va pouvoir calculer la géométrie épipolaire ainsi que les images épipolaires desquelles sera extrait le MNE. Pour rappel, les images épipolaires sont un couple d'images stéréo orientées de telle façon que les points similaires aient la même coordonnée en y. Ceci permet de s'affranchir d'une dimension et augmente de ce fait considérablement la vitesse de traitement ainsi que la qualité du résultat. Les images épipolaires définissent donc la relation entre les pixels des deux images et peuvent être visualisées en 3D avec des lunettes anaglyphes. Il est possible de sauvegarder ces images pour les visualiser a posteriori. Si vous choisissez de les visualiser en utilisant des lunettes anaglyphes, vous pourrez utiliser l'outil Epipolar 3D Cursor Tool pour relever les coordonnées 3D de points de votre choix. Le paramètre Epipolar Reduction Factor contrôle le sous-échantillonnage des images épipolaires. C'est un nombre réel qui doit être supérieur ou égal à 1. Une valeur de 1 signifie version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 6

que les images épipolaires auront la même résolution spatiale que les images en entrée. Une valeur de 2 signifie que leur résolution sera égale à la moitié de celle des images en entrée. Le temps de traitement sera alors plus court et les images occuperont moins d'espace sur le disque mais ceci limitera la résolution maximum du MNE. fig. 5 Stereo Tie Points List (option "Show Table...") fig. 6 Exemple d'un couple de tie points nécessitant un ajustement Les deux boutons "RGB=Left,Right,Right..." et "RGB=Right,Left,Left..." permettent de visualiser immédiatement les images générées. Si le relief apparaît inversé en utilisant la première option, utilisez la seconde. Étape 7 : Setting Output DEM Projection L'étape 7 permet de définir la projection, l'étendue et la résolution du MNE. Vous pouvez modifier les coordonnées du coin haut gauche pour restreindre la taille de la zone à votre convenance, les autres coins étant définis par la taille du pixel (X et Y Pixel Size) et par le version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 7

nombre de lignes et de colonnes (Output X Size et Output Y Size). Pour modifier la projection, cliquez sur "Change Proj..." (fig. 7), choisissez la projection, le système géodésique et l'unité qui conviennent puis cliquez sur "OK". Les valeurs de la taille du pixel en X et en Y seront converties en fonction de la nouvelle unité choisie. fig. 7 Étape 7 : Setting Output DEM Projection La taille du pixel est automatiquement définie en fonction de celle des images en entrée. Il est possible de modifier ces valeurs en en entrant de nouvelles. La qualité du MNE est directement lié à ce paramètre. Lorsque ces valeurs sont modifiées, les valeurs Output X Size et Output Y Size, qui définissent le nombre de lignes et de colonnes, sont automatiquement recalculées. Vous pouvez modifier ces deux paramètres pour restreindre la zone extraite à une zone plus petite, comprise dans la zone de recouvrement des deux images. Étape 8 : Selecting DEM Extraction Parameters Cette étape permet de déterminer les paramètres d'extraction du MNE. Voici le détail de ces différents paramètres (fig. 8) : Minimum Correlation : c'est le seuil du coefficient de corrélation, compris entre 0 et 1, à partir duquel on considère que deux points sont similaires. Si un coefficient de version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 8

corrélation est inférieur à ce seuil, alors les points ne sont pas considérés comme étant similaires. La valeur par défaut est 0,70. Une valeur faible permet d'obtenir plus de couples de points mais réduit la précision et inversement. D'après l'aide d'envi, il est raisonnable de saisir une valeur comprise entre 0,65 et 0,85. Background Value : il s'agit de la valeur du fond de l'image, qui ne contient pas d'informations. La valeur par défaut est -999. Il est recommandé de choisir une valeur qui n'appartienne pas à l'intervalle d'altitudes de la zone extraite. fig. 8 Étape 8 : Selecting DEM Extraction Parameters Edge Trimming : cette valeur, comprise entre 0 et 0,6, indique le pourcentage normalisé de pixels à rogner sur le bord du MNE. La figure 9 (issue de l'aide d'envi) présente un exemple avec une valeur de 0,1, pour laquelle 10% des bords du MNE sont rognés, soit 5% sur chaque bord. Cette option permet de s'affranchir des effets de bord. Moving Window Size : c'est la taille de la fenêtre glissante utilisée pour repérer les couples de points similaires. Une valeur élevée permet d'obtenir plus de résultats, mais moins précis et demande plus de temps de traitement. La valeur par défaut est 5*5. L'aide d'envi recommande de régler le seuil de corrélation (Minimum Correlation) à version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 9

une valeur plus faible si la taille de la fenêtre est augmentée (7*7 ou 9*9 par exemple). Terrain Relief : Low : si la surface de la zone extraite est constituée, au premier ordre, de zones plates avec un relief faible. Un effet lissé sera appliqué au MNE. Moderate : option par défaut, appropriée à la plupart des zones. High : si la surface de la zone extraite est constituée, au premier ordre, d'un relief montagneux. Les zones de fort relief ne seront pas lissées. fig. 9 Edge Trimming : exemple pour une valeur de 0,1 Terrain Detail : détermine le niveau de détail du MNE. Une pyramide d'images est utilisée pour faire correspondre les images du couple stéréo entre elles. Les niveaux vont de 1 (minimum) à N (maximum), où N est déterminé par la taille de l'image épipolaire. Si le niveau 1 est choisi, la correspondance entre les images est établie à partir de l'image la plus dégradée en résolution. Si le niveau N est choisi, elle est établie à partir de l'image de plus haute résolution possible (la résolution de l'image épipolaire). Ce paramètre est extrêmement important : il détermine la précision du MNE ainsi que le temps de traitement nécessaire à son extraction. Plus le niveau est élevé, plus le temps de traitement sera élevé et plus le résultat sera détaillé. Si le niveau de détail est un paramètre important pour l'utilisation que vous voulez faire de votre MNE et si votre ordinateur est suffisamment puissant, n'hésitez pas à choisir le plus haut niveau possible, même si le temps de calcul est important. Output Data Type : choisissez entre une image dont les valeurs sont des nombres entiers (2 bytes) ou des réels (4 bytes). La durée de traitement peut être de plusieurs heures, en fonction des choix effectués pour la taille de la fenêtre glissante et pour le niveau de détail. Une fois le processus terminé, les différents fichiers générés apparaîtront dans la liste des canaux disponibles (Available Bands List). version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 10

Étape 9 : Examining the DEM Result Deux options sont diponibles : Load DEM Result to Display : charge le MNE dans un groupe de fenêtres. Load DEM Result to Display with Editing Tool : charge le MNE dans un groupe de fenêtres et ouvre l'outil d'édition de MNE. 3. Conclusion : Le processus d'extraction d'un MNE est relativement complexe et ces explications pourront peut-être vous éviter d'avoir à effectuer plusieurs essais avant d'obtenir un résultat satisfaisant. Le choix des images du couple stéréo est un autre point important, qui n'a pas été abordé dans ce document. Ceci devrait faire l'objet d'un chapitre dans une prochaine version. La technique d'orthorectification des images ainsi que quelques conseils sur les traitements à appliquer pour la correction des MNE ainsi extraits devraient également y figurer à terme. version 1.3 (novembre 2009) Arthur Delorme IPGP 11