UTILISATION DE LA BIBLIOTHÈQUE OPEN - SOURCE RUGGED POUR L AFFINAGE GÉOMÉTRIQUE DE PRISES DE VUE J. GUINET, L. LABAT ALLEE, L. MAISONOBE (CS) D. GRESLOU (CNES) CONCEPTEUR, OPÉRATEUR & INTÉGRATEUR DE SYSTÈMES CRITIQUES www.c-s.fr CS Communication & Systèmes / 1
SOMMAIRE Présentation de Rugged Rugged pour l affinage géométrique Etude de cas : appui et liaison Conclusions et perspectives CS Communication & Systèmes / 2
PRESENTATION DE RUGGED CS Communication & Systèmes / 3
INTRODUCTION : FONCTIONNALITES RUGGED RUGGED : Librairie open source (Licence Apache v2) pour la localisation directe et inverse. Librairie utilisée pour les traitements géométriques de Sentinel 2 [1] : Couplé avec la librairie de traitement d images Orfeo Toolbox (OTB) [2], Rugged fournit le coeur algorithmique des traitements géométriques de la chaine depuis le niveau L0 au niveau L1C de l instrument Sentinel 2. Codée en Java [1] Maisonobe L. et al, Rugged: an operational, open-source solution for Sentinel-2 mapping, Proc SPIE 2015 [2] CNES and OTB contributors, Orfeo ToolBox, https://www.orfeo-toolbox.org/ CS Communication & Systèmes / 4
LES BASES DE RUGGED OREKIT Librairie Open Source de mécanique spatiale https://www.orekit.org/ Hipparchus Librairie Open source de traitements mathématiques https://hipparchus.org/ GÉOLOCALISATION AVEC OREKIT? OREKIT + RUGGED www.orekit.org/rugged CS Communication & Systèmes / 5
RUGGED V1,0 Fonctions de localisation : Localisation directe/inverse (sur éllipsoide, MNT) Localisation sur grilles modèle de prise de vue fixé à la création d une instance de rugged : Un modèle de prise de vue = Une instance de Rugged Rugged rugged = new RuggedBuilder(). setalgorithm(demalgoid). setdigitalelevationmodel(demtileupdater, nbtiles). setellipsoid(ellipsoidid.wgs84, BodyRotatingFrameId.ITRF). settimespan(acquisitionstartdate, acquisitionstopdate, tstep, timetolerance). settrajectory(inertialframeid.eme2000, satellitepvlist, nbpvpoints, CartesianDerivativesFilter.USE_P, satelliteqlist, nbqpoints, Rugged AngularDerivativesFilter.USE_R). addlinesensor(linesensor). build(); Loc directe,inverse, CS Communication & Systèmes / 6
RUGGED POUR L AFFINAGE CS Communication & Systèmes / 7
L AFFINAGE DANS RUGGED Etude : Démontrer la faisabilité d un maquettage d un traitement d affinage Hypothèses : Données simulées Modèle de prise de vue du type PHR Simulation de l ensemble des données et mesures Cas d étude : Scénario «APPUI» Scénario «LIAISON» Liaison pure Liaison avec contrainte au sol CS Communication & Systèmes / 8
METHODOLOGIE 1. Définition du modèle et génération des mesures Définition du modèle géométrique type pléiades Définition du modèle Initial Définition du modèle Final («vérité terrain») Génération des mesures 2. Affinage Création du problème d optimisation Estimation de la solution 3. Validation de l Affinage CS Communication & Systèmes / 9
MAQUETTE Exemple : Contexte simple : 2 rotations des lignes de visée (roulis, tangage) à affiner Modèle de prise de vue final Roll = Roll final = 0.1 Pitch = Pitch final = -0.3 Génération des mesures Modèle de prise de vue initial Roll = Roll initial = 0 Pitch = Pitch initial = 0 Affinage Modèle de prise de vue initial affiné Roll = Roll estimé Pitch= Pitch estimé Validation Erreur roll = Roll final Roll estimé Erreur pitch = Pitch final - Pitch estimé CS Communication & Systèmes / 10
MAQUETTE : DEFINITION DU SATELLITE Définition des paramètres du satellite Orbite circulaire : Altitude 694km Position du satellite a proximité de Toulouse pour la date de référence définie Deux lois de guidages possibles : Nadir pointing / Yaw compensation Loi définie à partir de polynômes Attitudes, positions, vitesses calculées à partir de ce modèle (possibilité de donner un liste de PV,Q directement) CS Communication & Systèmes / 11
MAQUETTE : DEFINITION DE L INSTRUMENT Définition «simple» d un instrument du type PHR 40000 pixels, fauchée environ 20km Angle selon axe X paramétrable (0 par défaut) Angle selon X,Y modifiables (deux rotations 1 axe des lignes de visées) Roll/pitch à estimer Grandissement modifiable Position de l instrument au niveau du centre de masse du satellite (paramétrable) LinePeriod 1.5ms (paramétrable) CS Communication & Systèmes / 12
MAQUETTE : PARAMETRAGE RUGGED Paramétrage : Algorithme d intersection pour la localisation Par défaut : par rapport à l ellipsoide de référence (par exemple WGS84) Modèle d élévation : Par défaut : pas de MNT Gestion de la réfraction atmosphérique Correction du temps de trajet de la lumière A partir de ces éléments on construit les modèles de prise de vue. CS Communication & Systèmes / 13
MISE EN PROBLEME ET RESOLUTION Le problème d optimisation Fonctionnelle à minimiser : p : paramètres à optimiser O k : observable k, couple position dans le plan focal / position géodésique f k : modèle de mesure, composé de la localisation inverse et de ses dérivées W k : poids des observables (1) Résolution du problème : itérative (LM ou Gauss-Newton) État initial : p i = 0 Critère de convergence : Validateur : Seuil aux valeurs limites que peut prendre chaque type de paramètres Nombre maximal d itérations : paramètre de la fonction. CS Communication & Systèmes / 14
ETUDE DE CAS L APPUI Contexte simple : 2 rotations des lignes de visée (roulis, tangage), grandissement à affiner Modèle de prise de vue final Roll = Roll final = 0.1 Pitch = Pitch final = -0.3 Factor =Factor final =1.01 Génération des mesures Modèle de prise de vue initial Roll = Roll initial = 0 Pitch = Pitch initial = 0 Factor =Factor initial =1.0 Affinage Modèle de prise de vue initial affiné Roll = Roll estimé Pitch= Pitch estimé Factor =Factor estimé Validation Erreur roll = Roll final Roll estimé Erreur pitch = Pitch final Pitch estimé Erreur factior = Factor final - Factor estimé CS Communication & Systèmes / 15
APPUI PARAMETRAGE Génération des mesures : génération d un ensemble de couples de points d APPUIS par localisation directe sur le modèle final Échantillonnage des mesures selon les lignes et les pixels (par défaut tous les 1000 lignes/pixels) Bruit sur les mesures (au sol), gaussien Paramètres de simulation : Choix des paramètres à optimiser sur le modèle final (roll/pitch/grandissment) Paramétrage du bruit Sélection du nombre d itérations maximum (15) et du seuil de convergence (1e-9) CS Communication & Systèmes / 16
APPUI RESULTATS Paramètres de simulation et résultats Perturbateurs (par ordre d'application) Modèle final Modèle Initial 1. Roulis (rad) -0.00017 0 2. Tangage (rad) 0.00035 0 3. Grandissement 1.05 1 Observables nombre d'échantillons 1600 pas de bruit sur les observables Résidus Initiaux (en mètres) Initiaux (observables vs modèle initial) max 872.0633 mean 448.9443 Algorithme d'optimisation (Levenberg Marquardt) itérations max 100 seuil convergence 1.00E-10 nombre d'itérations avant convergence 11 Résultat optimisation: est Roulis (rad) -0.00017 est Tangage (rad) 0.00035 est Grandissement 1.05 Erreur est Roulis (rad) 2.84E-10 est Tangage (rad) -7.81E-10 est Grandissement -7.30E-09 Résidus Finaux (en mètres) Finaux (observables vs modèle initial après affiage) max mean max (en degrés) mean (en degrés) 6.73E-04 6.23E-04 1.06E-10 9.77E-11 Différentes simulations (choix des paramètres, bruit, seuil) Convergence de l algorithme Valeurs limites de précision de l ordre de 1 e -9 sur les angles 1 e -8 sur le grandissement Erreur au sol de 10 e -4m Robuste au bruit (centré et non centré) CS Communication & Systèmes / 17
LA LIAISON «PURE» Minimisation de la distance d entre deux lignes de visée. CS Communication & Systèmes / 18
LIAISON SCENARIO 2 acquisitions prises sur la même orbite Acquisition A incidence 5 / Acquisition B NADIR Mesures générées pour la vérité terrain : Bruit sur les mesures (bruit gaussien sur les positions senseur) 1600 mesures (max) Algorithme d optimisation Gauss Newton CS Communication & Systèmes / 19
LIAISON : MAQUETTE Pour chaque acquisition (A/B) : 2 rotations des lignes de visée (roulis, tangage) indépendantes, grandissement commun Modèle de prise de vue final Roll a = Roll a final = 4 e -3 Pitch a = Pitch a final = 8 e -4 Roll b = Roll b final = 4 e -3 Pitch b = Pitch b final = -8 e -4 Factor =Factor final =1.01 Génération des mesures Modèle de prise de vue initial Roll a = 0 Pitch a = 0 Roll b = 0 Pitch b = 0 Factor =1.01 Affinage Modèle de prise de vue initial affiné Roll a = Roll a estimé Pitch a = Pitch a estimé Roll b = Roll b estimé Pitch b = Pitch b estimé Factor =Factor estimé Validation CS Communication & Systèmes / 20
LIAISON «PURE» : RESULTATS Convergence vers un optimum, mais pas forcément celui de la vérité terrain Erreur d estimation des paramètres dans le cas le plus favorable de l ordre de 1 e-9 Erreur au sol de l ordre de 10 e-3 m Perturbateurs (par ordre d'application) Modèle final Modèle Initial Affinable Roulis A (rad) 0.00007 0 OUI Tangage A (rad) 0.00001 0 OUI Roulis B (rad) -0.00007 0 OUI Tangage B (rad) 0.00001 0 OUI Grandissement 1 1 NON Résultat optimisation: Valeur Estimée Erreur : valeur finale - valeur estimée est Roulis A (rad) 0.00004-3.01E-05 est Tangage A (rad) -0.00005-6.37E-05 est Roulis B (rad) -0.00011-3.63E-05 est Tangage B (rad) -0.00005-6.12E-05 est Grandissement 1 0 Résidus Finaux (en mètres) Résidus Vérité Terrain(en mètres) Distance entres les points au sol Distance entres les points au sol max (mètre) 2.4944 max (mètre) 0.0067 mean (mètre) 2.4313 mean (mètre) 0.0001 Distance entres les ligne de visée (métrique a minimiser) Distance entres les ligne de visée (métrique a minimiser) max (mètre) 0.0062 max (mètre) 0.0063 mean (mètre) 0.0001 mean (mètre) 0.0001 CS Communication & Systèmes / 21
LIAISON AVEC CONTRAINTE AU SOL Distance a minimiser Convergence vers le même minimum que celui de la vérité terrain CS Communication & Systèmes / 22
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES DE L ETUDE Au niveau de l étude : Démonstration de faisabilité d un affinage avec Rugged Deux scénarios d étude «APPUI» / «LIAISON» Valeur limites de précision, robustesse au bruit de mesure Mais cadre simple, pas forcément réaliste : Outliers? Données vraies : interfaçage avec des produits pléiades et extraction de points homologues, prise en compte du terrain. Cas MIXTE APPUI/LIAISON, Cas multi-vues Comparaison avec les outils de référence CS Communication & Systèmes / 23
PASSAGE AU CADRE REEL Au niveau de la librairie Rugged: Fonctionnalité d APPUI reversée à l outil Rugged Création d un «contexte» générique d affinage Gestion de produits type pléiades Réflexion autour des paramètres modifiables, remonter jusqu à l instrument, jusqu aux attitudes? CS Communication & Systèmes / 24
QUESTIONS Des questions? https://www.orekit.org/forge/projects/rugged CS Communication & Systèmes / 25
CS 22, avenue Galilée - 92350 Le Plessis Robinson Tél. : 01 41 28 40 00 www.c-s.fr CONCEPTEUR, OPÉRATEUR & INTÉGRATEUR DE SYSTÈMES CRITIQUES www.c-s.fr CS Communication & Systèmes / 26